基于51单片机的自动清洁外墙装置

王游司*，李军，毕瑞，陈洪燕，王烈进，王传伟

（内江师范学院，四川内江，641000）

基于51单片机的自动清洁外墙装置

王游司*，李军，毕瑞，陈洪燕，王烈进，王传伟

（内江师范学院，四川内江，641000）

该装置基于51单片机的控制原理，制作了自动清洁外墙机及其控制系统，包括清洁机结构设计、控制系统设计、测试品工作过程说明。最终的实验结果表明，我们设计的自动清洁外墙机能实现更强的自动化功能。使得人们在清洁外墙方面工序更加简单，提高了工作效率，减少了清洁外墙所投入的成本。

51单片机 系统设计 自动清洁外墙

引言

近些年来，随着经济的高速发展，高层建筑物逐渐增多，但在外墙清洁方面还主要由保洁公司的清洁人员处理，虽然大多保洁公司人员有专业的技能培训，但这种清洁方式既危险效率又低，人工极其设备成本花费颇高。现在国内外已经研究了多种用于玻璃清洁的自动化设备，但是此技术和设备目前还没有成熟。其原因主要是，自动清洁玻璃的质量、清洁工艺、实用性和效率等关键问题制约了它的发展。尽管国外自动化设备的自动化程度对于国内而言较高，但是国外设备太过于笨重，结构也过于复杂，不方便大规模传播使用。随着人类科技的不断进步和自动化技术的不断完善，社会对自动化的清洗装置的要求也在不断地提高，如：清洁程度、清洁范围、使用成本、自动化程度。其中使用成本、自动化程度是尤其为人们重视的。在许多的时间和场合需要自动化的清洁装置去代替危险的，人工较难和不能完成的任务。由此可见,优化自动化控制清洁装置对该领域的发展有着重大意义，在生产力高速发展的今天，优化自动化控制清洁装置已是迫切需要。我们需要克服先前大部分的问题，运用科技前沿的技术和思想来优化自动化控制清洁装置，使之装置比之前类似装置功能更加强大，成本更加低廉。

1 控制系统的选择与装置设计原则

（1）什么是单片机？

通俗来讲，单片机就是一块集成芯片，但这块集成芯片具有一些特殊的功能，而它的功能的实现是靠使用者自己来编程完成。使用者通过编程实现单片机引脚的高低电平的变化，从而实现单片机对外围电路的控制[1]

（2）单片机的发展历史

单片机的发展历史可大致分为四个阶段：

第一个阶段（1974年—1976年）：初级阶段的单片机。因工艺的不完善，单片机利用双片的形式并且功能比较简单。

第二个阶段（1976年—1978年）：低性能阶段的单片机。1976年，MCS - 48单片机被Intel公司推出，极大的促进了单片机的变革和发展。

第三个阶段（1978年—1983年）：高性能阶段的单片机。1987年，Z8被Zilog推出。

第四阶段（1983年—现在）：32位单片机被推出。单片机功能已经十分强大，种类也繁多[2]

（3）为什么要选择51单片机？

单片机经过几十年的发展，功能已经完善，价格也十分便宜，尤其是51系列单片机技术已经成熟，性价比高，51单片机系统模块简单，使用简单，易操作。且能长时间执行任务并完成工作，不易出错，处理速度虽不如一些高端单片机，但是在自动化清洁外墙装置的使用上几乎无差别，能满足装置控制系统的全部工作。

（4）装置自身不得对清洁对象造成损伤，不需要额外添加一些化学用剂，用清水即可完成清洁操作。

（5）控制成本，提高装置的性价比。

（6）要有利于大部分家庭外墙的清洁。

（7）装置安全性好。

（8）装置能实现远程无线控制，操作步骤简单，易学习。

2 研制步骤与结构设置

（1）对清洗装置内部进行结构设计,各个内部零部件材料最优选择,尺寸的合理优化;

（2）运用 51单片机来进行系统控制,并用遥控器进行红外远程控制;

（3）通过仿真软件(如：proteus)和若干实验板操作选择两个最为合适该装置将要实现目标的电机。

（4）制作装置等比例模型，进行实验，观察是否达到预期的效果，找出问题，在进行不断地修改和完善。

（5）装置固定在墙上所设置的铁轨上控制部分(51单片机驱动器)。让其和开关电源连接完成后将装置中的两个直流减速电机弄成一股四根导线与其连接，运用外部清洗装置通过水泵进行墙面喷射工作。

（6）材料主要使用聚乙烯材料，该材料强度强，不容易变形。其中轮子使用摩擦系数较小的轮子使其在墙面正常行径，固定的支架使用铝合金材料。轨道清洗装置用铝合金轨道进行进行滑行控制。

3 装置总体框架与硬件电路设计

本设计考虑简化电路设计，降低控制部分成本，所以采用单片机控制技术为基础，实行对清洗装置的单机控制。大致电路设计框图如图1所示：

图1 总体电路设计

3.1 主控芯片

采用STC89C54RD+芯片为主控芯片，使用12MHZ晶振。

STC89C54RD+ ： 最高工作频率（5V） 0～80M

Flash存储器 16K

RAM字节 1280

E2P ROM字节 16K

3.2 电机驱动芯片

电机驱动芯片用L298N，该芯片可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。1298的逻辑功能如下表1所示：

表1 1298的逻辑功能

由逻辑功能所设计的驱动电路如下图2所示：

上述为含“岛屿”的常规面状数据，结果证明对于该类单一面状数据，本文提出的改进方法优于现有的基于Delaunay三角网的算法。在此基础上同时对本文的重点线面混合数据进行中轴提取，结果如图5（a）。

图2 驱动电路

3.3 红外发富

制作一个稳定的红外发射模块，选择TC9012作为发射的主控芯片，其管脚图如下图3所示，TC9012的一帧数据中含有32位码，包含两次8位用户码，8位数据码和8位数据码的反码及最后位的同步位。引导码由4.5ms的载波和4.5ms的载波关断波形所构成，以作为用户码、数据码以及他们的反码的先导。同步位（SY）是标志最后一位编码是“0”或“1”的标识位，它只有0.56ms的有载波信号构成。红外解码芯片选用IR1308红外解码，解码速度快，芯片运行稳定性强。

图3 TC9012管脚图

3.4 光电传感器选择

为减少按键操作，不进行频繁的调试操作，选用E18-D80NK型传感器作为传感器采集模块的主要设备。其中E18-D80NK型传感器在前方无障碍时输出为高电平，有障碍时输出为低电平，由图4中的背面图可以调整与障碍之间的距离，在前方有障碍时，输出的低电平给单片机识别。

图4 E18-D80NK传感器

3.5 单片机控制系统

本设计用单片机，主芯片实现对该装置的无线遥控器控制，控制芯片控制电机驱动芯片，使用TC9012芯片以及IR1308芯片完成对自动清洁装置的无线控制，仿真过程中，性能很稳定，电压符合理论要求。[3]

3.6 原理图和PCB的绘制

本次使用protel99se 进行绘制，先画出原理图，并检查其电气特性，确认无误后，再生成网络文件，导入PCB图，PCB中选择最为合适的封装，再进行板子的尺寸的选择，最后再综合多方面的考虑对元器件排列，连线。

图5 单片机控制系统电路

4 软件设计及调试结果

4.1 软件设计

软件设计思路应用单片机C语言进行编程。运用单片机I/O口控制驱动芯片，通过红外控制两个直流电机的运动状态，其中主程序流程图如下：

图6 主程序流程图

4.2 硬件调试结果

利用万用表对线路对芯片、器件进行检查。主要对I/O口和它所连外围电路设备进行测试。再测试晶振电路、复位电路等电路。确保线路、器件无本身问题。

4.3 软件调试结果

本次软件调试选择单片机C语言设计，此语言能更加方便快捷的完成本次设计，通过程序控制单片机进而控制外围电路，再通过红外遥控控制电机运转。再正式调试主程序，实现最基本最主要的功能，然后对模块进行联调、统调，实现最终功能。最后将编译生成的.hex文件，用ISP软件进行烧录，然后进行电路测试和应用。

图7 部分程序设定

5 结束语国内外的智能家居中的自动清洁清洗装置大多比较昂贵、笨重，结构太过复杂、性价比低，以至于在科技迅猛发展，大多家庭步入小康的今天，自动清洗装置还未大面积应用与实践中去。针对这些问题，本文作者对自动清洗装置进行了深入研究，探讨设计了一种对比之前类似系统有合理提升的装置，该装置成本低，效率高，小巧精干，不需要有过于专业的技能，易于被大部分人操作，基本能满足日常使用，几乎不受环境的限制，能做到随用随取。通过设计的模型进行的实验，可以发现该装置资源耗费较少，自动化程度高，人为操作简单，达到了设计的效果。

但是该装置虽然有提升还不够完善，还需要大量的实验与理论探究，去进行进一步的优化，使之功能更加强大。

本研究的特点与创新：

1、成本缩减量大，但功能不缺失。

2、用单片机控制，自动化程度高。

3、使用条件限制更少。

4、易于大面积传播使用。

[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2009.

[2]张毅刚.单片机原理及其应用[M].高等教育出版社，2016.

[3]王硕，陶学恒，李玉光.一种自动清洁玻璃窗的机器人[J].2012

[4]王硕，陶学恒，李玉光.智能家居中玻璃窗自动清洗装置的研制[J].2011

[5]江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选[M].清华大学出版社，2008.12.

[6]刘守义.单片机应用技术[M].第二版.西安电子科技大学出版社，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,李军,毕瑞,等. 基于51单片机的自动清洁外墙装置[J]. 数码设计,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，四川内江，本科，研究方向：电子信息。

E-mail：1196121571@qq.com