郭中會(huì)　孫春志

摘 要：基于STM32的智能晾衣機(jī)器人的設(shè)計(jì)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(jì)出一個(gè)使用方便、多功能、服務(wù)型的智能產(chǎn)品。設(shè)計(jì)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(jìn)行處理，由處理結(jié)果控制不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向來實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)控制，此設(shè)計(jì)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(jī)器人；STM32

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dāng)前國內(nèi)外在晾衣產(chǎn)品上的研究主要面對(duì)兩個(gè)方面：陽臺(tái)晾衣桿的升降方式和落地衣架的牢固樣式。這兩個(gè)方面都是建立在機(jī)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(dòng)做出相應(yīng)應(yīng)對(duì)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(jī)器人的主控制器，各種傳感器檢測(cè)外界環(huán)境，通過控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)智能。另外，本設(shè)計(jì)采用無線設(shè)置，可以使用電腦、平板、手機(jī)等終端進(jìn)行多種模式的控制。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)供電采用太陽能板充電，使用DC/DC變換器的設(shè)計(jì)，可提供不同電壓的輸出；利用光夾角傳感器對(duì)太陽的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使晾衣機(jī)器人始終和太陽光垂直，加速晾曬速度；利用多點(diǎn)雨滴傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境的濕度，控制防雨電機(jī)和避雨罩，對(duì)衣服進(jìn)行防雨保護(hù)；并設(shè)置循跡回家和自動(dòng)回收功能，利用色標(biāo)和避障傳感器對(duì)地面顏色和障礙物進(jìn)行識(shí)別，回到預(yù)定目的地。通過對(duì)衣?lián)蔚脑O(shè)計(jì)利用濕度傳感器對(duì)衣服濕度進(jìn)行檢測(cè)，衣服曬干后進(jìn)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(jī)器人外框中。

整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

智能晾衣機(jī)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(biāo)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(jī)驅(qū)動(dòng)、直流減速電機(jī)和鋰電池組等組成。

圖1 整體方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控電路的設(shè)計(jì)

該晾衣機(jī)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(chǔ)器和6-64 KB的SRAM存儲(chǔ)器，有兩個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器（16通道），A/D測(cè)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(dá)112個(gè)快速I/O端口、11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口。其相對(duì)51單片機(jī)高端的配置是機(jī)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(jì)

目前市場(chǎng)上雨滴傳感器的檢測(cè)部分使用的多為濕敏電阻等器件由有機(jī)高分子材料組成，價(jià)格昂貴[4]。本設(shè)計(jì)的檢測(cè)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(dāng)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(dāng)前環(huán)境是否下雨，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)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(cè)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(cè)板

2.3 濕度傳感器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的濕度傳感器是HR202L濕敏電阻，采用有機(jī)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能控制及科研領(lǐng)域。實(shí)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(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)檢測(cè)I/O口發(fā)生由低電平反轉(zhuǎn)為高電平時(shí)記下充電時(shí)間，經(jīng)過微處理器運(yùn)算處理即可得到當(dāng)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(jì)

無線模塊采用的是ESP8266串口WiFi遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)、多路TCP Client連接、Smart Link 智能聯(lián)網(wǎng)功能，滿足遠(yuǎn)距離控制、實(shí)時(shí)查看機(jī)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(jì)

該穩(wěn)壓電路包括鋰電池充電系統(tǒng)、鋰電池保護(hù)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(dāng)輸入電壓大于低電壓檢測(cè)閾值和電池端電壓時(shí)，CN3083開始對(duì)鋰電池充電，CH管腳輸出低電平，紅色LED亮，充電正在進(jìn)行；當(dāng)鋰電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端（FB）的電壓低于3 V時(shí)，CN3083用小電流對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)充電；當(dāng)鋰電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端的電壓低于3 V時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電池充電，充電電流由Iset管腳和GND之間的電阻RISET確定；當(dāng)鋰電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端（FB）的電壓接近鋰電池端調(diào)制電壓時(shí)，充電電流逐漸減小，CN3083進(jìn)入恒壓充電模式；當(dāng)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(shí)，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(dá)500 mA、片內(nèi)高精度電壓基準(zhǔn)源、工作范圍在2.7 V到6 V等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)

該電路采用的是一款低功耗四通道電壓監(jiān)測(cè)芯片CN1185，其消耗電流只有7.3 mA，非常適合檢測(cè)電池電壓。芯片內(nèi)部共包含四個(gè)電壓比較器，每個(gè)比較器的正輸入端接芯片內(nèi)部電壓基準(zhǔn)源，用來對(duì)同一電壓源進(jìn)行分級(jí)監(jiān)測(cè)。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(duì)電池電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，點(diǎn)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(jì)

該設(shè)計(jì)軟件由兩部分組成：機(jī)器人的晾衣機(jī)器人程序設(shè)計(jì)和手機(jī)無線終端的設(shè)置。

3.1 晾衣機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

機(jī)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(dòng)模式、回家模式、手動(dòng)模式、晾衣模式。

（1）在自動(dòng)模式中，機(jī)器人進(jìn)入智能晾衣模式，自動(dòng)調(diào)整與太陽的夾角、自動(dòng)檢測(cè)有無晾曬衣物并在衣物晾干后回到屋內(nèi)、自動(dòng)檢測(cè)天氣狀況并在下雨時(shí)或有露水時(shí)將衣物封閉，而后回到室內(nèi)；

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

（3）在手動(dòng)模式中，可以人為控制機(jī)器人的運(yùn)行等狀態(tài)；

（4）在晾衣模式中，機(jī)器人將不執(zhí)行回家模式，在天氣下雨或有露水時(shí)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(yùn)行流程如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3.2 手機(jī)無線終端的設(shè)置

手機(jī)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(jī)通信內(nèi)容和傳輸?shù)男畔ⅲ哂胁僮骱?jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[9]。通過設(shè)置客戶端IP與服務(wù)端IP的端口號(hào)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(duì)晾衣機(jī)器人的模式等進(jìn)行選擇和控制等。手機(jī)App控制示意圖如圖10所示。

圖10 手機(jī)App控制示意圖

4 結(jié) 語

本文提出了基于STM32的晾衣機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，并最終完成了實(shí)物的設(shè)計(jì)，此智能晾衣機(jī)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(tái)上晾曬衣物。并且其所有電路均內(nèi)嵌于機(jī)器人內(nèi)部，密封性好，使用壽命長、美觀大方，并且此設(shè)計(jì)功耗低、性價(jià)比高，有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和使用價(jià)值。

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