基于STM32單片機的智能自行車清洗機器人設計

王康強，趙相睿，王 鑫

（天津理工大學 工程訓練中心，天津300384）

近年來，在城市的各個角落，越來越多的共享單車方便了人們的出行。同時，隨著政府低碳生活倡議的提出，以及人們對自身健康的關注，越來越多的人會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，便捷的機器清洗尚未發展起來，對于這方面的研究也比較少[1]。自行車使用一段時間后的臟亂問題，尤其是大學校園內因假期自行車擱置，造成車輛污漬積累的問題，也一直未能引起關注。采用傳統的人工清洗方法既費時、費力，不合理的清洗方式還會加劇自行車的銹蝕。對此，文中設計了一款智能自行車清洗機器人，該機器人采用了科學合理的清洗方式，從解決自行車銹蝕入手，裝備了專門的監控設備和快速烘干設備；具有智能化程度高、工作效率高、安全可靠性強、操作簡易等優點，更適合大規模的清洗作業，在很大程度上降低了人力成本。

1 設計方案

智能自行車清洗機器人以STM32 單片機作為控制系統，負責向機器的各個部件發送各種指令，同時，與機器各系統進行實時通信，控制各個模塊的協調運行。STM32 屬于ARM 內核的一個版本，與傳統的51 單片機相比，具有更多的資源、更快的工作和響應速度；其集高性能、實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓等眾多優點于一身，同時也保持集成度高以及開發簡易等特點。其總體結構框架如圖1所示。在控制系統之下的是幾個獨立模塊：沖洗模塊、烘干模塊、監控模塊、太陽能模塊、節水模塊。每個模塊具有一項特定的功能，各個模塊在單片機的控制下有序地完成工作。為使機器易于操作，更具人性化，在控制系統之上設計了人機交互界面，以此作為用戶與機器進行信息交換的媒介。

圖1 總體結構設計圖Fig.1 Overall structural design drawing

2 模塊設計

2.1 沖洗模塊

在沖洗方面，采用了高壓水槍特制噴頭對車身整體進行沖洗。它是通過動力裝置產生高壓水流來沖洗物體表面，能將污垢剝離、沖走，進而達到清潔物體表面的目的。因使用了高壓水流，不會產生揚塵和其他有害氣體，所以利用高壓水流清洗也是目前世界上公認的最為科學、經濟、環保的清潔方式之一。

為了保證能夠將自行車的每一處都沖洗干凈，將所用自行車固定架設計成圓盤式[1]。固定架在步進電機的驅動下做速度可控、方向可變的圓周運動，從而確保自行車的各個部分都能受到高壓水流的沖洗。特制的高壓噴頭可根據實際情況，通過調節閥門來控制水流和水壓的大小，并且可以調節水流形狀使其霧化從而節約水資源。

2.2 烘干模塊

采用大型風扇輔以紅外線加熱燈，對清洗后的自行車進行烘干。烘干時，自行車在固定架的帶動作用下做高速旋轉，利用離心力將吸附在車上的部分水分甩出，三者結合加快了自行車風干的速度，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

控制系統是機器必不可少的部分。為了使機器安全高速可靠運行，必須采用具有高可靠性和高運行速度的嵌入式系統，在此選用STM32F103 作為主控芯片[2]實現對各個模塊系統的自動控制。與傳統的51 單片機相比，STM32 是ARM Cortex-M 內核的32 b 微控制器，時鐘頻率可達72 MHz，工作速度極快；是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用而專門設計的一款芯片。更重要的是，該微控制器已經推出很長時間且廣泛應用于控制領域，其可靠性不言而喻。

2.4 監控模塊

在清洗機內部，裝有溫濕度傳感DHT11——溫濕度一體化數字傳感器。該傳感器包括1 個電阻式測濕元件和1 個NTC 測溫元件[3]，并與1 個高性能8 b 單片機相連接。通過單片機等微處理器簡單的電路連接，就能夠實時地采集本地的濕度和溫度。DHT11 與單片機之間能采用簡單的單總線進行通信，僅需要1 個I/O 口。傳感器內部濕度和溫度數據40 B 的數據一次性傳給單片機，數據采用校驗和方式進行校驗，有效地保證數據傳輸的準確性。

使用時，將DHT11 的VCC和GND 引腳間連接1 個起濾波作用的100 nF 電容，并將DHT11 的數據端引腳直接連接主機（STM32 單片機）的I/O 口[4]，以實現對溫度、濕度的實時監測。一旦所測數值超出預設溫濕度的上下限，監控系統立即報警。當控制系統檢測到異常發生時，控制整個機器立刻停止運行，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 實物連接Fig.2 DHT11 physical connection

2.5 節水模塊

傳統的高壓水槍清洗水量浪費大，并且水資源不能重復利用。為克服這一弊端，在此特意加入了節水環節。清洗之后的污水從機器底部經管道流入裝有過濾網的沉淀池。經過多次過濾和長時間沉淀的污水可凈化為可二次使用的清水，經水泵輸送到特制的高壓噴頭管道以實現水資源的重復利用。設計的簡易過濾裝置如圖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，經過以細砂礫等顆粒性濾料作為過濾介質的過濾池，通過顆粒濾料的吸附作用和砂粒之間孔隙對水體中固體懸浮物的阻止作用實現水中雜質的過濾。對于污水中的油漬、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

為體現節能環保的設計要求，在傳統供電模式基礎上做出改進，采用太陽能光伏板將太陽能轉化為電能，儲存在蓄電池中為控制系統供電。同時，為確保機器運行的可靠性，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，在很大程度上節約了能源，也很好地避免了因電力不足和停電所導致的意外情況的發生。

3 軟件設計

3.1 人機交互界面設計

為簡化操作，凸顯人性化的設計理念，同時便于用戶與機器進行信息交換，所設計的人機交互界面如圖4所示。

液晶屏[5]上實時顯示清洗室內部溫度、濕度的變化情況，起到監控作用。當溫濕度示數超過正常值時，可自動或人為停止機器運行，以防止意外發生。在該界面上還有時間設定選項，用戶可根據自己的實際需要，自行設定清洗時間及烘干時間，并啟動機器進行清洗作業。時間設定界面如圖5所示。

圖4 人機交互界面Fig.4 Human machine interface

圖5 時間設定界面Fig.5 Time setting interface

3.2 程序流程

運行程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程Fig.6 Program flow chart

程序執行開始，首先初始化顯示屏，溫濕度傳感器及步進電機使其處于工作狀態，當程序檢測到溫濕度傳感器返回的值在預定值上下限內時，開啟人機交互界面。此時，用戶可將自行車放置到指定位置，然后按照操作規范啟動機器，同時在人機操作界面上根據需要自行設定清洗時間和烘干時間，設置完成后機器會自行將自行車經傳送帶送入清洗室并按所的設定時間進行清洗、烘干。

任務完成后，在控制系統的控制下清洗室的門自動打開，清洗完畢的自行車被動傳送到指定位置，用戶可自行取走自行車，至此一次清洗結束。當程序檢測到溫濕度的值異常時，立即報警并停止工作。只有報警信號消除程序才繼續運行。

4 結語

基于STM32單片機的智能自行車清洗機器人，機械機構設計合理，硬件電路搭建可靠，防水結構設計嚴格，操作簡單靈活。在工作過程中增加了監控環節，并采用人機交互界面實時控制和反饋工作狀況，達到了安全高效的工作效果。該設計填補了國內自行車清潔領域的多項空白，具有一定的推廣和使用價值。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，在設計時并未考慮周全，在今后仍有很大的改進空間。