陳志權(quán)　楊穎珊　張鑒勇　張潞英　朱傳云

【摘 要】很多家庭庭院或者錯(cuò)層陽臺(tái)都會(huì)用到雨棚，享受雨棚的便利的同時(shí)，雨棚的清潔也變成一個(gè)問題。由于雨棚處在室外環(huán)境中，適合室內(nèi)清潔用的掃地機(jī)器人不適用于雨棚。本文針對(duì)家用的平面玻璃雨棚給出清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52RC為核心控制清潔小車完成清潔功能，并配合高壓水流沖洗。經(jīng)過測(cè)試，本系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能并達(dá)到預(yù)期的清潔效果。

【關(guān)鍵詞】雨棚清潔系統(tǒng)；單片機(jī)；家用

Glass Canopy Cleaning System Based on STC89C52RC

CHEN Zhi-quan YANG Ying-shan ZHANG Jian-yong ZHANG Lu-ying ZHU Chuan-yun

（ School of Physics&Optoelectric Engineer，F(xiàn)oshan Univesity，F(xiàn)oshan Guangdong 528000，China）

【Abstract】Glass canopy are often used in a yard or a split-level balcony.It is a common problems to clean the canopy.Though there are many kinds of cleaning robot that can be used for indoor environment.They would be bot fit for cleaning canopy because of the different outdoor environment.In this paper，a glass canopy cleaning system based on STC89C52RC was developed.The testing results showed that the system was useful and effective.

【Key words】Glass canopy cleaning system；SCM；Household

0 引言

雨棚在我們的日常生活中非常常見，比如過街天橋上，樓門口的上方或者庭院中等。很多住宅小區(qū)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在低層或者頂層留出私家花園的位置，這些位置通常都會(huì)用到雨棚。還有一些樓房采用錯(cuò)層設(shè)計(jì)，雖然陽臺(tái)空間變得開闊，但是由于錯(cuò)層，使得陽臺(tái)遮風(fēng)擋雨的效果減弱，很多住戶會(huì)選擇在陽臺(tái)上搭建玻璃雨棚。不管是庭院的雨棚還是錯(cuò)層陽臺(tái)的雨棚，都起到了遮風(fēng)擋雨的作用，同時(shí)避免高空墜物帶來的傷害，從而營造一個(gè)比較舒適的家庭環(huán)境。

但是家用雨棚的清潔是一個(gè)讓人困擾的問題。由于雨棚處在室外，一方面會(huì)積攢灰塵，另一方面還可能會(huì)有樹葉，外墻掉落的石子或者樓上無意掉落的牛奶盒、衣架、毛巾等等各種雜物，因此以真空吸塵為核心用于室內(nèi)的掃地機(jī)器人不適合用來清潔雨棚，而人工清潔存在高空墜落的危險(xiǎn)性。所以設(shè)計(jì)一個(gè)家用雨棚清潔系統(tǒng)是非常有必要的。

雨棚有很多種，家庭用的雨棚考慮到采光和美觀的問題，很多時(shí)候會(huì)采用平面的玻璃雨棚。本研究的目的就是針對(duì)平面的玻璃結(jié)構(gòu)的家用雨棚設(shè)計(jì)一個(gè)簡單有效的清潔系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)清掃，清潔劑噴灑，水洗等功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

第一部分是帶有高壓噴頭的水管。水洗功能通過采用高壓水流清洗來實(shí)現(xiàn)。高壓水流的應(yīng)用跟高壓水流清洗機(jī)的原理一樣，通過動(dòng)力裝置使得高壓柱塞產(chǎn)生高壓水流來沖洗物體表面[1]。高壓水流的控制通過人工控制，當(dāng)用戶要對(duì)雨棚進(jìn)行清潔時(shí)，打開控制相應(yīng)的開關(guān)，高壓扇形噴頭開始噴出高壓水流。

第二部分是清潔小車。以遙控履帶小車[2]作為清潔功能實(shí)現(xiàn)的載體，小車上載有用來裝清潔劑的水箱和噴灑清潔劑裝置以及用來清掃的刷子。小車的控制和驅(qū)動(dòng)分別通過STC89C52RC單片機(jī)[3-5]和L298N驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)。清潔裝置部分包括清潔刷和清潔劑噴灑裝置。清潔刷由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)；清潔劑自動(dòng)噴灑裝置由一個(gè)噴水電機(jī)、一個(gè)裝清潔劑的水箱構(gòu)成，這兩個(gè)電機(jī)同樣由L298N模塊來驅(qū)動(dòng)。

2 清潔系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路主要包括四個(gè)模塊，清潔小車驅(qū)動(dòng)模塊，清潔刷驅(qū)動(dòng)模塊和清潔劑噴灑控制模塊以及遙控模塊。

2.1 小車運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路

遙控小車的運(yùn)動(dòng)是通過兩個(gè)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來控制，本系統(tǒng)采用的是12V直流電機(jī)，通過L298N驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)。L298N驅(qū)動(dòng)模塊的供電電源為5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，驅(qū)動(dòng)電路有4個(gè)輸入端和4個(gè)輸出端。一臺(tái)電機(jī)有2個(gè)輸出端去控制，一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊可以供兩臺(tái)電機(jī)去使用。單片機(jī)的P1.0-P1.3，4個(gè)端口為輸出控制信號(hào)口，通過驅(qū)動(dòng)電路連接到電機(jī)上，驅(qū)動(dòng)模塊通過對(duì)控制信號(hào)高低電平的判斷做出相應(yīng)的反應(yīng)來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止。

2.2 清掃刷和清潔劑噴灑裝置驅(qū)動(dòng)電路

清潔裝置是由12V直流電機(jī)和清潔刷組成，電機(jī)為清潔刷提供動(dòng)力去洗刷雨棚；清潔劑噴灑裝置由一個(gè)噴水電機(jī)和一個(gè)小水箱組成。同樣使用一個(gè)L298N驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。清潔刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)清潔刷轉(zhuǎn)動(dòng)，完成刷洗雨棚的功能；清潔刷電機(jī)停止時(shí)，清潔刷完成清掃功能，可以將雨棚上的雜物歸集。噴水電機(jī)的工作狀態(tài)只有兩種，正轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時(shí)噴灑清潔劑，停轉(zhuǎn)時(shí)待命。電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由電壓高低控制的，本系統(tǒng)采用PWM技術(shù)來控制電壓的高低來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.3 電源模塊

本系統(tǒng)采用一個(gè)12V的鋰電池，所有的直流電機(jī)都采用12V，單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊都是5V。單片機(jī)的工作電壓為5V，而遙控小車上的兩路電機(jī)的工作電壓為12V，需要用到降壓模塊把12V的電壓降為5V輸出到單片機(jī)，供單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊去使用。而12V的電機(jī)則不需要降壓，直接連接到到12V的鋰電池就可以正常工作。

2.4 無線通信模塊

本系統(tǒng)的無線通信通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)，分為兩個(gè)部分，遙控部分和智能控制部分，如圖2所示。遙控部分是一臺(tái)支持藍(lán)牙功能的Android智能手機(jī)和安裝在小車的藍(lán)牙模塊。Android系統(tǒng)的藍(lán)牙開發(fā)主要的類別有三種，BluetoothDevice，Bluetoothsocket，BluetoothA-dapter，調(diào)用這幾類可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的基本操作[7]。智能控制部分系統(tǒng)由三部分組成：藍(lán)牙通訊模塊、STC89C52RC單片機(jī)、電源部分的電路。

在Android應(yīng)用程序中每個(gè)功能鍵分別用一個(gè)固定的指令，在下位機(jī)控制程序里面把對(duì)應(yīng)的指令寫到相應(yīng)的功能程序了。在Android應(yīng)用程序上位機(jī)中按下一個(gè)功能鍵，就會(huì)經(jīng)過手機(jī)內(nèi)置藍(lán)牙模塊和智能控制中的藍(lán)牙模塊把該指令發(fā)送到單片機(jī)中，單片機(jī)把該指令識(shí)別、判定出來，然后發(fā)出控制信號(hào)調(diào)用下位機(jī)控制程序?qū)?yīng)該指令的那部分程序，運(yùn)行這部分的功能。通過藍(lán)牙控制系統(tǒng)中小車載體的運(yùn)動(dòng)，清掃刷的清洗的快慢，清潔劑噴灑開啟或關(guān)閉。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要分為兩個(gè)部分，一部分為手機(jī)遙控軟件，也就是Android應(yīng)用程序上位機(jī)這一部分；另一部分為單片機(jī)程序設(shè)計(jì)部分，也就是下位機(jī)控制程序這部分。

3.1 手機(jī)遙控軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是利用Android系統(tǒng)手機(jī)來操控的。藍(lán)牙技術(shù)以及發(fā)張比較成熟，我們可以直接下載一個(gè)藍(lán)牙串口通訊助手軟件，這個(gè)軟件已經(jīng)具備了較為完整的功能，基本框架的程序已經(jīng)寫好，只需要把這個(gè)軟件的界面上的功能鍵改成自己需要的功能鍵。

圖3為藍(lán)牙串口通信界面，在此界面上有12個(gè)功能鍵，我們把其中多個(gè)功能鍵改為本系統(tǒng)需要用到的功能鍵指令，每個(gè)功能鍵寫入了相關(guān)的控制指令如，如圖3所示所示。功能鍵與指令字符對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

按下相關(guān)的功能鍵，Android應(yīng)用程序就會(huì)經(jīng)過藍(lán)牙模塊發(fā)送相關(guān)的指令字符給單片機(jī)，然后做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)[9]。其數(shù)據(jù)發(fā)送的流程圖如圖4所示。

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制器的，采用C語言來編寫程序。整個(gè)程序由初始化程序、小車電機(jī)程序、清掃電機(jī)程序、噴水電機(jī)程序考核串口通信程序組成。

小車、清掃、噴水電機(jī)程序，本程序把單片機(jī)P1.0-P1.7八個(gè)端口定義為控制4個(gè)電機(jī)的控制端口。

單片機(jī)是要接收到上位機(jī)的控制指令才能發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)去控制相關(guān)的硬件，圖5是單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖。

4 測(cè)試及結(jié)果分析

為了測(cè)試清潔雨棚系統(tǒng)的清潔效果，我們選擇在一個(gè)接近一年沒有進(jìn)行任何清理的雨棚上進(jìn)行測(cè)試。我們的清潔小車配合高壓水流沖洗基本可以完成預(yù)期的清掃功能并達(dá)到預(yù)期的清潔效果，如圖。但是仍存在一些問題，小車的電機(jī)動(dòng)力匹配稍差，需后續(xù)調(diào)整；另外清潔刷的材料和形狀也會(huì)影響的清潔效率，目前搭配的清潔刷，清潔效率較低。

5 結(jié)論及展望

本文針對(duì)處于室外環(huán)境的平面玻璃雨棚做出了以STC89C52RC單片機(jī)為核心的清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了測(cè)試，基本可以完成預(yù)期的功能并達(dá)到預(yù)期的清潔效果。在后續(xù)的工作中，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，例如加入避障和防跌落模塊等[6]，以達(dá)到完全自動(dòng)化的實(shí)用的狀態(tài)。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]