郭中會　孫春志

摘 要：基于STM32的智能晾衣機器人的設(shè)計是為了改善在物聯(lián)網(wǎng)浪潮下晾衣工具仍處于比較原始的現(xiàn)狀，該論文致力于設(shè)計出一個使用方便、多功能、服務(wù)型的智能產(chǎn)品。設(shè)計思路是通過雨滴傳感器、濕度傳感器等傳感器感受環(huán)境變化量，將微小電壓量放大后送往控制器STM32進行處理，由處理結(jié)果控制不同電機的轉(zhuǎn)速和方向來實現(xiàn)智能自動控制，此設(shè)計有智能控制和無線WiFi控制兩種，使用方便。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；雨滴傳感器；晾衣機器人；STM32

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

隨著智能產(chǎn)品的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的普及，智能家具得到迅速發(fā)展。當前國內(nèi)外在晾衣產(chǎn)品上的研究主要面對兩個方面：陽臺晾衣桿的升降方式和落地衣架的牢固樣式。這兩個方面都是建立在機械上的研究，無法和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)系到一起。而目前生活中所使用的衣架多為不能隨外界環(huán)境變化而自動做出相應(yīng)應(yīng)對方法的傳統(tǒng)類型，晾衣工具還是處于比較原始的層次，已經(jīng)跟不上生活節(jié)奏的變化[1]。本文采用STM32作為晾衣機器人的主控制器，各種傳感器檢測外界環(huán)境，通過控制電機的運轉(zhuǎn)實現(xiàn)智能。另外，本設(shè)計采用無線設(shè)置，可以使用電腦、平板、手機等終端進行多種模式的控制。

1 整體設(shè)計方案

本設(shè)計供電采用太陽能板充電，使用DC/DC變換器的設(shè)計，可提供不同電壓的輸出；利用光夾角傳感器對太陽的位置進行實時監(jiān)測，使晾衣機器人始終和太陽光垂直，加速晾曬速度；利用多點雨滴傳感器檢測周圍環(huán)境的濕度，控制防雨電機和避雨罩，對衣服進行防雨保護；并設(shè)置循跡回家和自動回收功能，利用色標和避障傳感器對地面顏色和障礙物進行識別，回到預(yù)定目的地。通過對衣?lián)蔚脑O(shè)計利用濕度傳感器對衣服濕度進行檢測，衣服曬干后進行回收[2]。而所有的電路都內(nèi)置于方形不銹鋼管制成的機器人外框中。

整體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路詳細設(shè)計

智能晾衣機器人的硬件部分主要由STM32微處理器、雨滴傳感器、濕度傳感器、色標循跡傳感器、無線控制器、太陽能板、穩(wěn)壓電路、電量顯示電路、電機驅(qū)動、直流減速電機和鋰電池組等組成。

圖1 整體方案設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控電路的設(shè)計

該晾衣機器人的主控采用ARM公司的ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103，最高工作頻率為72 MHz，邊上集成32-512 KB的FLASH存儲器和6-64 KB的SRAM存儲器，有兩個12位的D/A轉(zhuǎn)換器（16通道），A/D測量范圍為0-3.6 V，具有雙采樣和保持能力。并且，最多有多達112個快速I/O端口、11個定時器和13個通信接口。其相對51單片機高端的配置是機器人產(chǎn)品主控的首選[3]。

最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

2.2 雨滴傳感器的設(shè)計

目前市場上雨滴傳感器的檢測部分使用的多為濕敏電阻等器件由有機高分子材料組成，價格昂貴[4]。本設(shè)計的檢測部分是通過在單面覆銅板上雕刻出W與M型線條，其中一端口接地，另一端口接以LM393 為雙電壓比較器集成電路的調(diào)節(jié)電路。正常情況下，端口兩端電壓為VCC，即AC為VCC。當雨水滴到覆銅板上使W型線條和M型線條相接觸， 兩端口電壓小于VCC。LM393通過比較INA-與INA+的電壓差輸出高電平或低電平。STM32即可根據(jù)與LM393輸出端連接的I/O口狀態(tài)判斷當前環(huán)境是否下雨，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。電位器R2用以調(diào)節(jié)LM393的INA-電壓值，從而控制雨滴傳感器的靈敏度[5]。圖3所示是雨滴傳感器的檢測板圖、圖4所示是雨滴傳感器的電路。

圖2 STM32最小系統(tǒng)原理圖

圖3 雨滴傳感器檢測板

2.3 濕度傳感器的設(shè)計

本設(shè)計采用的濕度傳感器是HR202L濕敏電阻，采用有機高分子材料，是一種新型濕度敏感元件，具有濕敏范圍寬、長期使用性能穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于智能控制及科研領(lǐng)域。實現(xiàn)原理是利用微處理器的I/O口輸出1 kHz的方波，通過HR202L濕敏電阻對電容進行充電，當檢測I/O口發(fā)生由低電平反轉(zhuǎn)為高電平時記下充電時間，經(jīng)過微處理器運算處理即可得到當前的濕度值。

圖5所示是濕度傳感器的電路圖。

圖4 雨滴傳感器電路

圖5 濕度傳感器電路圖

2.4 無線控制模塊的設(shè)計

無線模塊采用的是ESP8266串口WiFi遠程無線控制模塊，該無線模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧、支持無線80211b/g/n標準、多路TCP Client連接、Smart Link 智能聯(lián)網(wǎng)功能，滿足遠距離控制、實時查看機器人的狀態(tài)的需求，并且該模塊具有STA/AP/STA+AP三種工作模式，具有豐富的Socket AT指令、內(nèi)置32位MCU，因此可以更改內(nèi)部指令使其功能得到最大應(yīng)用[5]。無線控制器電路如圖6所示。

圖6 無線控制器電路圖

2.5 穩(wěn)壓電路的設(shè)計

該穩(wěn)壓電路包括鋰電池充電系統(tǒng)、鋰電池保護系統(tǒng)、鋰電池升壓系統(tǒng)，采用上海如韻電子有限公司生產(chǎn)的CN3083管理芯片。當輸入電壓大于低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3083開始對鋰電池充電，CH管腳輸出低電平，紅色LED亮，充電正在進行；當鋰電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓低于3 V時，CN3083用小電流對鋰電池進行預(yù)充電；當鋰電池電壓Kelvin檢測輸入端的電壓低于3 V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由Iset管腳和GND之間的電阻RISET確定；當鋰電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓接近鋰電池端調(diào)制電壓時，充電電流逐漸減小，CN3083進入恒壓充電模式；當輸入電壓大于4.45 V，并且充電電流減小到充電結(jié)束閾值時，CH端輸出高阻態(tài)，OK端輸出低電平，充電周期結(jié)束[6]。

鋰電池升壓系統(tǒng)采用上海如韻電子有限公司生產(chǎn)的CN5136PFM升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。具有最大輸出電流能力達500 mA、片內(nèi)高精度電壓基準源、工作范圍在2.7 V到6 V等優(yōu)點，非常適合；鋰電池供電的應(yīng)用，采用該轉(zhuǎn)換電路可以直接為電機驅(qū)動L298N提供電源[7]。穩(wěn)壓電路原理如圖7所示。

圖7 穩(wěn)壓電路原理圖

2.6 電量顯示電路的設(shè)計

該電路采用的是一款低功耗四通道電壓監(jiān)測芯片CN1185，其消耗電流只有7.3 mA，非常適合檢測電池電壓。芯片內(nèi)部共包含四個電壓比較器，每個比較器的正輸入端接芯片內(nèi)部電壓基準源，用來對同一電壓源進行分級監(jiān)測。由于用戶可以設(shè)置比較器的翻轉(zhuǎn)閾值和遲滯，所以CN1185非常適合對電池電量進行監(jiān)測，點亮顯示電路原理如圖8所示。

圖8 電量顯示電路原理圖

3 軟件設(shè)計

該設(shè)計軟件由兩部分組成：機器人的晾衣機器人程序設(shè)計和手機無線終端的設(shè)置。

3.1 晾衣機器人程序設(shè)計

機器人通電后無線設(shè)置其工作方式。工作方式包括四種：自動模式、回家模式、手動模式、晾衣模式。

（1）在自動模式中，機器人進入智能晾衣模式，自動調(diào)整與太陽的夾角、自動檢測有無晾曬衣物并在衣物晾干后回到屋內(nèi)、自動檢測天氣狀況并在下雨時或有露水時將衣物封閉，而后回到室內(nèi)；

（2）在回家模式中，機器人將會循跡到室外或室內(nèi)，避免了人為繁瑣的控制；

（3）在手動模式中，可以人為控制機器人的運行等狀態(tài)；

（4）在晾衣模式中，機器人將不執(zhí)行回家模式，在天氣下雨或有露水時將衣物封閉并等待天氣狀況好轉(zhuǎn)后繼續(xù)晾曬衣物[8]。其運行流程如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3.2 手機無線終端的設(shè)置

手機無線終端采用AITEAD創(chuàng)易工作室開發(fā)的ITEAD STUDIO App，終端可以根據(jù)需要設(shè)置無線模塊與手機通信內(nèi)容和傳輸?shù)男畔?，具有操作簡單、使用方便等?yōu)點[9]。通過設(shè)置客戶端IP與服務(wù)端IP的端口號可以實現(xiàn)遠程連接，通過設(shè)置不同前、后、左、右功能需要發(fā)送數(shù)據(jù)與主控中相應(yīng)功能程序判斷條件一直對晾衣機器人的模式等進行選擇和控制等。手機App控制示意圖如圖10所示。

圖10 手機App控制示意圖

4 結(jié) 語

本文提出了基于STM32的晾衣機器人的設(shè)計方法，并最終完成了實物的設(shè)計，此智能晾衣機器人既可以應(yīng)用于普通農(nóng)戶室外晾曬衣物，也適合于小區(qū)樓房陽臺上晾曬衣物。并且其所有電路均內(nèi)嵌于機器人內(nèi)部，密封性好，使用壽命長、美觀大方，并且此設(shè)計功耗低、性價比高，有很強的市場競爭力和使用價值。

參考文獻

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