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1、题 目 高空智能玻璃清洁装置设计 学生姓名 郭 利 娜 学号 1213014093 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电子信息工程专业12级4班 指导教师 帅 春 江 完成地点 陕西理工学院 2016年6月5日陕西理工学院毕业设计高空智能玻璃清洁装置设计作者：郭利娜(陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业12级4班，陕西 汉中 723000) 指导老师：帅春江摘要 高层建筑上玻璃的清洗工作属于极限作业，易受外界因素(风雨天气) 的影响，安全事故时常发生。因此，文中针对高层住户民用玻璃窗的清洁问题设计了一款玻璃清洁装置。该装置主要由以下几个部分组成：清洁系统、运动控制系统、无线
2、遥控系统、传动测距系统。硬件电路包括STC89C52单片机最小系统，电机驱动模块、OLED显示模块、传感器模块、电源模块、无线遥控模块。清洁装置的机械部分使用CAD软件进行建模。该清洁装置可以独立工作在自动模式下，完成喷水、擦洗、风干等任务。该装置使用简便、易于安装，具有一定的实用价值。关键词 玻璃清洁装置；单片机；传感器；无线遥控Design of High Altitude Intelligent Glass Cleaning DeviceAuthor：Guo Lina(Grade 12, Class 4, Major electronic1s and information engine
3、ering, School of Physics and Electronic Information Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong ,Shaanxi,723000)Tutor: Shuai ChunjiangAbstract: Glass - cleaning work in high-rise buildings is a limit operation, vulnerable to external factors (weather), safety accidents often occur. There
4、fore, in this paper, a glass cleaning device is designed for the cleaning of high - level household windows. The device is mainly composed of the following parts: cleaning system, motion control system, wireless remote control system, transmission distance measuring system. The hardware circuit incl
5、udes STC89C52 MCU minimum system, motor drive module, OLED display module, sensor module, power module, wireless remote control module. Mechanical parts of the cleaning device are modeled by using CAD software. The cleaning device can work independently in the automatic mode, complete the tasks of w
6、ater spraying, scrubbing and drying. The device is easy to use, easy to install, and has certain practical value.Keywords:Glass -cleaning device;single-chip; sensor; Wireless remote control目录1 引言11.1 课题研究的背景与意义11.2 课题研究的现状与发展趋势11.3 课题研究的主要内容12 清洁装置整体方案设计22.1 设计要求22.2 整体方案选择22.2.1 机械部分方案选择22.2.2 硬件电路
7、方案选择43 系统基本原理与结构73.1 机械设计73.2 硬件电路设计93.2.1 单片机最小系统93.2.2 电机驱动模块113.2.3 无线遥控模块123.2.4 光电传感器模块133.2.5 电源模块143.2.6 显示模块153.2.7 硬件电路总设计图及PCB制板图174软件程序195 硬件安装与调试275.1 硬件安装275.2 系统调试276 总结与展望30致谢31参考文献32附录A 外文文献33附录B 中文译文40附录C 系统原理图45附录D 实物图46附录E 元器件清单47附录F 程序48陕西理工学院毕业设计 1 引言1.1 课题研究的背景与意义随着科学技术的发展，人民生活
8、水平的提高1。自动化清洗系统已经逐步兴起，并快速的发展和应用2。目前对智能清洗装置的研发主要是针对高楼户外玻璃的清洗，以及地板、墙壁的清洗，但现如今对高层建筑上玻璃的清洗工作主要还是由人工完成的。传统的人工清洗既危险，效率又低而且成本较高，然而，在社会文明高度发展的今天，对生命的关爱达到了前所未有的高度，因此人们期待新的具有人性化的清洗方式出现。如此，将一种可以代替人力的智能清洁装置应用于高楼玻璃壁面清洗的问题就成为热点研究课题。为更安全更高效的解决小区高层住户玻璃的清洁问题，高层住户传统的清洁玻璃主要是靠“人工+吊篮”或住户自行擦洗窗户的模式3，不仅效率低，而且易出事故，后来在这方面也有相应
9、的研究，壁面吸附式小型清洁器就是其中之一，但其清洁效率较低，越障能力差，吸附能力有限4，室外高空作业属于极限作业，易受外界因素(风雨天气) 的影响，那么安全可靠显得至关重要，而且因其普及率不高，导致现在很多高层建筑依然采用人工清洗的办法，安全事故时常发生5。目前针对此类智能清洁装置的研究还没有比较成熟、可靠的方案，而本设计产品成本低、使用方便，因此将大大降低高层建筑的清洗成本，具有相当高的社会、经济意义和广阔的应用前景。减轻了人们做家务劳动的负担，更重要的是减少了高空作业的危险性6。1.2 课题研究的现状与发展趋势目前高层建筑玻璃窗大型的清洗装置主要有安装在楼顶的轨道及绳索系统将擦窗机对准玻璃
10、窗进行擦洗，但投资成本较高，而且要求在建筑设计初期就要考虑清洗系统装置的安装，有一定的局限性；其次是靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗3，虽简便易行，但劳动强度大，存在很大的危险性。国外在家居智能清洗系统上的研究发展较快，清洗系统的自动化、智能化程度也相对较高，大多采用双吸盘或多吸盘吸附式的壁面清洗装置，虽然自动化程度较高，清洗效果相对较好，但是控制结构复杂，使用大功率的真空发生器，造成价格较昂贵、性价比低不益于推广。国内研制出的用于玻璃清洗的装置具备的特点是，清洗机器人体积较大，整体系统复杂以及附加的辅助装置较多，导致清洗装置在平衡移动时协调性不佳，抗干扰能力较差。智能清洗系统在智
11、能家居7领域有一定的发展前景，未来清洗装置会逐步向小型化、智能化、高性价比的方向发展8。1.3 课题研究的主要内容设计一款基于单片机控制原理的易于安装，容易拆卸的自动化玻璃清洁装置，主要研究有以下几个方面：(1) 通过调查和查找市场上已有的有关高层玻璃清洁装置设计方面的资料，在此基础上提出设计一款针对小区高层住户民用窗户清洁装置的方案。(2) 初步提出清洁装置设计方案，通过机械CAD建模软件设计装置模型。(3) 整个系统一键启动，自动化运行，也可人为通过无线遥控控制。(4) 清洁装置清洗过程中可通过水泵向玻璃喷水，并同时启动送风风扇向玻璃吹风。(5) 通过光电传感器检测装置运行状态，是否到达窗
12、框边缘，检测信号经单片机处理后，达到调整姿态的目的。(6) 显示屏通过红外控制，实时显示装置的运行状态及通过红外遥控控制电机的运行速度。2 清洁装置整体方案设计2.1 设计要求(1) 基本设计要求：1) 设计一款基于机械原理、传感器和单片机技术的高空智能玻璃清洁装置，装置简单、轻便、易于学习使用。2) 玻璃清洁装置采用电动装置，能独立完成窗户的清洗，窗框上设有按键开关控制装置的开启和停止等。3) 装置可拆卸、可固定。(2) 创新要求：1) 清洁装置清洗过程中可通过水泵向玻璃喷水，并同时启动送风风扇向玻璃吹风达到快速干燥的目的。2) 装置的工作状态可自由在自动模式和手动模式间切换。3) 实时显示
13、装置的运行状态，装置运行速度可调。2.2 整体方案选择2.2.1 机械部分方案选择机械部分由机械学院杜飞文同学通过CAD软件绘制。机械部分的方案选择主要是进行整体结构的设计及各零部件材料尺寸、大小的选择。机械部分包括：X轴滑轨、Y轴滑轨、横向套筒、纵向套筒、X轴电机、Y轴电机、擦块、齿轮齿条、轴承等。(1) X轴滑轨与Y轴滑轨均采用6061铝合金，密度为,硬度高，质量轻。如图2.1所示分别是X轴和Y轴滑轨的尺寸图： (a) X轴滑轨侧视图 (b) X轴滑轨主视图 (c) Y轴滑轨侧视图 (d) Y轴滑轨主视图图2.1 X轴水平和Y轴垂直滑轨尺寸图纸(2) 考虑到Y轴电机的负载能力，水平套筒也选
14、择硬度高，质量轻的铝合金材料，由于垂直套筒要进行焊接，只能选择45#钢材料，如图2.2所示为X套筒和Y轴套筒的部分尺寸图： (a) X轴套筒主视图 (b) X轴套筒侧视图 (c) X轴套筒俯视图 (d) Y轴套筒侧视图 (e) Y轴套筒主视图 (f) Y轴套筒俯视图图2.2 X轴套筒和Y轴套筒尺寸图纸(3) X轴电机是带自锁的直流减速电机，12V空载转速45r/min、额定转速34r/min、额定扭矩2.5kg.cm、额定电流0.3A；Y轴电机是齿轮减速电机，涡轮蜗杆结构，12V空载转速60r/min、额定转速45r/min、额定扭矩5kg.cm，在本设计中Y轴电机作为传动系统的主要部件，该部分由于传动负荷较大，且要求传动平稳，故要求电机扭矩要大。(4) 齿轮齿条有钢、尼龙材料，本次设计考虑到装置整体的重量要轻
