基于单片机控制的窗户自动洗涤装置设计

赵 康，何浩波，陈吉婷，易 进，杭楷伦，郑小倩

(贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

基于单片机控制的窗户自动洗涤装置设计

赵 康，何浩波，陈吉婷，易 进，杭楷伦，郑小倩

(贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

本设计是以机械支撑结构为主，以自动化控制为辅的一种移动式窗户洗涤器。它以窗框作为支撑，利用电机正反转驱动洗涤装置上下运动，由最上端的两个电机(一边一个)和最下端的两个齿轮一起带动洗涤装置运动。洗涤装置有自带的自动压紧机构和快速换布机构以确保有效清洗玻璃，利用传感器的检测和80C51单片机的控制使洗涤装置自动地完成清洗任务。

电机；传感器；单片机；洗涤装置

随着社会的快速发展，高楼大厦在我们身边已经随处可见，而很多高楼大厦使用的都是玻璃墙面，随着生活中灰尘等污染物的增多，也必然会导致玻璃墙外表面受到很大的影响。人们对于这些高楼大厦窗户表面的保洁一直都是一个非常棘手的问题，而这种棘手的问题不仅仅在高楼大厦中存在，在我们身边也是随处可见，比如：学校教学楼和图书馆、医院的大楼、还有城市的很多小区等。对这些窗户外表面的清洗存在很多问题，比如：如果使用人工在窗外进行清洗的话具有很高的危险性；如果使用大型机械设备如塔吊等设备清洗的话，那清洗的成本是非常高的。针对以上的这些弊端，我们设计了窗户自动洗涤器。它结构简单，使用和维修都非常方便，可广泛应用于高楼大厦、学校、医院办公楼、居民小区等场所的户外玻璃的清洗。

1 系统总体设计

如图1所示，采用灰尘传感器检测玻璃窗户上的灰尘量，当灰尘量的检测值大于预设值时，传感器将这个信号传给单片机80C51(以下简称80C51)，80C51经过信息分析处理，进而控制压紧装置执行压紧操作，确定压紧后，电机开始正转向下运动完成洗涤，当碰到最下面的限位开关时，电机反转向上运动洗涤，当碰到上面限位时，电机正转洗涤，在洗涤过程中，每两分钟执行一次换布操作，在换布的同时执行喷水操作(喷水的目的有两个：一方面，作为洗涤液；另一方面，洗涤用过的布料)；如此反复，直到灰尘传感器检测的灰尘量值小于预设值。

图1 系统设计框图

2 系统硬件设计

2.1 灰尘检测模块

灰尘传感器采用夏普GP2Y105AU0F，工作原理为：传感器中心有个小孔可以让空气自由流过，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。该传感器采用串口输出，可用LGM显示灰尘浓度值的变化，也可以通过改程序方式改变预设值。

2.2 电机驱动模块

L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接控制电机的正反转。通过IN1、IN2和IN3、IN4产生不同的逻辑电平，进而控制电机正反转[1]，本设计均采用L298驱动电机。

2.3 自动压紧模块

为了防止洗涤装置下落，同时更好地完成洗涤任务，在装置中装设两个自动压紧模块(左、右边窗框各一个)。自动压紧装置由80C51发出控制信号控制(由电机驱动)。

2.4 快速换布与喷水模块

由于洗涤装置是长方体形状(从左到右布置的)，所以将清洗布料制作成圆形(传送带的样子)，从靠近玻璃一方把长方体包裹一周，同时自动装置

中含有喷水装置，设定两分钟为一个周期，两分钟过后，由80C51控制电机驱动换布装置转动180度，完成换布操作，换布完成以后，执行喷水操作。换布原理图和换布驱动电路分别如图2所示。

图2 换布结构图

2.5 行程开关

设计行程开关主要有两个(一上一下)，当洗涤装置碰到行程开关时，步进电机反向转动，仿真中用开关代替如图3所示。

图3 部分电路图

3 系统软件设计

3.1 编写程序思路

运用Keil软件编写传感器检测程序以及步进电机控制程序。电源接通后传感器进行初始化，80C51接收传感器检测的信号，进而控制相应电机转动，单片机晶振为12 MHz，工作电压为5 V。

3.2 传感器和80C51的连接

当灰尘传感器检测到灰尘量大于预设值时，D0口输出低电平，从端口P3.4输入80C51，80C51通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，进而与预设值相比较。仿真时用按键开关代替灰尘传感器。

3.3 步进电机和80C51的连接

由于单片机I/O口不足以驱动步进电机，步进电机需要外接驱动器，驱动器选择L298，L298端口连接80C51的P1.0～P1.7以及P2.6、P2.7口，当80C51将接收到的信号分析处理后，通过产生不同的逻辑电平，从而控制相应电机转动。

4 调试结果分析

当按下灰尘按键即灰尘量的检测值大于预制值时(本设计取灰尘量值为1 289 mg，预制值为100 mg，灰尘值每秒减5 mg)，控制压紧装置执行压

图4 仿真结果图

紧动作(在显示器上显示压紧二字)，确定压紧后，电机开始正转向下运动完成洗涤(显示器上显示正转洗涤四字)；当碰到最下面的限位开关即按下下限位开关时，电机反转向上运动洗涤(显示器上显示反转洗涤四字)；当碰到上面限位即按下上限位开关时，电机又正转洗涤，如此反复，当灰尘值小于100 mg时则停止洗涤。其中，两分钟执行一次换布操作(在显示器上显示换布二字)，换布完成则执行喷水操作(在显示器上显示喷水二字)，部分仿真结果如图4所示。

5 结束语

本设计使用灰尘传感器对窗户玻璃上灰尘量进行检测，系统稳定，成本低廉，能够在高楼大厦、学校、医院办公楼、居民小区等场所的户外玻璃规模化使用，由AT89C51控制的窗户洗涤装置可以自动对含有灰尘的玻璃窗进行洗涤。用Proteus电路仿真看到了工作的整个过程，达到了预期的效果。

[1] 万隆，巴奉丽.单片机原理及应用技术[M].北京：清华大学出版社，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

赵 康(1995- )，男，本科在读，专业：电气工程及其自动化。

1674- 4578(2017)01- 0041- 03

TP 273.5

A