王游司*，李軍，畢瑞，陳洪燕，王烈進(jìn)，王傳偉

（內(nèi)江師范學(xué)院，四川內(nèi)江，641000）

基于51單片機(jī)的自動(dòng)清潔外墻裝置

王游司*，李軍，畢瑞，陳洪燕，王烈進(jìn)，王傳偉

（內(nèi)江師范學(xué)院，四川內(nèi)江，641000）

該裝置基于51單片機(jī)的控制原理，制作了自動(dòng)清潔外墻機(jī)及其控制系統(tǒng)，包括清潔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試品工作過程說明。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們?cè)O(shè)計(jì)的自動(dòng)清潔外墻機(jī)能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的自動(dòng)化功能。使得人們?cè)谇鍧嵧鈮Ψ矫婀ば蚋雍?jiǎn)單，提高了工作效率，減少了清潔外墻所投入的成本。

51單片機(jī) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)清潔外墻

引言

近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高層建筑物逐漸增多，但在外墻清潔方面還主要由保潔公司的清潔人員處理，雖然大多保潔公司人員有專業(yè)的技能培訓(xùn)，但這種清潔方式既危險(xiǎn)效率又低，人工極其設(shè)備成本花費(fèi)頗高?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究了多種用于玻璃清潔的自動(dòng)化設(shè)備，但是此技術(shù)和設(shè)備目前還沒有成熟。其原因主要是，自動(dòng)清潔玻璃的質(zhì)量、清潔工藝、實(shí)用性和效率等關(guān)鍵問題制約了它的發(fā)展。盡管國(guó)外自動(dòng)化設(shè)備的自動(dòng)化程度對(duì)于國(guó)內(nèi)而言較高，但是國(guó)外設(shè)備太過于笨重，結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜，不方便大規(guī)模傳播使用。隨著人類科技的不斷進(jìn)步和自動(dòng)化技術(shù)的不斷完善，社會(huì)對(duì)自動(dòng)化的清洗裝置的要求也在不斷地提高，如：清潔程度、清潔范圍、使用成本、自動(dòng)化程度。其中使用成本、自動(dòng)化程度是尤其為人們重視的。在許多的時(shí)間和場(chǎng)合需要自動(dòng)化的清潔裝置去代替危險(xiǎn)的，人工較難和不能完成的任務(wù)。由此可見,優(yōu)化自動(dòng)化控制清潔裝置對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展有著重大意義，在生產(chǎn)力高速發(fā)展的今天，優(yōu)化自動(dòng)化控制清潔裝置已是迫切需要。我們需要克服先前大部分的問題，運(yùn)用科技前沿的技術(shù)和思想來優(yōu)化自動(dòng)化控制清潔裝置，使之裝置比之前類似裝置功能更加強(qiáng)大，成本更加低廉。

1 控制系統(tǒng)的選擇與裝置設(shè)計(jì)原則

（1）什么是單片機(jī)？

通俗來講，單片機(jī)就是一塊集成芯片，但這塊集成芯片具有一些特殊的功能，而它的功能的實(shí)現(xiàn)是靠使用者自己來編程完成。使用者通過編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)引腳的高低電平的變化，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)外圍電路的控制[1]

（2）單片機(jī)的發(fā)展歷史

單片機(jī)的發(fā)展歷史可大致分為四個(gè)階段：

第一個(gè)階段（1974年—1976年）：初級(jí)階段的單片機(jī)。因工藝的不完善，單片機(jī)利用雙片的形式并且功能比較簡(jiǎn)單。

第二個(gè)階段（1976年—1978年）：低性能階段的單片機(jī)。1976年，MCS - 48單片機(jī)被Intel公司推出，極大的促進(jìn)了單片機(jī)的變革和發(fā)展。

第三個(gè)階段（1978年—1983年）：高性能階段的單片機(jī)。1987年，Z8被Zilog推出。

第四階段（1983年—現(xiàn)在）：32位單片機(jī)被推出。單片機(jī)功能已經(jīng)十分強(qiáng)大，種類也繁多[2]

（3）為什么要選擇51單片機(jī)？

單片機(jī)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，功能已經(jīng)完善，價(jià)格也十分便宜，尤其是51系列單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，性價(jià)比高，51單片機(jī)系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)單，易操作。且能長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)并完成工作，不易出錯(cuò)，處理速度雖不如一些高端單片機(jī)，但是在自動(dòng)化清潔外墻裝置的使用上幾乎無差別，能滿足裝置控制系統(tǒng)的全部工作。

（4）裝置自身不得對(duì)清潔對(duì)象造成損傷，不需要額外添加一些化學(xué)用劑，用清水即可完成清潔操作。

（5）控制成本，提高裝置的性價(jià)比。

（6）要有利于大部分家庭外墻的清潔。

（7）裝置安全性好。

（8）裝置能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制，操作步驟簡(jiǎn)單，易學(xué)習(xí)。

2 研制步驟與結(jié)構(gòu)設(shè)置

（1）對(duì)清洗裝置內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各個(gè)內(nèi)部零部件材料最優(yōu)選擇,尺寸的合理優(yōu)化;

（2）運(yùn)用 51單片機(jī)來進(jìn)行系統(tǒng)控制,并用遙控器進(jìn)行紅外遠(yuǎn)程控制;

（3）通過仿真軟件(如：proteus)和若干實(shí)驗(yàn)板操作選擇兩個(gè)最為合適該裝置將要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的電機(jī)。

（4）制作裝置等比例模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察是否達(dá)到預(yù)期的效果，找出問題，在進(jìn)行不斷地修改和完善。

（5）裝置固定在墻上所設(shè)置的鐵軌上控制部分(51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)器)。讓其和開關(guān)電源連接完成后將裝置中的兩個(gè)直流減速電機(jī)弄成一股四根導(dǎo)線與其連接，運(yùn)用外部清洗裝置通過水泵進(jìn)行墻面噴射工作。

（6）材料主要使用聚乙烯材料，該材料強(qiáng)度強(qiáng)，不容易變形。其中輪子使用摩擦系數(shù)較小的輪子使其在墻面正常行徑，固定的支架使用鋁合金材料。軌道清洗裝置用鋁合金軌道進(jìn)行進(jìn)行滑行控制。

3 裝置總體框架與硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)考慮簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低控制部分成本，所以采用單片機(jī)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)行對(duì)清洗裝置的單機(jī)控制。大致電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 總體電路設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片

采用STC89C54RD+芯片為主控芯片，使用12MHZ晶振。

STC89C54RD+ ： 最高工作頻率（5V） 0～80M

Flash存儲(chǔ)器 16K

RAM字節(jié) 1280

E2P ROM字節(jié) 16K

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片用L298N，該芯片可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。1298的邏輯功能如下表1所示：

表1 1298的邏輯功能

由邏輯功能所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如下圖2所示：

上述為含“島嶼”的常規(guī)面狀數(shù)據(jù)，結(jié)果證明對(duì)于該類單一面狀數(shù)據(jù)，本文提出的改進(jìn)方法優(yōu)于現(xiàn)有的基于Delaunay三角網(wǎng)的算法。在此基礎(chǔ)上同時(shí)對(duì)本文的重點(diǎn)線面混合數(shù)據(jù)進(jìn)行中軸提取，結(jié)果如圖5（a）。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

3.3 紅外發(fā)富

制作一個(gè)穩(wěn)定的紅外發(fā)射模塊，選擇TC9012作為發(fā)射的主控芯片，其管腳圖如下圖3所示，TC9012的一幀數(shù)據(jù)中含有32位碼，包含兩次8位用戶碼，8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼及最后位的同步位。引導(dǎo)碼由4.5ms的載波和4.5ms的載波關(guān)斷波形所構(gòu)成，以作為用戶碼、數(shù)據(jù)碼以及他們的反碼的先導(dǎo)。同步位（SY）是標(biāo)志最后一位編碼是“0”或“1”的標(biāo)識(shí)位，它只有0.56ms的有載波信號(hào)構(gòu)成。紅外解碼芯片選用IR1308紅外解碼，解碼速度快，芯片運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖3 TC9012管腳圖

3.4 光電傳感器選擇

為減少按鍵操作，不進(jìn)行頻繁的調(diào)試操作，選用E18-D80NK型傳感器作為傳感器采集模塊的主要設(shè)備。其中E18-D80NK型傳感器在前方無障礙時(shí)輸出為高電平，有障礙時(shí)輸出為低電平，由圖4中的背面圖可以調(diào)整與障礙之間的距離，在前方有障礙時(shí)，輸出的低電平給單片機(jī)識(shí)別。

圖4 E18-D80NK傳感器

3.5 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)用單片機(jī)，主芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置的無線遙控器控制，控制芯片控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，使用TC9012芯片以及IR1308芯片完成對(duì)自動(dòng)清潔裝置的無線控制，仿真過程中，性能很穩(wěn)定，電壓符合理論要求。[3]

3.6 原理圖和PCB的繪制

本次使用protel99se 進(jìn)行繪制，先畫出原理圖，并檢查其電氣特性，確認(rèn)無誤后，再生成網(wǎng)絡(luò)文件，導(dǎo)入PCB圖，PCB中選擇最為合適的封裝，再進(jìn)行板子的尺寸的選擇，最后再綜合多方面的考慮對(duì)元器件排列，連線。

圖5 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路

4 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試結(jié)果

4.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)思路應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編程。運(yùn)用單片機(jī)I/O口控制驅(qū)動(dòng)芯片，通過紅外控制兩個(gè)直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其中主程序流程圖如下：

圖6 主程序流程圖

4.2 硬件調(diào)試結(jié)果

利用萬用表對(duì)線路對(duì)芯片、器件進(jìn)行檢查。主要對(duì)I/O口和它所連外圍電路設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。再測(cè)試晶振電路、復(fù)位電路等電路。確保線路、器件無本身問題。

4.3 軟件調(diào)試結(jié)果

本次軟件調(diào)試選擇單片機(jī)C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，此語(yǔ)言能更加方便快捷的完成本次設(shè)計(jì)，通過程序控制單片機(jī)進(jìn)而控制外圍電路，再通過紅外遙控控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。再正式調(diào)試主程序，實(shí)現(xiàn)最基本最主要的功能，然后對(duì)模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào)、統(tǒng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)最終功能。最后將編譯生成的.hex文件，用ISP軟件進(jìn)行燒錄，然后進(jìn)行電路測(cè)試和應(yīng)用。

圖7 部分程序設(shè)定

5 結(jié)束語(yǔ)國(guó)內(nèi)外的智能家居中的自動(dòng)清潔清洗裝置大多比較昂貴、笨重，結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜、性價(jià)比低，以至于在科技迅猛發(fā)展，大多家庭步入小康的今天，自動(dòng)清洗裝置還未大面積應(yīng)用與實(shí)踐中去。針對(duì)這些問題，本文作者對(duì)自動(dòng)清洗裝置進(jìn)行了深入研究，探討設(shè)計(jì)了一種對(duì)比之前類似系統(tǒng)有合理提升的裝置，該裝置成本低，效率高，小巧精干，不需要有過于專業(yè)的技能，易于被大部分人操作，基本能滿足日常使用，幾乎不受環(huán)境的限制，能做到隨用隨取。通過設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)該裝置資源耗費(fèi)較少，自動(dòng)化程度高，人為操作簡(jiǎn)單，達(dá)到了設(shè)計(jì)的效果。

但是該裝置雖然有提升還不夠完善，還需要大量的實(shí)驗(yàn)與理論探究，去進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，使之功能更加強(qiáng)大。

本研究的特點(diǎn)與創(chuàng)新：

1、成本縮減量大，但功能不缺失。

2、用單片機(jī)控制，自動(dòng)化程度高。

3、使用條件限制更少。

4、易于大面積傳播使用。

[1]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[2]張毅剛.單片機(jī)原理及其應(yīng)用[M].高等教育出版社，2016.

[3]王碩，陶學(xué)恒，李玉光.一種自動(dòng)清潔玻璃窗的機(jī)器人[J].2012

[4]王碩，陶學(xué)恒，李玉光.智能家居中玻璃窗自動(dòng)清洗裝置的研制[J].2011

[5]江志紅.51單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例精選[M].清華大學(xué)出版社，2008.12.

[6]劉守義.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].第二版.西安電子科技大學(xué)出版社，2007.8.

Automatic Cleaning External Wall Device Based on 51 MCU

WANG Yousi*,LI Jun,BI Rui,CHENG Hongyan,WANG Liejin,WANG Chuanwei
(Neijiang Normal University,Sichuan Neijiang,641000 ,China)

the control principle of the device is based on 51 single chip microcomputer,created self-cleaning exterior wall machine and its control system,including cleaning machine structure design,control system design,test,the working process of the product. The result of the experiment shows that the automatic cleaning function is more automatic. This makes it easier for people to work on clean walls,improve work efficiency and reduce the cost of cleaning the exterior walls.

51 SCM system design automatic cleaning exterior wall

TP317

A

1672-9129(2017)06-0139-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.049

王游司,李軍,畢瑞,等. 基于51單片機(jī)的自動(dòng)清潔外墻裝置[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì),2017,6(6)： 139-141.

Cite：WANG Yousi,LI Jun,BI Rui,et al. Automatic Cleaning External Wall Device Based on 51 MCU[J]. Peak Data Science,2017,6(6)：139-141.

2017-02-05；

2017-03-16。

王游司(1996-)，男，四川內(nèi)江，本科，研究方向：電子信息。

E-mail：1196121571@qq.com