趙 康，何浩波，陳吉婷，易 進(jìn)，杭楷倫，鄭小倩

(貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

基于單片機(jī)控制的窗戶自動洗滌裝置設(shè)計(jì)

趙 康，何浩波，陳吉婷，易 進(jìn)，杭楷倫，鄭小倩

(貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

本設(shè)計(jì)是以機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)為主，以自動化控制為輔的一種移動式窗戶洗滌器。它以窗框作為支撐，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動洗滌裝置上下運(yùn)動，由最上端的兩個(gè)電機(jī)(一邊一個(gè))和最下端的兩個(gè)齒輪一起帶動洗滌裝置運(yùn)動。洗滌裝置有自帶的自動壓緊機(jī)構(gòu)和快速換布機(jī)構(gòu)以確保有效清洗玻璃，利用傳感器的檢測和80C51單片機(jī)的控制使洗滌裝置自動地完成清洗任務(wù)。

電機(jī)；傳感器；單片機(jī)；洗滌裝置

隨著社會的快速發(fā)展，高樓大廈在我們身邊已經(jīng)隨處可見，而很多高樓大廈使用的都是玻璃墻面，隨著生活中灰塵等污染物的增多，也必然會導(dǎo)致玻璃墻外表面受到很大的影響。人們對于這些高樓大廈窗戶表面的保潔一直都是一個(gè)非常棘手的問題，而這種棘手的問題不僅僅在高樓大廈中存在，在我們身邊也是隨處可見，比如：學(xué)校教學(xué)樓和圖書館、醫(yī)院的大樓、還有城市的很多小區(qū)等。對這些窗戶外表面的清洗存在很多問題，比如：如果使用人工在窗外進(jìn)行清洗的話具有很高的危險(xiǎn)性；如果使用大型機(jī)械設(shè)備如塔吊等設(shè)備清洗的話，那清洗的成本是非常高的。針對以上的這些弊端，我們設(shè)計(jì)了窗戶自動洗滌器。它結(jié)構(gòu)簡單，使用和維修都非常方便，可廣泛應(yīng)用于高樓大廈、學(xué)校、醫(yī)院辦公樓、居民小區(qū)等場所的戶外玻璃的清洗。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，采用灰塵傳感器檢測玻璃窗戶上的灰塵量，當(dāng)灰塵量的檢測值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，傳感器將這個(gè)信號傳給單片機(jī)80C51(以下簡稱80C51)，80C51經(jīng)過信息分析處理，進(jìn)而控制壓緊裝置執(zhí)行壓緊操作，確定壓緊后，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)向下運(yùn)動完成洗滌，當(dāng)碰到最下面的限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)向上運(yùn)動洗滌，當(dāng)碰到上面限位時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)洗滌，在洗滌過程中，每兩分鐘執(zhí)行一次換布操作，在換布的同時(shí)執(zhí)行噴水操作(噴水的目的有兩個(gè)：一方面，作為洗滌液；另一方面，洗滌用過的布料)；如此反復(fù)，直到灰塵傳感器檢測的灰塵量值小于預(yù)設(shè)值。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 灰塵檢測模塊

灰塵傳感器采用夏普GP2Y105AU0F，工作原理為：傳感器中心有個(gè)小孔可以讓空氣自由流過，定向發(fā)射LED光，通過檢測經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。該傳感器采用串口輸出，可用LGM顯示灰塵濃度值的變化，也可以通過改程序方式改變預(yù)設(shè)值。

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機(jī)驅(qū)動，設(shè)計(jì)用于連接控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過IN1、IN2和IN3、IN4產(chǎn)生不同的邏輯電平，進(jìn)而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)[1]，本設(shè)計(jì)均采用L298驅(qū)動電機(jī)。

2.3 自動壓緊模塊

為了防止洗滌裝置下落，同時(shí)更好地完成洗滌任務(wù)，在裝置中裝設(shè)兩個(gè)自動壓緊模塊(左、右邊窗框各一個(gè))。自動壓緊裝置由80C51發(fā)出控制信號控制(由電機(jī)驅(qū)動)。

2.4 快速換布與噴水模塊

由于洗滌裝置是長方體形狀(從左到右布置的)，所以將清洗布料制作成圓形(傳送帶的樣子)，從靠近玻璃一方把長方體包裹一周，同時(shí)自動裝置

中含有噴水裝置，設(shè)定兩分鐘為一個(gè)周期，兩分鐘過后，由80C51控制電機(jī)驅(qū)動換布裝置轉(zhuǎn)動180度，完成換布操作，換布完成以后，執(zhí)行噴水操作。換布原理圖和換布驅(qū)動電路分別如圖2所示。

圖2 換布結(jié)構(gòu)圖

2.5 行程開關(guān)

設(shè)計(jì)行程開關(guān)主要有兩個(gè)(一上一下)，當(dāng)洗滌裝置碰到行程開關(guān)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，仿真中用開關(guān)代替如圖3所示。

圖3 部分電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 編寫程序思路

運(yùn)用Keil軟件編寫傳感器檢測程序以及步進(jìn)電機(jī)控制程序。電源接通后傳感器進(jìn)行初始化，80C51接收傳感器檢測的信號，進(jìn)而控制相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動，單片機(jī)晶振為12 MHz，工作電壓為5 V。

3.2 傳感器和80C51的連接

當(dāng)灰塵傳感器檢測到灰塵量大于預(yù)設(shè)值時(shí)，D0口輸出低電平，從端口P3.4輸入80C51，80C51通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)而與預(yù)設(shè)值相比較。仿真時(shí)用按鍵開關(guān)代替灰塵傳感器。

3.3 步進(jìn)電機(jī)和80C51的連接

由于單片機(jī)I/O口不足以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)需要外接驅(qū)動器，驅(qū)動器選擇L298，L298端口連接80C51的P1.0～P1.7以及P2.6、P2.7口，當(dāng)80C51將接收到的信號分析處理后，通過產(chǎn)生不同的邏輯電平，從而控制相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動。

4 調(diào)試結(jié)果分析

當(dāng)按下灰塵按鍵即灰塵量的檢測值大于預(yù)制值時(shí)(本設(shè)計(jì)取灰塵量值為1 289 mg，預(yù)制值為100 mg，灰塵值每秒減5 mg)，控制壓緊裝置執(zhí)行壓

圖4 仿真結(jié)果圖

緊動作(在顯示器上顯示壓緊二字)，確定壓緊后，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)向下運(yùn)動完成洗滌(顯示器上顯示正轉(zhuǎn)洗滌四字)；當(dāng)碰到最下面的限位開關(guān)即按下下限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)向上運(yùn)動洗滌(顯示器上顯示反轉(zhuǎn)洗滌四字)；當(dāng)碰到上面限位即按下上限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)又正轉(zhuǎn)洗滌，如此反復(fù)，當(dāng)灰塵值小于100 mg時(shí)則停止洗滌。其中，兩分鐘執(zhí)行一次換布操作(在顯示器上顯示換布二字)，換布完成則執(zhí)行噴水操作(在顯示器上顯示噴水二字)，部分仿真結(jié)果如圖4所示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)使用灰塵傳感器對窗戶玻璃上灰塵量進(jìn)行檢測，系統(tǒng)穩(wěn)定，成本低廉，能夠在高樓大廈、學(xué)校、醫(yī)院辦公樓、居民小區(qū)等場所的戶外玻璃規(guī)?；褂?，由AT89C51控制的窗戶洗滌裝置可以自動對含有灰塵的玻璃窗進(jìn)行洗滌。用Proteus電路仿真看到了工作的整個(gè)過程，達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1] 萬隆，巴奉麗.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

Windows Automatic Washing Device Based on Single Chip Microcomputer Control Design

Zhao Kang, He Haobo, Chen Jiting, Yi Jin, Hang Kailun, Zheng Xiaoqian

(InstituteofMechanicalandElectricalEngineering,GuizhouNormalUniversity,GuiyangGuizhou550025,China)

This design is a movable window washer that mainly based on the mechanical support structure and with automatic control as a supplemental. It takes window frame as a support, uses motor positive inversion to drive the moving of washing device up and down, by the top two motors (at each side) and the two gears at the bottom drive together the washing device movement. Washing device has a built-in automatic hold-down mechanism and rapid change mechanism to effectively ensure the glass cleaning, the use of sensor detection and control of 80C51 single chip microcomputer makes washing device to automatically complete the cleaning tasks.

electrical machine; sensor; microcontrollers; washing device

2016-11-30

趙 康(1995- )，男，本科在讀，專業(yè)：電氣工程及其自動化。

1674- 4578(2017)01- 0041- 03

TP 273.5

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