太陽能多功能智能充電車衣的設(shè)計(jì)

錢迎 葉木森 顧芳濤 李勇強(qiáng) 翟娟

收稿日期：2023-09-12

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202313987024Y）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.014

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)的需要人力手動(dòng)覆蓋的汽車車衣，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款基于STC89C52單片機(jī)的太陽能多功能智能充電車衣，該車衣既可以通過外界溫度、濕度以及光照強(qiáng)度的變化進(jìn)行收起或者打開車衣，也可以通過手機(jī)藍(lán)牙APP實(shí)現(xiàn)對(duì)車衣的控制。智能車衣不僅解決了需要人力而且費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)，還解決了由于車內(nèi)溫度過高而引起有害物質(zhì)揮發(fā)的問題。該產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于停在室外的小型車、緊湊車、SUV等型號(hào)汽車。

關(guān)鍵詞：車衣；太陽能；藍(lán)牙；OLED屏；直流電機(jī)；DHT11溫濕度傳感器

中圖分類號(hào)：TP271.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）07-0059-04

Design of Solar Multi-function Intelligent Charging Car Clothing

QIAN Ying1， YE Musen1， GU Fangtao1， LI Yongqiang2， ZHAI Juan1

（1.Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou? 225000， China;

2.Guilin University of Electronic Technology， Guilin? 541004， China）

Abstract： Aiming at the traditional manual coverage of the car clothing by manpower， a solar multi-functional intelligent charging car clothing based on STC89C52 Single-Chip Microcomputer is designed and developed， which can not only open or close the car clothing through the changes of external temperature， humidity， and light intensity， but also realize the control of the car clothing through mobile phone bluetooth. The intelligent car clothing not only solves the shortcomings of requiring manpower and time-consuming， but also solves the problem that the harmful substances volatilization caused by the high temperature in the car. This product can be widely used in small cars， compact cars， SUV （Suburban Utility Vehicle） and cars in other type.

Keywords： car clothing; solar energy; bluetooth; OLED screen; DC motor; DHT11 temperature and humidity sensor

0? 引? 言

汽車的普及在提高我們的生活品質(zhì)的同時(shí)，帶來的問題也不容忽視。如太陽一直對(duì)著車暴曬，會(huì)對(duì)汽車的車漆和內(nèi)飾產(chǎn)生影響。因?yàn)樘柟庵械淖贤饩€會(huì)與車漆里面的樹脂有機(jī)成分發(fā)生作用，使其極速老化。汽車內(nèi)飾之間多是用膠水粘連，比如皮革紡織物、復(fù)合材料、橡膠等材料的組裝都要用到膠水，而膠水經(jīng)過太陽的曝曬會(huì)加速里面各種化學(xué)物質(zhì)的散發(fā)，如甲醛、笨多環(huán)芳烴等，會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生刺鼻的氣味。太陽的曝曬還會(huì)加速汽車密封條的老化，使汽車的密封性下降。汽車輪胎同樣也受太陽的影響，經(jīng)過長時(shí)間的暴曬，會(huì)加劇車胎老化，會(huì)使車胎變形、龜裂，影響車胎的使用壽命。與此同時(shí)，還會(huì)影響胎壓，可能在行駛的過程中造成事故。因此車衣就顯得尤為重要，傳統(tǒng)的車衣在使用和收納時(shí)十分不便，浪費(fèi)大量時(shí)間的同時(shí)還不便于操作，這時(shí)就需要一款智能車衣來提高效率，使我們的生活更有品質(zhì)。

針對(duì)部分汽車，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款太陽能多功能智能車衣。通過單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，利用電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制車衣的收起與打開。當(dāng)太陽光照或者外界溫度或者濕度超過設(shè)定值，車衣打開，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ档臅r(shí)候，車衣就會(huì)收起。智能車衣是通過太陽能來提供電能，太陽能給單片機(jī)進(jìn)行供電，太陽能是一種可再生能源，不會(huì)污染環(huán)境，是最清潔的能源之一。

1? 系統(tǒng)總體框架

本文設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，通過檢測外界溫度、濕度以及光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制車衣的收起和打開以及車內(nèi)風(fēng)扇的開與關(guān)，也可以通過藍(lán)牙單獨(dú)控制車衣和風(fēng)扇的啟用，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的太陽能多功能智能充電車衣，通過太陽能板給STC89C52單片機(jī)供電，利用溫濕度傳感器來檢測溫度和濕度，以及通過光敏傳感器來檢測光照強(qiáng)度，將所獲取的溫度、濕度以及光強(qiáng)度傳送給STC89C52單片機(jī)[1]，如果溫度或者光照強(qiáng)度超過設(shè)定的值，則通過單片機(jī)控制直流電機(jī)收起車衣以及打開風(fēng)扇，如果濕度超過設(shè)定值則打開車衣，風(fēng)扇不工作。如果均沒超過，則收起車衣。收起和打開車衣時(shí)，蜂鳴器警報(bào)，直至車衣完全收起或者打開，結(jié)束警報(bào)，系統(tǒng)總體電路圖如圖2所示。

2.1? STC89C52單片機(jī)

STC89C52是一款由北京思特奇（STC）公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)（MCU），是增強(qiáng)型8051單片機(jī)。支持UART串口通信、SPI接口和I2C總線接口，便于與其他外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。含有8 KB閃存程序存儲(chǔ)器，256個(gè)RAM用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)具有32個(gè)IO口。STC89C52速度快、功耗低、抗干擾能力超強(qiáng)，成本不高，在滿足系統(tǒng)要求的同時(shí)開發(fā)簡單[2]。該模塊作為整個(gè)系統(tǒng)核心，通過讀取溫度、濕度以及太陽光照強(qiáng)度來控制相應(yīng)模塊使用。

2.2? 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器本文使用的是DHT11。當(dāng)溫度高于30 ℃或者濕度高于75%時(shí)，單片機(jī)接收到相應(yīng)的執(zhí)行指令，通過控制直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車衣以及風(fēng)扇的控制。DHT11的溫度工作范圍：0～50 ℃，精度為±2 ℃，濕度測量范圍：20%～90%相對(duì)濕度[3]，精度為±5%。

DHT11一共有3個(gè)引腳，簡單易用，傳感器內(nèi)置了溫度和濕度的校準(zhǔn)系數(shù)，可提高測量的準(zhǔn)確性。第一個(gè)引腳VCC工作電壓范圍為3～5.5 V，可以接在單片機(jī)3 V或者5 V上，第二個(gè)引腳可以接在單片機(jī)的任意IO口上，第三個(gè)引腳接地。DHT11傳感器采用串行接口，具有成本低、功耗低、響應(yīng)快、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)[4]，且DHT11相比DHT22價(jià)格更加低廉。

2.3? 藍(lán)牙模塊

本文采用的藍(lán)牙模塊是HC-05藍(lán)牙模塊，不支持BLE（低功耗藍(lán)牙）功能。本文HC-05通過藍(lán)牙給單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，讓單片機(jī)控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)是收起車衣，反轉(zhuǎn)則是打開車衣，同時(shí)也可以控制風(fēng)扇的啟用。

HC-05藍(lán)牙有四個(gè)引腳，VCC的范圍是3.3～5 V，可以接在單片機(jī)的任一正極，TXD是模塊串口發(fā)送引腳，直接接單片機(jī)的RXD引腳，RXD是模塊串口接收引腳，應(yīng)直接接單片機(jī)的TXD引腳。HC-05模塊是一款功能齊全、能耗低、價(jià)格便宜的藍(lán)牙串口模塊[5]，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能家居等領(lǐng)域。

2.4? 光敏模塊

本文采用的光敏模塊是GY-30型號(hào)，其內(nèi)部含有BH1750FVI芯片。GY-30中的光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后，通過ADC采集電壓，轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)存貯到內(nèi)部寄存器中，且光照強(qiáng)度越高，光電流越大，采集到的電壓越大[6]。GY-30有5個(gè)引腳，其中VCC可以接單片機(jī)的3.3 V和5 V，GND和ADO均接單片機(jī)的GND。SDA和SCL接單片機(jī)的兩個(gè)引腳。由于它的分辨率比較高，所以可以對(duì)大范圍變化的光照強(qiáng)度進(jìn)行測量[7]。GY-30測量最大值為65 535 lx，可以很好地適應(yīng)本產(chǎn)品需求。GY-30光敏傳感器的優(yōu)勢(shì)在于其響應(yīng)速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好，能夠準(zhǔn)確地檢測到光照強(qiáng)度的微小變化，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、溫室大棚、實(shí)驗(yàn)室、養(yǎng)殖、建筑、樓宇等環(huán)境中，幫助用戶了解光照強(qiáng)度情況，以優(yōu)化光能利用和管理。

2.5? 直流電機(jī)

本文電機(jī)采用的是直流電機(jī)，單片機(jī)通過接收信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，控制車衣的收起與打開。在電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域，直流電機(jī)相比其他電機(jī)具有啟動(dòng)性能優(yōu)良、調(diào)速范圍廣且平滑、過載能力強(qiáng)、節(jié)能及轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用的場合從軍事到工業(yè)以及民用極其廣泛[8]。直流電機(jī)有三個(gè)引腳，G接地，V接電源，S接單片機(jī)的一個(gè)IO口。

2.6? OLED屏

顯示屏采用由一系列有機(jī)材料組成的OLED屏幕，用來顯示溫度和濕度以及光照強(qiáng)度的變化值。有機(jī)電致發(fā)光器件OLED因具有響應(yīng)速度快、色域廣和可柔性制備等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于顯示、照明和醫(yī)療等領(lǐng)域[9]。OLED通過I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)主設(shè)備和從設(shè)備之間的雙向通信。SCL和SDA可以接在STC89C52單片機(jī)的兩個(gè)IO口上。

2.7? 蜂鳴器模塊

本設(shè)計(jì)的電磁式有源蜂鳴器，由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。有源蜂鳴器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耗電低等特點(diǎn)，且頻率固定，通常只有一個(gè)單音。由于有源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電流較大，不能通過單片機(jī)的IO口進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，需要用三極管對(duì)電流進(jìn)行擴(kuò)流[10]。有源蜂鳴器通常有三個(gè)引腳，其中VCC接在正5 V，GND接地，還有一個(gè)接在單片機(jī)的IO口上，通過給IO高低電平來控制蜂鳴器工作與不工作。其中，蜂鳴器是警報(bào)裝置。

3? 軟件程序設(shè)計(jì)

本文程序流程如圖3所示，首先通過太陽能給整個(gè)模塊供電，溫濕度傳感器分別檢測溫度和濕度并顯示在OLED屏幕上，光敏傳感器檢測光照強(qiáng)度同時(shí)也顯示在OLED屏幕上，如果溫度、濕度或者光照強(qiáng)度任意一個(gè)讀取到的值超過設(shè)定值，單片機(jī)控制一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車衣打開，蜂鳴器發(fā)生警報(bào)，等到車衣完全打開，蜂鳴器警報(bào)結(jié)束，如果均沒超過設(shè)定值則車衣開始收起，蜂鳴器警報(bào)，等到車衣完全收起，蜂鳴器解除警報(bào)。如果溫度或者光照超過設(shè)定值，風(fēng)扇打開，均沒有超過則風(fēng)扇打開。手機(jī)可通過藍(lán)牙APP直接控制車衣的收起與打開和風(fēng)扇的啟用。

4? 系統(tǒng)測試

要分開檢測每個(gè)模塊單獨(dú)作用時(shí)對(duì)車衣以及風(fēng)扇的控制，防止出現(xiàn)誤操作。

首先檢測GY-30光敏傳感器，降低光敏傳感器的設(shè)定參數(shù)值，使GY-30光敏傳感器在正常光照情況下就超過設(shè)定值，檢查風(fēng)扇是否打開和車衣是否打開，且在打開過程中蜂鳴器是否工作，當(dāng)車衣完全收起時(shí)，觀察蜂鳴器是否停止工作，同理，提高GY-30光敏傳感器的設(shè)定參數(shù)值，檢查車衣是否收起以及風(fēng)扇是否關(guān)閉，將所顯示的光照強(qiáng)度數(shù)值顯示在OLED上。若都成功實(shí)現(xiàn)，則GY-30光敏傳感器可以成功控制智能車衣。

然后通過溫濕度傳感器來控制車衣以及小風(fēng)扇。首先將溫度以及濕度所讀取到的數(shù)據(jù)顯示在OLED屏幕上，通過串口助手觀察溫濕度數(shù)據(jù)與顯示屏上的數(shù)據(jù)是否一致，若不一致可檢查程序和接線。再提高溫度的設(shè)定值，讓讀取的溫度高于設(shè)定的溫度，降低濕度的設(shè)定值，使得讀取的濕度低于設(shè)定值，最后顯示結(jié)果應(yīng)為車衣打開，蜂鳴器只有在車衣打開過程中工作，全部打開后蜂鳴器不工作，此時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。溫度低于設(shè)定值，濕度高于設(shè)定值，顯示結(jié)果是車衣打開，此時(shí)風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蜂鳴器同上一樣工作。溫濕度同時(shí)低于設(shè)定值，車衣收起，蜂鳴器同上，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動(dòng)。溫度和濕度同時(shí)高于設(shè)定值時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為車衣打開，蜂鳴器同上，風(fēng)扇工作。如果上述實(shí)驗(yàn)全都可以完成，則溫濕度傳感器沒有問題。

最后檢查藍(lán)牙模塊藍(lán)牙模塊，用手機(jī)藍(lán)牙APP直接控制車衣的收起與打開以及風(fēng)扇的啟用。通過給藍(lán)牙模塊發(fā)送車衣打開與關(guān)閉的執(zhí)行指令，觀察車衣能否進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的工作。如果可以，再將藍(lán)牙模塊與溫濕度傳感器或者光敏傳感器一起使用，測試在溫度超過設(shè)定值時(shí)，在車衣打開情況下，使用手機(jī)藍(lán)牙APP控制車衣收起，觀察車衣能否正常收起，判斷編寫代碼是藍(lán)牙模塊是否有優(yōu)先級(jí)。如果可以收起，再加入另一個(gè)模塊，最后加入太陽能板給單片機(jī)供電。

基于太陽能多功能智能充電車衣的硬件設(shè)計(jì)并組裝好后，檢查連接的線路是否松動(dòng)，再將程序通過Keil uVision4下載到STC89C52單片機(jī)中。通過改變溫度設(shè)定值、濕度設(shè)定值以及光照強(qiáng)度設(shè)定值，來觀察車衣、風(fēng)扇以及蜂鳴器與上述分開測試時(shí)是否一致，如果一致，則該系統(tǒng)沒有問題，如果不一致，重復(fù)上述操作，檢測哪一模塊出錯(cuò)，最后完成程序編寫，實(shí)物圖如圖4所示，顯示數(shù)據(jù)如圖5所示。

5? 結(jié)? 論

本產(chǎn)品所實(shí)現(xiàn)的是對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行檢測，假設(shè)濕度到達(dá)75%、溫度高于30 ℃、太陽光照強(qiáng)度高于5 000 lx時(shí)，如果以上三種情況任何一個(gè)實(shí)現(xiàn)，都可以打開車衣，如果以上三種情況均未達(dá)到，車衣會(huì)自動(dòng)收起，也可以通過藍(lán)牙控制車衣的收起和打開。本文采用的是新型的智能車衣，可以減少外界因素對(duì)汽車的損耗，能夠更好地保護(hù)汽車。本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)是可以高效、快速將車衣收起或者打開，從而解決人工操作不方便的問題，也可以在上車前開啟風(fēng)扇，讓人們進(jìn)入汽車時(shí)，溫度適宜。另外本文采用的溫濕度傳感器的精確度不夠，存在誤差，小風(fēng)扇不能很好地降溫，可以使用一個(gè)小型空調(diào)來進(jìn)行有效降溫。

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作者簡介：錢迎（2003—），男，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚(yáng)州人，副教授，碩士，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)。