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 1213014093 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 日陕西理工学院毕业设计高空智能玻璃清洁装置设计作者：郭利娜(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；无线遥控陕西理工学院毕业设计Design of High Altitude Intelligent Glass Cleaning DeviceAuthor：Guo Lina(Grade 12, Class 4, Major electronic1s and information engineering, School of Physics and Electronic Information Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong ,Shaanxi,723000)Tutor: Shuai ChunjiangAbstract: Glass - cleaning work in high-rise buildings is a limit operation, vulnerable to external factors (weather), safety accidents often occur. Therefore, in this paper, a glass cleaning device is designed for the cleaning of high - level household windows. The device is mainly composed of the following parts: cleaning system, motion control system, wireless remote control system, transmission distance measuring system. The hardware circuit includes STC89C52 MCU minimum system, motor drive module, OLED display module, sensor module, power module, wireless remote control module. Mechanical parts of the cleaning device are modeled by using CAD software. The cleaning device can work independently in the automatic mode, complete the tasks of water spraying, scrubbing and drying. The device is easy to use, easy to install, and has certain practical value.Keywords:Glass -cleaning device;single-chip; sensor; Wireless remote control陕西理工学院毕业设计目录1 引言 .11.1 课题研究的背景与意义 .11.2 课题研究的现状与发展趋势 .11.3 课题研究的主要内容 .12 清洁装置整体方案设计 .22.1 设计要求 .22.2 整体方案选择 .22.2.1 机械部分方案选择 .22.2.2 硬件电路方案选择 .43 系统基本原理与结构 .73.1 机械设计 .73.2 硬件电路设计 .93.2.1 单片机最小系统 .93.2.2 电机驱动模块 .113.2.3 无线遥控模块 .123.2.4 光电传感器模块 .133.2.5 电源模块 .143.2.6 显示模块 .153.2.7 硬件电路总设计图及 PCB 制板图 .174 软件程序 .195 硬件安装与调试 .275.1 硬件安装 .275.2 系统调试 .276 总结与展望 .30致谢 .31参考文献 .32附录 A 外文文献 .33附录 B 中文译文 .40附录 C 系统原理图 .45附录 D 实物图 .46附录 E 元器件清单 .47附录 F 程序 .48陕西理工学院毕业设计 第 0 页 共 59 页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：陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 59 页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3g/cm9.2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 2.1 X 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：陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 59 页(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 2.2 X 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：陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 59 页图 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 CMOS 8 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；陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 59 页方案二：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 IN1IN4，用来控制电机的正反转；四个输出端 OUT1OUT4 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：PWM12 PWM1 PWM2PWM12Q1TIP31Q2TIP32Q3BC184R61kR51k Q5TIP32 Q6BC184R71kR81k+12VQ4TIP31Q7BC184 Q8BC184+8.8DCMOTRD1正D2反 R120R220D3停 R320XTAL218XTAL119ALE3031PSN29RST9P0./AD0390.1/138P0.2/AD2370.3/336P0.4/AD4350.5/534P0.6/AD630.7/732P2.7/A1528P2.0/A8212.1/92P2./A10232.3/124P2.4/A12252.5/13262.6/1427P1.011.2P1.231.34P1.451.56P1.671.78P3.0/RXD103.1/T1P3.2/IN0123./IT113P3.4/014P3.7/