基于單片機的高樓層玻璃清洗系統的設計與研究

王龍 付向艷 蒲偉華

摘 要：隨著建筑技術的日益成熟，城市中高樓大廈如雨后春筍破土而出，并且向超高層增高。大量建筑物采用玻璃幕墻，但由于城市空氣污染嚴重，久而久之，玻璃幕墻會嚴重影響城市的整體形象。高空清洗工作由于工作本身操作具有很大的危險性，工作人員意外事故多發。該系統以STC89C52單片機為核心，設計一款高樓層玻璃清潔系統。系統主要包括清潔模塊、室內加濕模塊、定時換氣模塊三大功能。清潔模塊主要通過步進電機滑臺正反轉，電機正反轉帶動清潔桿實現；加濕模塊通過濕度傳感器控制加濕器的開關；換氣模塊通過直流電機，定時啟動、定時關閉，定時更新室內空氣提高空氣質量。通過該系統的實現，可以自動進行高樓層玻璃的清潔，從而增強了城市的美觀，提高工作效率，又避免了工作意外事故的發生。

關鍵詞：單片機；步進電機；清潔；加濕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.090

1 研究背景與意義

隨著社會的不斷發展，時代的飛躍進步，玻璃幕墻和大面積玻璃門采用現代裝飾越來越頻繁了。其中建筑藝術，建筑特色，建筑結構等因素可通過玻璃飾品和玻璃門將其有機的結合起來，不僅造型簡單、奢華，而且有現代感，具有很好的視覺裝飾感，集成墻壁和窗戶為一體，極大程度的減輕了建筑物本身的重量。然而這種玻璃材質的裝飾，特別容易被在城市中心的污染源所污染，從而影響其美觀程度，所以就必須對這類裝飾品定期清洗。但是大型的玻璃清洗卻是一項浩大的工程，要解決高層大型玻璃清洗問題，傳統的清洗方法是蜘蛛人搭乘吊臺或懸索在半空中進行人工清潔，此類傳統方法缺點很明顯，危險系數很大，在勞動力看來工作效率極低，工作質量也因為危險性也大打折扣。經過市場調查，現在的高樓層窗戶都是由一類被稱作 “蜘蛛人”的工人們進行人工清理。他們在高空只依靠一根救命繩，這樣看來安全問題是非常嚴重的。因此需要一種智能化、低成本的產品代替這種原始的高危工作。因此，該論文主要研究高樓層玻璃清洗系統，以實現玻璃清洗的無人化、自動化。

2 系統需求與功能分析

經過調查，我國國內此類產品種類不多，且多為規則的形狀。為了方便清理角落的污垢，該系統設備的四個吸盤交替進行移動，按照程序交替更換附著位置，完成清理工作。移動方式原理類似蜘蛛爬行四個吸盤由運動桿帶動，排氣后通過大氣壓讓其附著在玻璃上，操作桿伸縮進行移動位置，這樣達到了移動清潔。這種移動方式，操作簡單，不會影響美觀性，并且效率高 、安全性高。

該系統以STC89C52單片機為核心，設計一款高樓層玻璃清潔系統。系統主要包括清潔模塊、室內加濕模塊、定時換氣模塊三大功能。清潔模塊主要通過步進電機滑臺正反轉，電機正反轉帶動清潔桿實現；加濕模塊通過濕度傳感器控制加濕器的開關；換氣模塊通過直流電機，定時啟動、定時關閉，定時更新室內空氣提高空氣質量。通過該系統的實現，可以自動進行高樓層玻璃的清潔，從而增強了城市的美觀，提高工作效率，又避免了工作意外事故的發生。

3 系統硬件設計

該系統分三大功能：清潔模塊、加濕模塊及換氣模塊。

清潔模塊的主要硬件為步進電機及其驅動，市場上步進電機種類繁多，從該系統的功能及性價比考慮，選用42步進電機帶滑臺。步進電機工作原理：當一個脈沖到達驅動器內部時，驅動器會驅動電機使其轉動一定的弧度，該弧度即為步進角。每臺電機的步進角不是固定的，它的值是脈沖的數量決定的，而且電機的轉速和轉速的加速度都是它所決定，因此他可以控制轉速。步進電機28BYJ48型四相八拍電機，工作電壓為：DC5V-DC12V。當電機上有一定的脈沖波動時，電機就可以正常轉動。電機的轉動是伴隨著相位變化的，他們之間是一對一的，每改變一次相位電機就會轉動一個小角度，轉子的轉動是由通電后的狀態所決定的。

加濕模塊主要功能是通過濕度傳感器檢測室內空氣，用加濕器調節室內空氣濕度。從功能分析該模塊由DHT11、加濕器兩大部分構成。其中DHT11循環檢測室內空氣。經過判斷后決定是否啟動加濕器。

4 系統軟件設計

該系統采用Keil uvision4作為軟件開發環境。一個完整的程序，主函數是必須的，主函數void main（）一般是一個程序的入口。程序一開始進入死循環，一直檢測是否有按鍵按下，是否觸發相應的功能，一直檢測室內空氣質量。經過實踐，主函數中不宜放過多的代碼，便于后期進行功能擴展。不同功能子函數放入死循環中，每次相位變化之間加入延時函數，調整轉速。

5 系統測試

通過測試，清潔、加濕以及換氣模塊功能基本實現。該系統清潔部分由主板、電機驅動板、步進電機、導軌、按鍵5大部分組成。功能需求是當人為判斷玻璃是否需要清潔，四個按鍵分別代表步進電機正轉、步進電機反轉、停止、加清潔液以及自動清理五個功能。操作前判斷該系統的清潔桿的位置，若桿的位置在窗戶的頂端，則不可以按電機反轉的按鍵，否則燒毀步進電機。同理桿在窗戶低端不能按電機正轉的按鍵。若是玻璃過于臟，可多次按加清潔液按鍵。噴灑清潔液與動力系統清潔可以分開重復進行，相互獨立。

6 結束語

目前清潔功能已經完善，通過按鍵控制步進電機，實現對玻璃的清潔，完全達到了預期效果；換氣功能也基本實現，可以達到電機定時啟動、定時關閉功能；而在加濕功能方面，存在一點小問題。濕度傳感器的精確度影響了測試結果，在加濕一定時間后，預期效果應為加濕器立刻關閉，然而沒有達到一開始預期的效果。

參考文獻：

[1]李令辛，宋淑云，張建成，趙鳳寬，李清華.單片機控制的PWM交流變頻調速系統[J].遼寧大學學報（自然科學版），2015（04）.

[2]李汝諒，莫天麟，顧慶超.新型濕敏傳感器的測試[J].氣象科學， 2015（04）.

基金項目：本文系大學生創新訓練項目《基于單片機的高樓層玻璃清洗系統的設計與研究》資助（項目編號：S201713125002）

作者簡介：王龍（1991-），男，陜西渭南人，本科，研究方向：單片機、嵌入式開發。