高空智能玻璃清洁装置设计.docx
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高空智能玻璃清洁装置设计
题目高空智能玻璃清洁装置设计
学生姓名郭利娜学号**********
所在学院物理与电信工程学院
专业班级电子信息工程专业12级4班
指导教师帅春江
完成地点陕西理工学院
2016年6月5日
高空智能玻璃清洁装置设计
作者：
***
（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业12级4班，陕西汉中723000）
指导老师：
帅春江
[摘要]高层建筑上玻璃的清洗工作属于极限作业，易受外界因素（风雨天气）的影响，安全事故时常发生。
因此，文中针对高层住户民用玻璃窗的清洁问题设计了一款玻璃清洁装置。
该装置主要由以下几个部分组成：
清洁系统、运动控制系统、无线遥控系统、传动测距系统。
硬件电路包括STC89C52单片机最小系统，电机驱动模块、OLED显示模块、传感器模块、电源模块、无线遥控模块。
清洁装置的机械部分使用CAD软件进行建模。
该清洁装置可以独立工作在自动模式下，完成喷水、擦洗、风干等任务。
该装置使用简便、易于安装，具有一定的实用价值。
[关键词]玻璃清洁装置；单片机；传感器；无线遥控
DesignofHighAltitudeIntelligentGlass
CleaningDevice
Author：
GuoLina
（Grade12,Class4,Majorelectronic1sandinformationengineering,SchoolofPhysicsandElectronicInformationEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,Shaanxi,723000）
Tutor:
ShuaiChunjiang
Abstract:
Glass-cleaningworkinhigh-risebuildingsisalimitoperation,vulnerabletoexternalfactors（weather）,safetyaccidentsoftenoccur.Therefore,inthispaper,aglasscleaningdeviceisdesignedforthecleaningofhigh-levelhouseholdwindows.Thedeviceismainlycomposedofthefollowingparts:
cleaningsystem,motioncontrolsystem,wirelessremotecontrolsystem,transmissiondistancemeasuringsystem.ThehardwarecircuitincludesSTC89C52MCUminimumsystem,motordrivemodule,OLEDdisplaymodule,sensormodule,powermodule,wirelessremotecontrolmodule.MechanicalpartsofthecleaningdevicearemodeledbyusingCADsoftware.Thecleaningdevicecanworkindependentlyintheautomaticmode,completethetasksofwaterspraying,scrubbinganddrying.Thedeviceiseasytouse,easytoinstall,andhascertainpracticalvalue.
Keywords:
Glass-cleaningdevice;single-chip;sensor;Wirelessremotecontrol
1引言
1.1课题研究的背景与意义
随着科学技术的发展，人民生活水平的提高[1]。
自动化清洗系统已经逐步兴起，并快速的发展和应用[2]。
目前对智能清洗装置的研发主要是针对高楼户外玻璃的清洗，以及地板、墙壁的清洗，但现如今对高层建筑上玻璃的清洗工作主要还是由人工完成的。
传统的人工清洗既危险，效率又低而且成本较高，然而，在社会文明高度发展的今天，对生命的关爱达到了前所未有的高度，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现。
如此，将一种可以代替人力的智能清洁装置应用于高楼玻璃壁面清洗的问题就成为热点研究课题。
为更安全更高效的解决小区高层住户玻璃的清洁问题，高层住户传统的清洁玻璃主要是靠“人工+吊篮”或住户自行擦洗窗户的模式[3]，不仅效率低，而且易出事故，后来在这方面也有相应的研究，壁面吸附式小型清洁器就是其中之一，但其清洁效率较低，越障能力差，吸附能力有限[4]，室外高空作业属于极限作业，易受外界因素（风雨天气）的影响，那么安全可靠显得至关重要，而且因其普及率不高，导致现在很多高层建筑依然采用人工清洗的办法，安全事故时常发生[5]。
目前针对此类智能清洁装置的研究还没有比较成熟、可靠的方案，而本设计产品成本低、使用方便，因此将大大降低高层建筑的清洗成本，具有相当高的社会、经济意义和广阔的应用前景。
减轻了人们做家务劳动的负担，更重要的是减少了高空作业的危险性[6]。
1.2课题研究的现状与发展趋势
目前高层建筑玻璃窗大型的清洗装置主要有安装在楼顶的轨道及绳索系统将擦窗机对准玻璃窗进行擦洗，但投资成本较高，而且要求在建筑设计初期就要考虑清洗系统装置的安装，有一定的局限性；其次是靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗[3]，虽简便易行，但劳动强度大，存在很大的危险性。
国外在家居智能清洗系统上的研究发展较快，清洗系统的自动化、智能化程度也相对较高，大多采用双吸盘或多吸盘吸附式的壁面清洗装置，虽然自动化程度较高，清洗效果相对较好，但是控制结构复杂，使用大功率的真空发生器，造成价格较昂贵、性价比低不益于推广。
国内研制出的用于玻璃清洗的装置具备的特点是，清洗机器人体积较大，整体系统复杂以及附加的辅助装置较多，导致清洗装置在平衡移动时协调性不佳，抗干扰能力较差。
智能清洗系统在智能家居[7]领域有一定的发展前景，未来清洗装置会逐步向小型化、智能化、高性价比的方向发展[8]。
1.3课题研究的主要内容
设计一款基于单片机控制原理的易于安装，容易拆卸的自动化玻璃清洁装置，主要研究有以下几个方面：
（1）通过调查和查找市场上已有的有关高层玻璃清洁装置设计方面的资料，在此基础上提出设计一款针对小区高层住户民用窗户清洁装置的方案。
（2）初步提出清洁装置设计方案，通过机械CAD建模软件设计装置模型。
（3）整个系统一键启动，自动化运行，也可人为通过无线遥控控制。
（4）清洁装置清洗过程中可通过水泵向玻璃喷水，并同时启动送风风扇向玻璃吹风。
（5）通过光电传感器检测装置运行状态，是否到达窗框边缘，检测信号经单片机处理后，达到调整姿态的目的。
（6）显示屏通过红外控制，实时显示装置的运行状态及通过红外遥控控制电机的运行速度。
2清洁装置整体方案设计
2.1设计要求
（1）基本设计要求：
1）设计一款基于机械原理、传感器和单片机技术的高空智能玻璃清洁装置，装置简单、轻便、易于学习使用。
2）玻璃清洁装置采用电动装置，能独立完成窗户的清洗，窗框上设有按键开关控制装置的开启和停止等。
3）装置可拆卸、可固定。
（2）创新要求：
1）清洁装置清洗过程中可通过水泵向玻璃喷水，并同时启动送风风扇向玻璃吹风达到快速干燥的目的。
2）装置的工作状态可自由在自动模式和手动模式间切换。
3）实时显示装置的运行状态，装置运行速度可调。
2.2整体方案选择
2.2.1机械部分方案选择
机械部分由机械学院杜飞文同学通过CAD软件绘制。
机械部分的方案选择主要是进行整体结构的设计及各零部件材料尺寸、大小的选择。
机械部分包括：
X轴滑轨、Y轴滑轨、横向套筒、纵向套筒、X轴电机、Y轴电机、擦块、齿轮齿条、轴承等。
（1）X轴滑轨与Y轴滑轨均采用6061铝合金，密度为
硬度高，质量轻。
如图2.1所示分别是X轴和Y轴滑轨的尺寸图：
（a）X轴滑轨侧视图（b）X轴滑轨主视图
（c）Y轴滑轨侧视图（d）Y轴滑轨主视图
图2.1X轴水平和Y轴垂直滑轨尺寸图纸
（2）考虑到Y轴电机的负载能力，水平套筒也选择硬度高，质量轻的铝合金材料，由于垂直套筒要进行焊接，只能选择45#钢材料，如图2.2所示为X套筒和Y轴套筒的部分尺寸图：
（a）X轴套筒主视图（b）X轴套筒侧视图
（c）X轴套筒俯视图（d）Y轴套筒侧视图
（e）Y轴套筒主视图（f）Y轴套筒俯视图
图2.2X轴套筒和Y轴套筒尺寸图纸
（3）X轴电机是带自锁的直流减速电机，12V空载转速45r/min、额定转速34r/min、额定扭矩2.5kg.cm、额定电流0.3A；Y轴电机是齿轮减速电机，涡轮蜗杆结构，12V空载转速60r/min、额定转速45r/min、额定扭矩5kg.cm，在本设计中Y轴电机作为传动系统的主要部件，该部分由于传动负荷较大，且要求传动平稳，故要求电机扭矩要大。
（4）齿轮齿条有钢、尼龙材料，本次设计考虑到装置整体的重量要轻便，故齿条选择有一定韧性的尼龙材料（1模，20齿）。
（5）擦块盒子采用铁皮手工加工，内装海绵擦尺寸为14.5*10*3，海绵擦可定期更换，擦块盒尺寸图如图2.3所示：
图2.3海绵擦块盒尺寸图纸
（6）送风风扇采用DC-12V，0.3A直流无刷风扇如图2.4（a）所示；采用DC-12V，0.3A小型水泵如图2.4（b）所示：
（a）风扇（b）水泵
图2.4风扇和水泵
2.2.2硬件电路方案选择
硬件电路包括单片机最小系统、电机驱动模块、OLED显示模块、传感器模块、电源模块、无线遥控模块。
以下根据这几个模块进行方案的选择：
（1）主控制器选择
主控制器是整个系统运行的核心，控制器的能力关系到整个系统执行力的好坏与否，并且极强的控制力是提高系统抗干扰能力的砝码。
因此，控制系统要做到开放性结构，合理的模块化设计，有效的任务划分，实时性、多任务，形象直观的人机接口及后续的扩展接口。
通过比较现有的单片机，决定采用STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器STC89C52作为主控芯片，该芯片共有40个引脚，32位I/O口线，分别是P0、P1、P2、P3口。
内部含有3个16位定时器/计数器，T0、T1、T2。
52单片机一共有6个中断源，分别是INT0--外部中断0，由P3.2端口线引入，低电平或下降沿引起；INT1--外部中断1，由P3.3端口线引入，低电平或下降沿引起；T0--定时器/计数器0中断；T1--定时器/计数器1中断；T2--定时器/计数器2中断；TI/RI--串口中断；空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作[4]。
最高运作频率可达35Mhz。
STC89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案，此单片机的性能符合本次设计要求。
故主控制器采用STC89C52单片机作为主控芯片，来控制整个系统的运行。
（2）电机驱动模块选择
方案一：
采用分立元件构成H桥驱动模块电路；
方案二：
采用L298n集成驱动芯片构成驱动模块电路；
如图2.5（b），由大功率三极管等分立元件组成的驱动电路，使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉冲调制来控制电动机的电压，从而实现电动机转速的控制。
如图2.5（a），L298n集成芯片内部是由CMOS管构成的两个H桥驱动电路，工作电压可达36V、4A，含有四个输入端IN1—IN4，用来控制电机的正反转；四个输出端OUT1—OUT4可同时驱动2个直流电机。
其中1脚和15脚是控制使能端EnA和EnB，用来控制电机的停转。
也可以直接将使能端接高，通过输入端不加信号来控制直流电机的停转。
如图2.5对直流电机进行正反转可控仿真分别采用分立元器件驱动电路和ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片L298n驱动电路分别仿真，方案一采用大功率三极管驱动电路相对复杂，通过观察方案二只用一个集成芯片，电路简单，同时L298n驱动模块启动性能较好，启动转矩大，驱动能力较强有反向保护电路，综合考虑，最终选择了L298n驱动电路。
图2.5电机驱动模块比较图
（3）稳压芯片选择
系统使用12V直流开关电源供电，其中OLED显示模块、传感器模块、L298n驱动的逻辑电平需5V电压，因此稳压电路模块是将12V电压转换为5V电压，可选的稳压芯片有低压差稳压芯片LM2940-5.0V、TPS7350、LM2576-5.0V、LM2596-5.0V、LM7805等。
方案一：
采用如图2.6所示将输入电压VSS=12V通过LM2940低压差稳压芯片输出为5V的稳压电路：
图2.6LM2940稳压电路
方案二：
将12V直流电压通过LM7809转换为9V，再通过LM7805转化为5V
方案三：
采用LM7805将12V直流电压直接转换成5V，加散热片
方案一采用LM2940属于低压差稳压芯片，从12V电压直接输出5V，芯片容易发烫，方案二将12V通过LM7809转换为9V，再通过LM7805转换为5V电压，方案可行，但电路复杂，需通过两个稳压芯片。
综合考虑，采用方案四选择稳压器LM7805直接将12V电压转化为5V，加散热片。
7805稳压器最常见，电路结构简单，其内部含过流、过热及过载保护电路。
加散热片时，输出电流1A左右。
经过多次实验，使用LM7805稳压电路，系统完全可以正常工作[5]。
综上各方案所述，主控制器采用STC89C52单片机，电机驱动模块选L298n作为驱动芯片，稳压电路模块采用稳压器LM7805为系统各个模块提供5V电压。
硬件电路由电机驱动、OLED显示模块、传感器模块、无线遥控模块组成，硬件电路结构如图2.7所示：
图2.7硬件电路结构图
3系统基本原理与结构
本玻璃清洁装置系统由机械、硬件电路，软件三大部分组成，其中机械结构部分通过CAD软件建模，机械部分包括：
X轴滑轨、Y轴滑轨、横向套筒、纵向套筒、Y轴电机（带自锁的直流减速电机，涡轮蜗杆结构，12V空载转速60r/min、额定转速45r/min、额定扭矩5kg.cm）、X轴电机（齿轮减速电机，12V空载转速45r/min、额定转速34r/min、额定扭矩2.5kg.cm、额定电流0.3A）、齿轮齿条（1模，20齿）、轴承等组成。
控制部分采用基于STC89C52单片机的控制原理，其中包括：
单片机最小系统；直流减速电机驱动模块；电源模块；无线遥控模块；传感器接口模块；OLED显示电机运行速度档位及状态模块，及预留的后续备用接口。
控制部分是整个系统的核心，主要进行数据的采集及处理。
软件部分由控制算法及执行程序组成，建立在硬件系统上，并指挥硬件正常运行。
本清洁装置的设计可以自动按照原有设计路线完成玻璃的清洗，同时可以通过无线遥控器手动控制装置的清洗路线。
3.1机械设计
清洁装置机械部分采用二维滑轨，擦块固定在X轴水平滑轨上，通过直流减速电机带动齿轮进行水平方向移动，机械总装置图如图3.1所示：
图3.1机械总装置设计图
整个系统的结构如图3.2所示。
本课题设计的玻璃清洁装置由清洁系统、运动控制系统、传动测距系统、无线遥控系统组成。
图3.2系统原理框图
（1）清洁系统：
由擦块、水泵、送风风扇组成，固定在水平套筒上的擦块主要进行玻璃的擦洗，在擦洗之前由水泵向玻璃喷洒少量的清洁液，擦洗过程中启动送风风扇使得玻璃能达到快速干燥的目的，以免使灰尘附着在潮湿的玻璃上。
擦块上的海绵擦可以定期进行更换。
（2）运动控制系统：
整个装置的运行是靠固定在垂直套筒上的带减速箱的Y轴电机与固定在水平套筒上的X轴电机共同来完成，本装置的运行模式分为自动模式（Auto）和手动模式（manual），其中自动模式的运行主要靠装在水平与垂直套筒上的4个红外避障传感器采集信息反馈给单片机经单片机进行数据处理后通过IO口输出不同占空比的PWM波来控制电机的运转，自动模式启动后装置会根据红外避障传感器反馈的信息按照原有的行走路线进行玻璃的擦洗（如图3.3所示）；手动模式启动后，用户可以通过无线遥控器自主控制大小电机的运转来选择不同的擦洗路线。
程序设置手动模式优先级高于自动模式。
自动模式下装置的清洁路线如图3.3所示：
图3.3擦块清洁路线
（3）传动测距系统：
由传感器与安装在传感器上的传感器标志器组成。
此系统主要相当于限位开关，通过判断装置是否到达窗框边沿智能控制装置的运行状态及启停状态。
（4）无线遥控系统：
此系统主要是在装置手动模式下用于人机交互，通过人为来控制装置的运行，选用的是智能小车上的无线遥控器，接收采用的是IR1308红外接收器，程序控制采用NEC协议控制红外的收发。
NEC协议[9]：
图3.4NEC协议时序图
a.协议规定低位首先发送。
一串信息首先发送9ms的AGC（自动增益控制）的高脉冲，接着发送4.5ms的起始低电平作为一串信息的引导码，接下来是发送四个字节的用户码和数据码，这四个字节分别为：
用户码；用户码反码；数据码；数据码反码。
b.如果一直按那个按键，一串信息也只能发送一次，一直按着，发送的则是以110ms为周期的重复码（按键的时候，最好用指肚按键位的中央处）。
c.重复码的格式是由9ms的AGC高电平和4.5ms的低电平及一个560us的高电平组成。
图3.5重复码脉冲图
其创新点在于此装置适用于大多数小区居民玻璃窗的清洗，装置易于安装、拆卸，不易脱落，方便控制，简单易学，摒弃了现有的擦玻璃装置结构较复杂，价格昂贵的特点。
装置供电采用12V开关电源，供电方便。
3.2硬件电路设计
3.2.1单片机最小系统
（1）主控芯片介绍
STC89C52具有下列主要性能：
1）STC89C52单片机是8051单片机的改进版，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，其指令代码可兼容8051单片机[10]；
2）工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；
3）工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
4）用户应用程序空间为8K字节；
5）片上集成512字节RAM；
6）通用I/O口（32个），复位后为：
P0、P1、P2、P3是准双向口，弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻[10]；
7）ISP/IAP，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
8）具有EEPROM功能；
9）3个16位加1定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2；
10）2个外部中断，低电平或下降沿触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断；
单片机内部结构框图如图3.6所示：
图3.6单片机内部结构框图
下面主要介绍一下STC89C52单片机的定时器和中断：
1）定时计数器
52单片机共3个16位加1定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2，在定时模式下均有4种工作方式，由TMOD和TCON特殊寄存器控制，工作方式如表3.1所示：
表3.1定时器工作方式
工作方式选择
M1
M0
工作描述
方式0
0
0
13位定时/计数器
方式1
0
1
16位定时/计数器
方式2
1
0
8位可重装定时/计数器
方式3
1
1
两个8位计数器
2）中断
STC89C52有6个中断源：
内部中断定时器0、定时器1、定时器2；两个外部中断（INT0和INT1）；串行中断。
特殊寄存器IP用来控制中断的优先级，特殊寄存器IE中相关中断允许控制位控制中断是否有效。
EA控制位控制中断的开启或关闭。
程序进入中断服务后，标志位都可以由软件清0[11]。
中断响应过程如下图3.7所示：
图3.7中断响应过程图
（2）STC89C52单片机最小系统如图3.8所示：
图3.8STC89C52单片机最小系统
如图3.8中STC89C52单片机最小系统由外部晶振电路、复位电路、和P0口上拉电阻等组成。
其中18引脚和19引脚分别接外部晶振Y1和两个30pf的电容C4、C5组成三点式振荡电路，其中两个30pf电容的作用是参与振荡和稳频，Y1采用12MHZ晶振；复位电路由一个10K电阻和10uf电容组成上电复位电路。
STC89C52单片机的工作电压VCC为5V。
L298n的四个输入端IN1~IN4分别接单片机P1.2、P3.7、P1.4、P1.5的通用IO口；IR1308红外接收管的OUT口接单片机的P3.2口；P2.0~P2.3作为光电传感器的IO口。
3.2.2电机驱动模块
本次设计采用双列直插式集成驱动芯片L298n，其驱动模块启动性能好，启动转矩较大，在很大程度上满足了设计要求，如图3.9所示为L298n的引脚图：
图3.9L298n引脚图
L298n内部是由CMOS器件构成的全桥驱动器，采用开关驱动方式，开关驱动方式是使内部半导体器件工作在开关状态，通过PWM波来控制电机两端的电压，驱动信号为高电平时，开关器件导通，相反，为低电平时开关管截止。
如下表3.2是L298n的逻辑功能：
表3.2L298n的逻辑功能
ENA
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运行状况
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
H
H
快速停止
L
X
X
停止
在本设计中电机驱动模块用来驱动X轴和Y轴两个直流减速电机，其中X轴电机的扭矩为0.245N.m，输出功率为3.6W，Y轴电机扭矩为0.49N.m，输出功率为6W。
L298n的9引脚VSS接5V逻辑电压，4引脚VS接12V电压主要是为两个电机提供动力电源。
图3.12中C1和C2为电源滤波电容，4个输出端OUT1~OUT4分别接电机的正端和负端。
电机在换向或停止时会形成反向电流，原理图中8个续流二极管的特性是正向导通，反向截止，可以防止在电机换向时产生反向电流而损坏芯片，起到保护电路的作用。
从图3.10可以看出L298n的使能端ENA、ENB都接高电平，也就是说两个电机将一直工作在使能状态，电机的运行状态只能通过输入端的四个IO口来控制，4个输入端IN1~IN4分别接单片机的P1.2、P3.7、P1.4、P1.5的通用IO口，4个IO口通过单片机输出一定占空比的PWM波来控制电机的运转。
电机驱动模块电路如图3.10所示：
图3.10电机驱动模块
3.2.3无线遥控模块
红外发送器采用智能小车上的无线遥控器（如图3.11所示），共有21个键值，本次设计中使用到的键值有：
7按键用来控制装置的开启（on）；9按键用来控制装置的停止（off）；5按键指示装置复位；1按键装置工作在自动模式（Auto）；3按键装置工作在手动模式（M
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