摘 要：現(xiàn)針對(duì)家庭用戶設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)清潔外窗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6微控制器對(duì)雨刮進(jìn)行智能化控制。雨滴傳感器監(jiān)測(cè)下雨量從而啟動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得雨刮自動(dòng)清潔外窗。本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。自動(dòng)清潔外窗系統(tǒng)采用FreeROTS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟件定時(shí)器任務(wù)和舵機(jī)控制任務(wù)，通過(guò)搭建窗戶功能模型，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：雨刮；微控制器；智能化控制；清潔外窗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）09-0173-04

Abstract：A self-cleaning outside window system is designed for family users. The system uses the STM32F103C8T6 microcontroller to intelligently control the wiper. The raindrop sensor monitors the amount of rain to start the steering gear rotation so that the wiper automatically cleans the outside window. This paper introduces the working principle of the system，the design method of the mechanical structure and the design of the control system in detail. The automatic window cleaning system uses FreeROTS real-time operating system to implement software timer tasks and servo control tasks. The feasibility of this design was verified by the built-in window function model.

Keywords：wiper；microcontroller；intelligently control；clean outside window

0 引 言

當(dāng)下，人口基數(shù)越來(lái)越大，經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，越來(lái)越多的人涌入大城市謀發(fā)展，部分城市的居住密度越來(lái)越大，城市住宅建筑開(kāi)始向高處發(fā)展，特別是一線城市，住宅建筑越建越高。為了使密集的住宅有良好的采光效果，框架式的高層住宅常采用大面積的玻璃窗面。市場(chǎng)上的窗戶產(chǎn)品大部分僅僅是解決了簡(jiǎn)單的開(kāi)、關(guān)和通風(fēng)換氣功能，而很少考慮手動(dòng)清潔外窗任務(wù)繁重且危險(xiǎn)?，F(xiàn)急需設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單易行的外窗清潔系統(tǒng)。現(xiàn)有的玻璃清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)龐大、價(jià)格昂貴、用水量大，清潔后污水處理也是個(gè)難以解決的問(wèn)題[1]。因此，不太適合家居日常使用。研發(fā)一種低成本的智能家居清潔外窗系統(tǒng)可免去手動(dòng)清潔外窗的麻煩，有著極強(qiáng)的實(shí)用性。智能家居清潔外窗系統(tǒng)的使用將大大降低高層外窗的清洗成本，改善家庭的生活環(huán)境，對(duì)當(dāng)今社會(huì)和經(jīng)濟(jì)有一定作用，且有一定的應(yīng)用前景。

1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 雨刮器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

下雨天可以通過(guò)控制雨刮片在窗戶玻璃上的運(yùn)動(dòng)，將雨水掃去并自然地對(duì)窗體起到了清潔的作用。若在無(wú)雨水的情況下，可以以人工觸發(fā)的方式控制雨刮器。雨刮器的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，通過(guò)舵機(jī)的帶動(dòng)使雨刮片產(chǎn)生圓弧運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)清潔外窗的功能，如圖1所示。

1.2 窗戶的整體結(jié)構(gòu)

雨刮器在舵機(jī)的作用下產(chǎn)生圓弧運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行清潔工作。窗戶的形狀至關(guān)重要，如果窗戶是圓形的，雨刮器可以360°運(yùn)作；但是窗戶普遍是正方形的，現(xiàn)采用兩個(gè)舵機(jī)分別控制兩個(gè)雨刮器以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)窗戶清潔的目的，如圖2所示。

兩個(gè)雨刮器分時(shí)協(xié)作，它們運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的弧形會(huì)相互重疊，由于窗是正方形，這樣就實(shí)現(xiàn)窗戶區(qū)域的全覆蓋了。

1.3 嵌入式STM32硬件系統(tǒng)

1.3.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

通過(guò)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可知[2]，STM32F103C8T6采用的3.3V供電方案，而常用的是TTL電平，因此需要設(shè)計(jì)5V轉(zhuǎn)3.3V的轉(zhuǎn)換電路。

AMS1117-3.3是一款5V轉(zhuǎn)3.3V的降壓、穩(wěn)壓芯片，寬電壓輸入（4.75-15V），穩(wěn)壓輸出（3.3V左右）。本設(shè)計(jì)采用這款芯片完成3.3V供電電路的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

供電電路分析：C3、C6極性電容和C4、C5無(wú)極性電容均為濾波電容，作用是減小輸出電壓紋波并抑制AMS1117產(chǎn)生自激振蕩；其中有極性電容C3、C6還可以較好地對(duì)供電電路起到電壓補(bǔ)償作用；可以把有極性電容比作一個(gè)蓄水池，當(dāng)河流量減小時(shí)，蓄水池可以充當(dāng)臨時(shí)補(bǔ)充水源；在電路上來(lái)說(shuō)，使得穩(wěn)壓供電電路具備更好的抗干擾性能[3]。

1.3.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6芯片復(fù)位有三種類(lèi)型，分別是系統(tǒng)復(fù)位、電源復(fù)位和備份域復(fù)位。其中NRST引腳低電平復(fù)位是一種系統(tǒng)復(fù)位，又稱外部復(fù)位。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

采用一個(gè)簡(jiǎn)單的RC串聯(lián)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位，時(shí)間常數(shù)τ=1ms。在復(fù)位開(kāi)關(guān)沒(méi)有被按下的時(shí)候，由于電容的蓄電荷作用提供一個(gè)高電平信號(hào)給NRST引腳，使得芯片不被該引腳所復(fù)位。在復(fù)位開(kāi)關(guān)被按下的時(shí)候，電容被復(fù)位開(kāi)關(guān)短路，迅速放電，產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)使芯片復(fù)位[4]。

實(shí)際上RC串聯(lián)電路是一個(gè)典型的慣性環(huán)節(jié)，其從過(guò)渡態(tài)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間為3T。也就是說(shuō)復(fù)位按鍵使得NRST引腳上產(chǎn)生的低電平信號(hào)保持時(shí)間在3ms左右。一個(gè)階躍信號(hào)作用在NRST引腳上產(chǎn)生的仿真曲線如圖5所示。

1.3.3 晶振電路的設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6上有兩個(gè)外部晶振電路，一個(gè)是32768KHz的RTC（Real Time Clock）時(shí)鐘振蕩電路和HSE（High Speed External）時(shí)鐘振蕩電路，本設(shè)計(jì)不使用RTC模塊，因此只需要設(shè)計(jì)HSE晶振電路[5]。如圖6所示。

其中，C13和C14為負(fù)載電容，R6為諧振電阻。

1.3.4 舵機(jī)接口設(shè)計(jì)

所有的舵機(jī)控制信號(hào)線均與芯片上帶PWM功能引腳相連，如圖7所示。

1.3.5 啟動(dòng)模式電路設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6芯片通過(guò)引腳BOOT0和BOOT1的電平組合來(lái)選擇不同的啟動(dòng)模式。如表1所示。

一般地，用戶使用主Flash模式即可。

啟動(dòng)模式電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

1.3.6 雨滴模塊接口設(shè)計(jì)

芯片通過(guò)A/D接口采集雨滴模塊的信號(hào)，因此雨滴模塊的A/D接口要和芯片上具備A/D功能的引腳相連，如圖9所示。

1.4 硬件系統(tǒng)的整體框圖

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植

FreeRTOS在ARM平臺(tái)上的移植非常簡(jiǎn)單，F(xiàn)ree RTOS團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為多種平臺(tái)、內(nèi)核架構(gòu)提供移植支持，它在FreeRTOS源碼包中的portable文件夾。將相應(yīng)的文件添加到工程中，然后修改stm32的啟動(dòng)代碼即可[6]。

2.2 舵機(jī)

一般地，控制舵機(jī)的脈寬是0.5ms-2.5ms，可以在keil中通過(guò)觀察仿真波形以驗(yàn)證代碼的正確性。keil仿真所得PWM波波形如圖11所示。

2.3 任務(wù)

FreeROTS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一共運(yùn)行兩個(gè)用戶任務(wù)，一個(gè)是軟件定時(shí)器任務(wù)（task1），另一個(gè)是舵機(jī)控制任務(wù)（task2）。task1周期性地產(chǎn)生定時(shí)器溢出信號(hào)從而執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中先采集雨滴傳感器的信號(hào)，然后通過(guò)消息隊(duì)列發(fā)送給task2。task2收到消息后判斷處理，決定是否啟動(dòng)舵機(jī)以及控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.4 控制系統(tǒng)的流程圖

在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，為了確保各個(gè)模塊的功能能夠準(zhǔn)確和穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)，主程序起到至關(guān)重要的作用。主程序首先進(jìn)行單片機(jī)連接各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)端口的定義，由定義常量、變量聲明、函數(shù)聲明、主函數(shù)、子函數(shù)等部分組成[7，8]。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖12所示。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，將進(jìn)行初始化，然后依次創(chuàng)建消息列隊(duì)、定時(shí)器任務(wù)、舵機(jī)控制任務(wù)，最后開(kāi)始任務(wù)調(diào)度。雨滴傳感器檢測(cè)到為下雨天時(shí)，雨刮將執(zhí)行清潔外窗操作。

在智能清潔外窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)置了一個(gè)舵機(jī)控制雨刮系統(tǒng)，其工作流程圖如圖13所示。而該系統(tǒng)正常運(yùn)作的關(guān)鍵是雨滴采集和舵機(jī)控制，再通過(guò)編寫(xiě)算法，讓舵機(jī)工作。最終能實(shí)現(xiàn)下雨天自動(dòng)關(guān)窗且自動(dòng)執(zhí)行清潔外窗功能，同時(shí)可根據(jù)雨量大小來(lái)調(diào)節(jié)雨刮工作的頻率。

3 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了清潔外窗系統(tǒng)的工作原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用FreeROTS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軟件定時(shí)器任務(wù)和舵機(jī)控制任務(wù)。通過(guò)搭建的窗戶功能模型，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且可行，具有一定的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：劉詠梅（1989-），女，漢族，講師。研究方向：光電材料與器件；藍(lán)劍威（1997-），男，漢族，本科。研究方向：自動(dòng)控制。