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黄冈建设信息网站,天津建设工程交易中心网站,2021中文字幕入口网站,wordpress注册错误基于单片机的楼宇幕墙除尘污系统设计 摘 要 伴随我国建筑行业技术的日益成熟#xff0c;城市中的摩天大楼像雨后的蘑菇一样生长#xff0c;发展成为超高层建筑。大量建筑使用玻璃幕墙#xff0c;但由于随着时间的推移#xff0c;城市空气污染严重#xff0c;玻璃幕墙将严…基于单片机的楼宇幕墙除尘污系统设计摘 要伴随我国建筑行业技术的日益成熟城市中的摩天大楼像雨后的蘑菇一样生长发展成为超高层建筑。大量建筑使用玻璃幕墙但由于随着时间的推移城市空气污染严重玻璃幕墙将严重影响城市的整体形象。由于高空清洁的风险很高员工之间的事故很常见。该系统基于微控制器STM32F103C8T6设计为高层玻璃清洗系统。该系统主要包括三个功能清洁模块、室内加湿模块和时间控制通风模块。清洁模块主要通过驱动清洁棒的步进电机滑翔机的正向和反向旋转来实现。加湿模块通过湿度传感器控制加湿器开关通风模块通过直流电机定期启动和停止并定期更新室内空气以改善空气质量。通过实施该系统可以实现高层建筑的自动清洁提高城市的美感提高工作效率避免工作事故。关键词楼宇幕墙除尘污STM32传感器ABSTRACTWith the increasingly mature technology of China’s construction industry, skyscrapers in cities grow like mushrooms after rain and develop into super high-rise buildings. A large number of buildings use glass curtain walls, but due to the serious air pollution in cities over time, glass curtain walls will seriously affect the overall image of the city. Due to the high risk of high-altitude cleaning, accidents between employees are common. The system is based on the microcontroller STM32F103C8T6 and designed as a high-level glass cleaning system. The system mainly includes three functions: cleaning module, indoor humidification module, and time controlled ventilation module. The cleaning module is mainly achieved through the forward and reverse rotation of the glider driven by the stepper motor of the cleaning rod. The humidification module controls the humidifier switch through a humidity sensor; The ventilation module is periodically started and stopped by a DC motor, and the indoor air is regularly updated to improve air quality. By implementing this system, automatic cleaning of high-rise buildings can be achieved, improving the beauty of the city, enhancing work efficiency, and avoiding work accidents.Keywords: Building curtain wall; Dust removal; STM32sensor目 录摘 要 IABSTRACT II1 绪论 11.1选题背景与意义 11.2国内外相关发展现状 11.3主要研究内容 42 系统整体方案设计 52.1 系统设计原理 52,2 主要器件选型 53 系统硬件设计 73.1核心控制器 73.2 显示模块 93.3 SHT21湿度传感器模块 103.4 按键模块 103.5 报警模块 113.6 电机驱动模块 113.7 吸附继电模块 144.系统软件设计 164.1 主程序设计 164.2 SHT21湿度传感器模块设计 164.3 按键扫描程序设计 174.4 显示子程序设计 184.5 电机模块子程序设计 195 仿真功能测试 215,1 系统功能测试 215.2 测试结论 22结 语 23致 谢 24参 考 文 献 251 绪论1.1选题背景与意义随着社会的不断发展和时代的跨越玻璃幕墙和大型玻璃门的现代装饰越来越普遍。其中建筑艺术、建筑特色、建筑结构等因素可以通过玻璃饰品和玻璃门有机结合。不仅造型简洁豪华而且具有现代的外观和良好的视觉装饰。它将墙壁和窗户融为一体大大减轻了建筑本身的重量。然而这种类型的玻璃装饰特别容易受到市中心污染源的污染这会影响其美学吸引力因此有必要定期清洁这种装饰。然而大规模清洁玻璃是一项艰巨的工程。为了解决高层建筑玻璃的清洁问题传统的清洁方法是通过在悬挂的平台或电缆上驾驶在空中手动清洁。这种传统方法的缺点是显而易见的风险因素很高。在工作中工作效率很低由于危险工作质量显著降低。经过市场调查原来摩天大楼的窗户是由被称为“蜘蛛侠”的工人手动清洁的。他们在高海拔地区完全依赖救生索因此安全问题似乎非常严重。因此需要一种智能廉价的产品来取代这种原始的高风险工作。因此本文主要研究高层建筑的玻璃清洗系统以实现无人化和自动化的玻璃清洗。随着智能机器人的发展和科研技术的进步清洁机器人的智能化水平也在不断提高。智能技术的发展速度越来越快智能化也是未来社会发展的方向。作为一项向现代智能化迈进的先进发明智能清洁机器人与人们的生产生活联系越来越紧密。近年来智能清洁机器人的智能技术不断提高逐步改善人们的生活。智能清洁机器人采用微控制器控制技术、光电检测技术、远程控制技术和电气工程等多学科技术。智能清洁机器人可以作为典型的机器人代表。为了实现自动障碍物跟踪和规避功能智能清洁机器人需要传感器来检测周围环境和障碍物自动跟踪并选择正确的路线使用传感器检测路况进行评估并执行适当的行动。并应用脉宽调制技术控制电机转速实现外部清洁设备的吸尘功能。本项目设计的智能清洁机器人所采用的远程控制技术、微控制器控制系统、红外检测技术、自动避障技术、电机调速技术以及外部清洁设备的控制是智能清洁机器人全功能的综合体现。智能清洁机因其成本低甚至能够执行人们无法完成的任务逐渐渗透到社会生活的各个方面。因此研究智能清洁机器人具有重要意义。1.2国内外相关发展现状1国内研究现状研发和制造业是一个技术含量很高的行业。近年来由于全国人口严重老龄化劳动力成本一直在上升国家正在大力鼓励增加消费。人工智能、云计算、大数据等技术的快速发展和日益成熟带动了中国机器人产业的爆炸式增长吸引了越来越多的品牌和制造商进入这一轨道。随着人类社会信息技术的发展人工智能和机器人越来越多地进入为人类生活服务的数千个家庭。人们也越来越期待更多能够安全高效运行的机器人的诞生。目前中国对高海拔建筑物的清洁需求尤为明显。根据CTBUH高层建筑和城市居住区协会的数据2022年中国发现了世界前50座摩天大楼中的25座。据估计目前中国幕墙清洗市场规模已达400亿元左右显示出强劲的市场价值。摩天大楼外墙的清洁具有巨大的市场空间吸引了众多智能企业。目前全球幕墙总面积超过500亿平方米幕墙清洗市场规模接近2万亿元。据统计我国玻璃幕墙的总表面积约为440亿平方米其中高海拔玻璃幕墙的总面积约为25亿平方米左右占全球高海拔玻璃市场的85%。大约95%的现有清洁方法是手动清洁风险因素很高。近年来高海拔作业造成的安全事故频发。此类事故的主要原因是现有的清洁公司数量众多主要雇佣临时人员进行高空清洁施工人员缺乏正规培训这进一步增加了职业危害的风险。在这种市场环境下无论是参与窗户清洁的人员规模、高空作业的安全性和效率还是办公楼窗户清洁定量需求的频率用机器人取代手工工作都是必然趋势。据统计一、二级城市的建筑外墙面积约为70-80亿平方米平均每平方米的清洁费用为3元。按每年计算户外墙面清洁市场的规模每年超过200亿元。传统的人工搬运方法每天的人工成本为800至1500元具体取决于旺季和淡季。清洁面积可达每人每天600-800平方米。根据这一计算净劳动力成本接近每平方米1.5元加上其他费用整个行业的平均成本接近每平米2-3元。据了解如今已经成功开发并在市场上实际应用的幕墙机器人每天可以清洁不少于1200平方米的表面相当于3-4个蜘蛛侠。与手工作业相比整体性能可提高50%以上总成本可降低约30%。灵都智能大高度幕墙清洁机器人配备电池和水箱可在600米高度的幕墙上工作。它的工作效率是清洁幕墙工人的三倍多。每天的人工清洁只能清洁600-700平方米的表面而机器人可以在一小时内清洁720平方米的面积。机器人使用物理清洁方法水可以回收利用彻底清洁而不会损坏摩天大楼下的植物。2022年厦门鸿初智能研发了一款幕墙机器人它不仅可以刮除幕墙表面的水和灰尘残留物还具有污水回收功能。进水收集座的末端可以拆卸并与进水带和刮板带结合。内部集水座有一个用于收集水的内部外部装有一个排水扇可以实现自己的水循环系统。2023年内华为将继续成为幕墙清洁行业的领导者。目前该服务覆盖全国12个大中小型城市实现了玻璃幕墙机器人应用的第一名总清洁面积超过100万平方米。典型的机器人可以附着在玻璃表面并在其上自由行走。变速器下部有一个快速滚刷可以很容易地用清水清洗墙上的污垢。2国外研究现状Skyline Robotics开发了用于自动幕墙清洁的Ozmo16该系统结合了KRAGILUS UKA的计算机图像处理系统和机器学习技术。一般来说清洁人造玻璃幕墙的操作通常需要3-4名工人而Ozmo机器人可以独立完成幕墙清洁同时集成电池模块并添加电池模块控制系统使机器人每天连续工作8小时以上。首款国际标准的人工智能幕墙清洗机器人SKYWASH凭借自主研发的人工智能引擎核心技术与香港建筑业协会等共同制定了香港首款建筑机器人行业标准。他还应邀参与新加坡建筑机器人行业标准的制定并获得日内瓦国际发明奖、香港工商奖等重量级奖项。现在它已经进入了商业化的快速阶段平衡了外观、性能和成本效益动作轻便稳定。日本研发的高空幕墙清洁机器人由机器人主体、屋顶支撑设备和远程控制系统手机组成。采用自主研发的九轴传感器实时调整机器人姿态实现自动清洁清洁速度可达每小时100平方米同时他们使用360度摄像头实时监控清洁情况通过J2EEORACLETOMCAT构建了物联网系统的技术框架对机器人信息、位置和清洁区域信息进行监控和统计分析。世和机器人精准捕捉到了高海拔地区户外墙面清洁行业的需求和痛点。BeeBot系列幕墙机器人非常轻便方便总体设计布局呈现出与两只蜜蜂翅膀非常相似的X形。巧妙地将清水箱的视觉和注水孔集成在头部但巧妙地保留了背部的机电接口使外观更加美观。目前BeeBotPro已达到机器尺寸1240.835.355mm裸重仅47kg但最大爬墙速度可达12m/min清洗效率可达900m天。美国高空幕墙清洁机器人配备了三个基本技术模块移动无人机技术平台、智能光悬架和无水清洁技术提供安全、高效、智能的幕墙清洁解决方案。移动无人机技术平台和智能轻量化吊架技术使设备能够实现精确的垂直移动。智能无水清洗技术可有效清洗建筑幕墙清洗过程中无污染。连续大功率电源管理系统设备自动化程度高。该设备没有外部水管或管道大大提高了其灵活性减少了操作难度。机器人翻转手动清洁模式避开受害者清洁效率提高五倍。1.3主要研究内容1熟悉任务准备参考资料熟悉相关内容。查阅国内外相关文献资料了解基于单片机的楼宇幕墙除尘污系统设计的最新技术与发展趋势。2根据任务要求对所查资料进行归纳整理提出基于单片机的楼宇幕墙除尘污系统设计初步设计方案对多个方案进行技术经济比较完成开题报告。3完成系统的硬件电路设计包括单片机选型、电机驱动电路、传感器接口电路等。4完成系统的软件设计包括主程序、电机驱动控制程序、传感器数据采集程序等。5系统测试 对系统进行调试和测试验证系统的功能和性能指标。2 系统整体方案设计2.1 系统设计原理楼宇幕墙除尘污系统主体主要包括三大功能:吸附功能、移动功能、清洗功能。图2.1 系统架构图图2.1中的系统结构示意图一键启动工作工作有两种模式 1 持续喷水2 间歇喷水模式按键选择对应模式水位低会报警以及发送数据。清洗电机工作时反复正反转动工作。工作时吸附模块工作继电器动过以LED亮灭仿真显示横向运动时对应电机转动纵向运动时对应电机转动光敏反射传感器采集清洗干净程度吧变阻器仿真值越高代表干净湿度传感器采集水渍信息值越低代表清洗越干净工作时串口发送湿度与光敏数值工作时串口接收数据可以改变喷水模式横向运动纵向运动停止工作。2,2 主要器件选型1 微处理器模块系统主控制器的选择主要考虑Arduino和STM32。前者具有极高的代码封装优势在开发过程中需要更少的指令大大降低了开发难度。此外芯片的大多数功能都有相应的库易于访问。这正是复杂函数的可控性被削弱的原因。后者更侧重于实际工程应用更适合具有控制或计算要求的系统。此外在实际应用比较中STM32系列芯片比Arduino更容易过热。虽然Arduino比STM32更容易使用但底层操作的过度打包不可避免地会导致编程学习后获得的知识较弱。在成本方面STM32系列的芯片也更低。综上所述STM32更适合该系统的开发要求因此首先选择STM32F103C8T6微控制器作为控制器。它属于中低端32位ARM微控制器类别。2显示方案的选择LCD1802的液晶显示屏以其丰富的显示内容、清晰的可读性和合理的价格而著称。在众多的液晶显示设备中液晶显示器以它独有的优点而得到了广泛地应用。该设备具备展示多行文字和数字数据的能力能够满足各种不同的显示需求。在使用时只需将屏幕上的数据或图形通过数据线传送到计算机中去即可。其接口设计简洁编程方便在显示控制方面更为便捷。在综合权衡显示效果、成本以及应用需求等多个因素后决定采用LCD1602显示屏作为本次设计的主要显示模块。3湿度传感器的选择SHT21是Maxim集成数字湿度传感器广泛应用于需要精确湿度测量的应用。采用单线通信协议支持多点系统在0%至100%的湿度范围内可提供±0.5的精度。SHT21因其体积小、精度高、易于使用已成为嵌入式系统和微控制器应用中湿度检测的流行解决方案。选择SHT21的一个重要原因是其高度集成的单线通信协议这大大减少了对外围设备的需求简化了数据线布局。此外它还有一个可选的报警功能允许用户设置温度阈值。如果实际湿度超过设定值传感器将发出报警信号。这些特性使SHT21非常适合需要实时湿度监测和适当操作的系统。本设计采用称重后的SHT21作为湿度传感器。3 系统硬件设计3.1核心控制器3.1.1 单片机芯片STM32系列是ARM的基础Cortex-M3内核的构建不需要那么高的性能、STM32在72MHz的时间段内具有36mA的功率它具有功能强大、结构简单的优点广泛应用于各种嵌入式系统中。根据其性能特点该产品可分为两大系列STM32F103增强型系列和STM32F101基本型系列。增强型芯片具有更高的性能管理能力可以在确保硬件可靠性的同时有效降低系统功耗从而提高整个处理器系统的整体性能。扩展串行时钟的频率高达72MHz使其在同类产品中表现出色与16位产品的定价相比36MHz基时钟频率显著提高了其性能使其成为16位产品用户的首选。此外它还提供了一个可用于存储数据的内置存储器。这两个系列都配备了32K到128K的闪存但它们之间的主要区别在于SRAM的最大存储容量和外部接口的组合。通过使用双缓存结构芯片具有更高的读写效率。STM32的时钟频率为72MHz在执行闪存代码时消耗36mA使其成为32位市场上最强大的设备功耗约为0.5mA/MHz。图3.1 STM32最小系统电路3.1.2 电源电路电源是整个PCB的电源支持MCU和各种其他外围设备的运行。电路如图3.1所示。由于终端需要为传感器和LoRa模块供电因此系统需要两个电源5V和3.3V。这里AMS117-3.3输出电压为3.3V的前向低压降稳压器用于将输入电压从5V稳定到3.3V。其中输出滤波电容器C26和C27的功能是抑制自激振动并稳定线性控制器的输出C28和C29是用于防止电源故障后电压反转的输入电容器。此外为了便于调试增加了电源开关K1。该设计的电路如图3.2所示图3.2 电源电路图3.1.3 晶振电路如图 3.3 所示为该系统的时钟电路,由其为本系统提供运行时钟。在该电路中由 8MHz 晶振产生外部高速时钟信号。电路如图3.3所示。图3.3 晶振电路图3.1.4 复位电路为了在启动或重置过程中控制MCU的重置状态为最小系统电路配备了重置电路以防止MCU发出不正确的指令或执行不正确的操作。图3.2所示的复位电路实现了低电平复位。当接通时RESET端子处于低电平然后VCC3.3电源通过电阻器R6对电容器C2充电。充电完成后RESET端子保持高电平并完成复位当按下重置按钮时电容器C2开始放电。RESET端子保持低电平。松开按钮后电容器C2开始充电。此时RESET端子在一段时间内保持低电平。电容器C2充满电后RESET端子返回高电平并完成复位过程。图3.4 复位电路图3.2 显示模块1602的代码包含16个引脚但需要编码的主引脚不超过三个即RS数据命令选择端、R/W读/写选择端和E激活信号未来的编程将主要基于这三个核心组件用于初始配置、命令执行和数据存储。请详细解释这三个引脚如下所示RS代表寄存器的选择包括高电平和低电平的选择并与数据寄存器的选择相关联。当R/W应用于读写场景时高级设备执行读写操作而低级设备则被选择进行写入。E端不仅是能量的来源而且与时间序列建立了联系。D0和D7之间的数据线设计为8位双向连接该部分的具体示意图如图3.10所示图3.5 LCD1602电路图3.3 SHT21湿度传感器模块SHT20是新一代Sensirion湿度传感器在尺寸和智能方面树立了新的标准它嵌入了适用于回流焊接的双排扁平无引脚DFN封装中底面为3x3mm高度为1.1mm。传感器以标准I2C格式发送校准的数字信号。SHT20配备了新设计的CMO、改进的电容式湿度传感器元件显著提高了其性能甚至超过了上一代传感器SHT1x和SHT7x的可靠性。例如新一代湿度传感器已经过改进使其在高湿度环境中的性能更加稳定。每个传感器都经过校准和测试。产品批号印在产品表面电子识别码存储在芯片中因为这些识别码可以通过输入命令读取。此外SHT20分辨率可以通过输入命令8/12位甚至12/14位RH/T进行更改传感器可以检测低电池状态并发出校验和这有助于提高通信可靠性。图3.6 SHT21电路图3.4 按键模块如图3.7所示的是按键模块。在系统中可以通过一个或多个按键来选择不同的操作方式。在这个设计中采用了一个独立的按键模块其中第一个是工作键第二个按键用于停止而第三个按键则用于模式设置。当按下相应的按键单片机的PA13~PA15会检测到低电平从而实现相应的功能。图3.7 按键模块电路图3.5 报警模块选用了5V供电的有源电磁式蜂鸣器作为声音发生装置。该蜂鸣器结构主要由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片和外壳几部分构成。一旦接通电源振荡器便会生成音频信号电流这些电流随后流经电磁线圈进而在电磁线圈中产生磁场。在电磁线圈与磁铁的相互作用之下振动膜片开始周期性地振动从而产生声音。所谓有源即指蜂鸣器内部集成了振动源通电后便能自主发声。与有源蜂鸣器相对的是无源蜂鸣器后者内部无振动源因此无法直接通过直流电源驱动发声。考虑到本设计是在直流电源环境下进行我们选用了有源蜂鸣器。值得注意的是由于蜂鸣器的工作电流较大微控制器的I/O端口无法直接驱动其工作。因此在实际应用中需要采取额外的驱动措施来满足蜂鸣器的电流需求。所以必须通过放大电路进行控制通常采用晶体管来扩大电压。蜂鸣器控制电路一般包含如下模块:晶体管集电极、蜂鸣器、续流二极管和电源滤波电容器连接单片机的P13引脚。报警模块电路图如图3.8所示。图3.8 报警模块电路图3.6 电机驱动模块3.6.1 控制信号功率的放大由于微控制器的I/O接口输出功率极低且输出信号不稳定微控制器无法直接驱动步进电机。另外由于驱动器本身的性能限制也不能提供足够大的驱动电流。因此连接电源驱动单元到微控制器的I/O接口下方是非常必要的。电源驱动电路一般采用电压型或电流型开关电源器件来完成。正如之前提到的这篇文章选择了带有信号放大和信号反转特性的L298N驱动芯片。图3.9 L298N电路图正如图3.9展示的L298N在本质上属于达林顿晶体管而Q1、Q2、R2和R3在本质上都是放大倍数上升的晶体管。在该电路中由于二极管正向截止状态下电流很大所以会造成电源电压升高而导致放大器失效。因此在输入信号处于高电平时晶体管会导通同时作为芯片信号输出端的负载左端也会处于低电平状态。在这种情况下放大器工作于正向模式。因此L298N具有反相输出的特性。由于电路本身具有负阻特性所以当输入电压大于或等于一定值时晶体管就截止而不工作。在这种情况下负载会产生电流。由于这个原因我们就可以通过调节电路来实现对负载中电流大小的控制从而达到减小或消除电流的目的。3.6.2 步进电机驱动模块图3.10 横向移动电机电路图图3.11 纵向移动电机电路图