王康強(qiáng)，趙相睿，王 鑫

（天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津300384）

近年來，在城市的各個(gè)角落，越來越多的共享單車方便了人們的出行。同時(shí)，隨著政府低碳生活倡議的提出，以及人們對(duì)自身健康的關(guān)注，越來越多的人會(huì)選擇以自行車作為代步工具。然而，共享單車的清洗問題一直未能得到妥善解決，便捷的機(jī)器清洗尚未發(fā)展起來，對(duì)于這方面的研究也比較少[1]。自行車使用一段時(shí)間后的臟亂問題，尤其是大學(xué)校園內(nèi)因假期自行車擱置，造成車輛污漬積累的問題，也一直未能引起關(guān)注。采用傳統(tǒng)的人工清洗方法既費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，不合理的清洗方式還會(huì)加劇自行車的銹蝕。對(duì)此，文中設(shè)計(jì)了一款智能自行車清洗機(jī)器人，該機(jī)器人采用了科學(xué)合理的清洗方式，從解決自行車銹蝕入手，裝備了專門的監(jiān)控設(shè)備和快速烘干設(shè)備；具有智能化程度高、工作效率高、安全可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，更適合大規(guī)模的清洗作業(yè)，在很大程度上降低了人力成本。

1 設(shè)計(jì)方案

智能自行車清洗機(jī)器人以STM32 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)向機(jī)器的各個(gè)部件發(fā)送各種指令，同時(shí)，與機(jī)器各系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，控制各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)行。STM32 屬于ARM 內(nèi)核的一個(gè)版本，與傳統(tǒng)的51 單片機(jī)相比，具有更多的資源、更快的工作和響應(yīng)速度；其集高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓等眾多優(yōu)點(diǎn)于一身，同時(shí)也保持集成度高以及開發(fā)簡(jiǎn)易等特點(diǎn)。其總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。在控制系統(tǒng)之下的是幾個(gè)獨(dú)立模塊：沖洗模塊、烘干模塊、監(jiān)控模塊、太陽能模塊、節(jié)水模塊。每個(gè)模塊具有一項(xiàng)特定的功能，各個(gè)模塊在單片機(jī)的控制下有序地完成工作。為使機(jī)器易于操作，更具人性化，在控制系統(tǒng)之上設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，以此作為用戶與機(jī)器進(jìn)行信息交換的媒介。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall structural design drawing

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 沖洗模塊

在沖洗方面，采用了高壓水槍特制噴頭對(duì)車身整體進(jìn)行沖洗。它是通過動(dòng)力裝置產(chǎn)生高壓水流來沖洗物體表面，能將污垢剝離、沖走，進(jìn)而達(dá)到清潔物體表面的目的。因使用了高壓水流，不會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵和其他有害氣體，所以利用高壓水流清洗也是目前世界上公認(rèn)的最為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的清潔方式之一。

為了保證能夠?qū)⒆孕熊嚨拿恳惶幎紱_洗干凈，將所用自行車固定架設(shè)計(jì)成圓盤式[1]。固定架在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做速度可控、方向可變的圓周運(yùn)動(dòng)，從而確保自行車的各個(gè)部分都能受到高壓水流的沖洗。特制的高壓噴頭可根據(jù)實(shí)際情況，通過調(diào)節(jié)閥門來控制水流和水壓的大小，并且可以調(diào)節(jié)水流形狀使其霧化從而節(jié)約水資源。

2.2 烘干模塊

采用大型風(fēng)扇輔以紅外線加熱燈，對(duì)清洗后的自行車進(jìn)行烘干。烘干時(shí)，自行車在固定架的帶動(dòng)作用下做高速旋轉(zhuǎn)，利用離心力將吸附在車上的部分水分甩出，三者結(jié)合加快了自行車風(fēng)干的速度，以避免自行車受到殘留水滴的腐蝕，在很大程度上提高了自行車的壽命。

2.3 控制模塊

控制系統(tǒng)是機(jī)器必不可少的部分。為了使機(jī)器安全高速可靠運(yùn)行，必須采用具有高可靠性和高運(yùn)行速度的嵌入式系統(tǒng)，在此選用STM32F103 作為主控芯片[2]實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊系統(tǒng)的自動(dòng)控制。與傳統(tǒng)的51 單片機(jī)相比，STM32 是ARM Cortex-M 內(nèi)核的32 b 微控制器，時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，工作速度極快；是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的一款芯片。更重要的是，該微控制器已經(jīng)推出很長時(shí)間且廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，其可靠性不言而喻。

2.4 監(jiān)控模塊

在清洗機(jī)內(nèi)部，裝有溫濕度傳感DHT11——溫濕度一體化數(shù)字傳感器。該傳感器包括1 個(gè)電阻式測(cè)濕元件和1 個(gè)NTC 測(cè)溫元件[3]，并與1 個(gè)高性能8 b 單片機(jī)相連接。通過單片機(jī)等微處理器簡(jiǎn)單的電路連接，就能夠?qū)崟r(shí)地采集本地的濕度和溫度。DHT11 與單片機(jī)之間能采用簡(jiǎn)單的單總線進(jìn)行通信，僅需要1 個(gè)I/O 口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40 B 的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

使用時(shí)，將DHT11 的VCC和GND 引腳間連接1 個(gè)起濾波作用的100 nF 電容，并將DHT11 的數(shù)據(jù)端引腳直接連接主機(jī)（STM32 單片機(jī)）的I/O 口[4]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦所測(cè)數(shù)值超出預(yù)設(shè)溫濕度的上下限，監(jiān)控系統(tǒng)立即報(bào)警。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到異常發(fā)生時(shí)，控制整個(gè)機(jī)器立刻停止運(yùn)行，確保工作過程安全高效。DHT11 引腳排列及連接原理如圖2所示。

圖2 DHT11 實(shí)物連接Fig.2 DHT11 physical connection

2.5 節(jié)水模塊

傳統(tǒng)的高壓水槍清洗水量浪費(fèi)大，并且水資源不能重復(fù)利用。為克服這一弊端，在此特意加入了節(jié)水環(huán)節(jié)。清洗之后的污水從機(jī)器底部經(jīng)管道流入裝有過濾網(wǎng)的沉淀池。經(jīng)過多次過濾和長時(shí)間沉淀的污水可凈化為可二次使用的清水，經(jīng)水泵輸送到特制的高壓噴頭管道以實(shí)現(xiàn)水資源的重復(fù)利用。設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易過濾裝置如圖3所示。

圖3 過濾裝置Fig.3 Filtering device

由于清洗之后的污水中富含較多的顆粒物、泥沙、懸浮物等固體雜質(zhì)，經(jīng)過以細(xì)砂礫等顆粒性濾料作為過濾介質(zhì)的過濾池，通過顆粒濾料的吸附作用和砂粒之間孔隙對(duì)水體中固體懸浮物的阻止作用實(shí)現(xiàn)水中雜質(zhì)的過濾。對(duì)于污水中的油漬、異味等不易除去的成分，則通過石墨的吸附作用去除，這樣就達(dá)到了降低水的濁度，使污水澄清的效果。

2.6 太陽能模塊

為體現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)要求，在傳統(tǒng)供電模式基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，采用太陽能光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在蓄電池中為控制系統(tǒng)供電。同時(shí)，為確保機(jī)器運(yùn)行的可靠性，在蓄電池電力不足的情況下可直接由市電提供，以太陽能供電為主、市電為輔的供電模式，在很大程度上節(jié)約了能源，也很好地避免了因電力不足和停電所導(dǎo)致的意外情況的發(fā)生。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化操作，凸顯人性化的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)便于用戶與機(jī)器進(jìn)行信息交換，所設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如圖4所示。

液晶屏[5]上實(shí)時(shí)顯示清洗室內(nèi)部溫度、濕度的變化情況，起到監(jiān)控作用。當(dāng)溫濕度示數(shù)超過正常值時(shí)，可自動(dòng)或人為停止機(jī)器運(yùn)行，以防止意外發(fā)生。在該界面上還有時(shí)間設(shè)定選項(xiàng)，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要，自行設(shè)定清洗時(shí)間及烘干時(shí)間，并啟動(dòng)機(jī)器進(jìn)行清洗作業(yè)。時(shí)間設(shè)定界面如圖5所示。

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Human machine interface

圖5 時(shí)間設(shè)定界面Fig.5 Time setting interface

3.2 程序流程

運(yùn)行程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程Fig.6 Program flow chart

程序執(zhí)行開始，首先初始化顯示屏，溫濕度傳感器及步進(jìn)電機(jī)使其處于工作狀態(tài)，當(dāng)程序檢測(cè)到溫濕度傳感器返回的值在預(yù)定值上下限內(nèi)時(shí)，開啟人機(jī)交互界面。此時(shí)，用戶可將自行車放置到指定位置，然后按照操作規(guī)范啟動(dòng)機(jī)器，同時(shí)在人機(jī)操作界面上根據(jù)需要自行設(shè)定清洗時(shí)間和烘干時(shí)間，設(shè)置完成后機(jī)器會(huì)自行將自行車經(jīng)傳送帶送入清洗室并按所的設(shè)定時(shí)間進(jìn)行清洗、烘干。

任務(wù)完成后，在控制系統(tǒng)的控制下清洗室的門自動(dòng)打開，清洗完畢的自行車被動(dòng)傳送到指定位置，用戶可自行取走自行車，至此一次清洗結(jié)束。當(dāng)程序檢測(cè)到溫濕度的值異常時(shí)，立即報(bào)警并停止工作。只有報(bào)警信號(hào)消除程序才繼續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)語

基于STM32單片機(jī)的智能自行車清洗機(jī)器人，機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，硬件電路搭建可靠，防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)格，操作簡(jiǎn)單靈活。在工作過程中增加了監(jiān)控環(huán)節(jié)，并采用人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)控制和反饋工作狀況，達(dá)到了安全高效的工作效果。該設(shè)計(jì)填補(bǔ)了國內(nèi)自行車清潔領(lǐng)域的多項(xiàng)空白，具有一定的推廣和使用價(jià)值。然而，由于太陽能光伏板長期供電存在的問題，以及污水處理效率能否滿足清洗需要的問題，在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮周全，在今后仍有很大的改進(jìn)空間。