王龍 付向艷 蒲偉華

摘 要：隨著建筑技術(shù)的日益成熟，城市中高樓大廈如雨后春筍破土而出，并且向超高層增高。大量建筑物采用玻璃幕墻，但由于城市空氣污染嚴(yán)重，久而久之，玻璃幕墻會嚴(yán)重影響城市的整體形象。高空清洗工作由于工作本身操作具有很大的危險性，工作人員意外事故多發(fā)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計一款高樓層玻璃清潔系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括清潔模塊、室內(nèi)加濕模塊、定時換氣模塊三大功能。清潔模塊主要通過步進(jìn)電機(jī)滑臺正反轉(zhuǎn)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動清潔桿實現(xiàn)；加濕模塊通過濕度傳感器控制加濕器的開關(guān)；換氣模塊通過直流電機(jī)，定時啟動、定時關(guān)閉，定時更新室內(nèi)空氣提高空氣質(zhì)量。通過該系統(tǒng)的實現(xiàn)，可以自動進(jìn)行高樓層玻璃的清潔，從而增強(qiáng)了城市的美觀，提高工作效率，又避免了工作意外事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；清潔；加濕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.090

1 研究背景與意義

隨著社會的不斷發(fā)展，時代的飛躍進(jìn)步，玻璃幕墻和大面積玻璃門采用現(xiàn)代裝飾越來越頻繁了。其中建筑藝術(shù)，建筑特色，建筑結(jié)構(gòu)等因素可通過玻璃飾品和玻璃門將其有機(jī)的結(jié)合起來，不僅造型簡單、奢華，而且有現(xiàn)代感，具有很好的視覺裝飾感，集成墻壁和窗戶為一體，極大程度的減輕了建筑物本身的重量。然而這種玻璃材質(zhì)的裝飾，特別容易被在城市中心的污染源所污染，從而影響其美觀程度，所以就必須對這類裝飾品定期清洗。但是大型的玻璃清洗卻是一項浩大的工程，要解決高層大型玻璃清洗問題，傳統(tǒng)的清洗方法是蜘蛛人搭乘吊臺或懸索在半空中進(jìn)行人工清潔，此類傳統(tǒng)方法缺點很明顯，危險系數(shù)很大，在勞動力看來工作效率極低，工作質(zhì)量也因為危險性也大打折扣。經(jīng)過市場調(diào)查，現(xiàn)在的高樓層窗戶都是由一類被稱作 “蜘蛛人”的工人們進(jìn)行人工清理。他們在高空只依靠一根救命繩，這樣看來安全問題是非常嚴(yán)重的。因此需要一種智能化、低成本的產(chǎn)品代替這種原始的高危工作。因此，該論文主要研究高樓層玻璃清洗系統(tǒng)，以實現(xiàn)玻璃清洗的無人化、自動化。

2 系統(tǒng)需求與功能分析

經(jīng)過調(diào)查，我國國內(nèi)此類產(chǎn)品種類不多，且多為規(guī)則的形狀。為了方便清理角落的污垢，該系統(tǒng)設(shè)備的四個吸盤交替進(jìn)行移動，按照程序交替更換附著位置，完成清理工作。移動方式原理類似蜘蛛爬行四個吸盤由運(yùn)動桿帶動，排氣后通過大氣壓讓其附著在玻璃上，操作桿伸縮進(jìn)行移動位置，這樣達(dá)到了移動清潔。這種移動方式，操作簡單，不會影響美觀性，并且效率高 、安全性高。

該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計一款高樓層玻璃清潔系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括清潔模塊、室內(nèi)加濕模塊、定時換氣模塊三大功能。清潔模塊主要通過步進(jìn)電機(jī)滑臺正反轉(zhuǎn)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動清潔桿實現(xiàn)；加濕模塊通過濕度傳感器控制加濕器的開關(guān)；換氣模塊通過直流電機(jī)，定時啟動、定時關(guān)閉，定時更新室內(nèi)空氣提高空氣質(zhì)量。通過該系統(tǒng)的實現(xiàn)，可以自動進(jìn)行高樓層玻璃的清潔，從而增強(qiáng)了城市的美觀，提高工作效率，又避免了工作意外事故的發(fā)生。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)分三大功能：清潔模塊、加濕模塊及換氣模塊。

清潔模塊的主要硬件為步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動，市場上步進(jìn)電機(jī)種類繁多，從該系統(tǒng)的功能及性價比考慮，選用42步進(jìn)電機(jī)帶滑臺。步進(jìn)電機(jī)工作原理：當(dāng)一個脈沖到達(dá)驅(qū)動器內(nèi)部時，驅(qū)動器會驅(qū)動電機(jī)使其轉(zhuǎn)動一定的弧度，該弧度即為步進(jìn)角。每臺電機(jī)的步進(jìn)角不是固定的，它的值是脈沖的數(shù)量決定的，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的加速度都是它所決定，因此他可以控制轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)，工作電壓為：DC5V-DC12V。當(dāng)電機(jī)上有一定的脈沖波動時，電機(jī)就可以正常轉(zhuǎn)動。電機(jī)的轉(zhuǎn)動是伴隨著相位變化的，他們之間是一對一的，每改變一次相位電機(jī)就會轉(zhuǎn)動一個小角度，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是由通電后的狀態(tài)所決定的。

加濕模塊主要功能是通過濕度傳感器檢測室內(nèi)空氣，用加濕器調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度。從功能分析該模塊由DHT11、加濕器兩大部分構(gòu)成。其中DHT11循環(huán)檢測室內(nèi)空氣。經(jīng)過判斷后決定是否啟動加濕器。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用Keil uvision4作為軟件開發(fā)環(huán)境。一個完整的程序，主函數(shù)是必須的，主函數(shù)void main（）一般是一個程序的入口。程序一開始進(jìn)入死循環(huán)，一直檢測是否有按鍵按下，是否觸發(fā)相應(yīng)的功能，一直檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量。經(jīng)過實踐，主函數(shù)中不宜放過多的代碼，便于后期進(jìn)行功能擴(kuò)展。不同功能子函數(shù)放入死循環(huán)中，每次相位變化之間加入延時函數(shù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速。

5 系統(tǒng)測試

通過測試，清潔、加濕以及換氣模塊功能基本實現(xiàn)。該系統(tǒng)清潔部分由主板、電機(jī)驅(qū)動板、步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌、按鍵5大部分組成。功能需求是當(dāng)人為判斷玻璃是否需要清潔，四個按鍵分別代表步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)、停止、加清潔液以及自動清理五個功能。操作前判斷該系統(tǒng)的清潔桿的位置，若桿的位置在窗戶的頂端，則不可以按電機(jī)反轉(zhuǎn)的按鍵，否則燒毀步進(jìn)電機(jī)。同理桿在窗戶低端不能按電機(jī)正轉(zhuǎn)的按鍵。若是玻璃過于臟，可多次按加清潔液按鍵。噴灑清潔液與動力系統(tǒng)清潔可以分開重復(fù)進(jìn)行，相互獨立。

6 結(jié)束語

目前清潔功能已經(jīng)完善，通過按鍵控制步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)對玻璃的清潔，完全達(dá)到了預(yù)期效果；換氣功能也基本實現(xiàn)，可以達(dá)到電機(jī)定時啟動、定時關(guān)閉功能；而在加濕功能方面，存在一點小問題。濕度傳感器的精確度影響了測試結(jié)果，在加濕一定時間后，預(yù)期效果應(yīng)為加濕器立刻關(guān)閉，然而沒有達(dá)到一開始預(yù)期的效果。

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基金項目：本文系大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目《基于單片機(jī)的高樓層玻璃清洗系統(tǒng)的設(shè)計與研究》資助（項目編號：S201713125002）

作者簡介：王龍（1991-），男，陜西渭南人，本科，研究方向：單片機(jī)、嵌入式開發(fā)。