階梯教室清潔一體機(jī)

張建明 尹玉亮 張開業(yè) 虞晨 張?jiān)气P

摘? ?要：本機(jī)器主要應(yīng)用于各類高校的階梯教室的清潔。包括控制中心模塊、驅(qū)動模塊、清潔模塊、爬樓模塊和無線藍(lán)牙遙控模塊。該機(jī)器以Arduino UNO R3開發(fā)板為核心，機(jī)器運(yùn)行時(shí)，HC-05藍(lán)牙模塊通過Arduino UNO R3串口通信功能與手機(jī)藍(lán)牙串口軟件連接，可進(jìn)行無線遙控;通過L298N電機(jī)驅(qū)動板控制550直流減速電機(jī)，以此控制機(jī)器的行進(jìn)與轉(zhuǎn)向。此外通過推桿電機(jī)的伸縮來控制機(jī)器的爬樓化操作。在機(jī)器的上部和尾部裝有垃圾清理裝置，可以實(shí)現(xiàn)對階梯教室進(jìn)行最大程度的清理。本機(jī)器可以進(jìn)行爬樓清潔，解放了勞動力。另外雙層清潔裝置的設(shè)計(jì)大大提高了清潔效率。該機(jī)器控制簡單，成本造價(jià)低。

關(guān)鍵詞：階梯教室? 智能清潔? Arduino UNO R3? 無線藍(lán)牙控制

中圖分類號：TH12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0034-02

在我國，人口基數(shù)大，階梯教室能夠容納大量人員，適合辦公和學(xué)習(xí)，因此我國對階梯教室的需求量很大，尤其我國教育事業(yè)不斷發(fā)展，國家對各個(gè)高校都投入大量的人力物力，在全國各個(gè)學(xué)校都配備了大量的階梯教室。以大學(xué)階梯教室為例，階梯教室數(shù)量多，大多數(shù)階梯教室在平時(shí)學(xué)習(xí)的課間、放學(xué)或者假期期間常常無人打掃，導(dǎo)致開學(xué)時(shí)積灰較多，桌洞、桌面和地面有著各種瑣碎的垃圾，然而國內(nèi)對于能夠在這種階梯教室進(jìn)行全方位、立體化清潔的設(shè)備的研究還十分的稀少，對于這方面的技術(shù)也不夠完善，不能做到全方位立體式的清理。 只能依靠人力繁瑣地清理，然而人工清潔不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會有遺漏，導(dǎo)致清潔效果往往差強(qiáng)人意。

1? 階梯教室清潔一體機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

階梯教室清潔一體機(jī)是以Arduino UNO R3開發(fā)板核心，使用HC-05無線通信模塊通過串口通信進(jìn)行無線遙控，通過L298N電機(jī)驅(qū)動板控制550直流減速電機(jī)，以此控制機(jī)器前行。此外通過推桿電機(jī)的伸縮來控制機(jī)器的爬樓操作。在機(jī)器的上部和尾部裝有垃圾清理裝置可以對階梯教室進(jìn)行最大化的清理。

階梯教室清潔一體機(jī)結(jié)構(gòu)上主要包括主體框架、控制中心、驅(qū)動裝置、爬樓裝置、垃圾清潔裝置、灰塵清潔裝置、垃圾收集裝置、灑水裝置。

（1）主體框架：由鋁型材加工制造而成的機(jī)器框架和細(xì)木板組成。

（2）控制中心：Arduino UNO R3（Arduino UNO R3電路圖如圖1所示），L298N驅(qū)動板，兩個(gè)數(shù)顯降壓模塊與一個(gè)藍(lán)牙通信模塊（藍(lán)牙模塊電路圖如圖2所示）構(gòu)成。

（3）驅(qū)動裝置：機(jī)器采用六輪月球車設(shè)計(jì)，以Arduino UNO R3為技術(shù)核心，使用HC-05無線通信模塊通過串口通信進(jìn)行無線遙控，通過L298N電機(jī)驅(qū)動板控制550直流減速電機(jī)，以此控制機(jī)器前行。

（4）爬樓裝置：機(jī)器前面兩輪由170W大功率H橋驅(qū)動NMOS驅(qū)動板，驅(qū)動推桿電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)上升和下降，當(dāng)機(jī)器行進(jìn)到階梯面前時(shí)，推桿電機(jī)收縮抬起前輪，機(jī)器前進(jìn)使前輪搭上階梯，之后推桿電機(jī)伸長使得機(jī)器中輪離地，六輪蓄力使得機(jī)器爬上階梯。

（5）垃圾清潔裝置：清潔裝置（扇狀清潔角鋁）由6V小功率電機(jī)帶動，其與舵機(jī)相連，舵機(jī)受單片機(jī)控制可以進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，使得清理裝置清掃下一階梯時(shí)（清理機(jī)清理一排轉(zhuǎn)向后，清理裝置會與桌面相反）實(shí)現(xiàn)對桌洞的連續(xù)清理，極大地提高了清潔效率。

（6）灰塵清潔裝置：清理裝置由兩個(gè)滾筒與連接桿組成，固定在清潔機(jī)的尾部，其可以對桌面、桌洞及地面進(jìn)行同時(shí)清理。

（7）垃圾收集裝置：垃圾清理裝置從桌洞中撥出垃圾，隨后掉落在收集裝置中，來進(jìn)行對垃圾的收集。

（8）灑水裝置：灑水裝置由水泵和水桶構(gòu)成，主要是負(fù)責(zé)對地面進(jìn)行灑水除塵。

2? 階梯教室清潔一體機(jī)的主要功能

本機(jī)器可進(jìn)行爬樓化作業(yè)，在面對有樓層的階梯教室時(shí)也可對其進(jìn)行清潔。雙層清潔裝置的設(shè)計(jì)使得機(jī)器可以同時(shí)清潔桌面和桌洞，底部也裝有清潔裝置，大大提高了清潔效率。可以利用Arduino UNO R3開發(fā)板的串口通訊功能，通過手機(jī)藍(lán)牙控制機(jī)器的動作，達(dá)到遠(yuǎn)程操控的目的。可以利用設(shè)置的程序結(jié)合傳感器使其自己運(yùn)行，不用人為操控也可以自己工作。本機(jī)器通過推桿電機(jī)的伸縮變化來完成機(jī)器的爬樓操作。在機(jī)器的上部和尾部裝有垃圾清理裝置，可以對階梯教室進(jìn)行最大化的清理。

3? 階梯教室清潔一體機(jī)的電路控制結(jié)構(gòu)

3.1 Arduino UNO? R3 開發(fā)板

Arduino UNO R3是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。

3.2 170W大功率H橋驅(qū)動NMOS驅(qū)動板

采用全橋驅(qū)動芯片+低通內(nèi)阻40V / 162A NMOS管，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。兩路PWM輸入，占空比調(diào)節(jié)范圍0～-100%。具有瞬間制動能力。工作電壓10～40V，實(shí)測功率200W。控制簡單方便，只需要3根輸入線即可控制電機(jī)。

3.3 L298N電機(jī)驅(qū)動板

L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V：輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A：額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī);采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制：具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作。

3.4 HC-05藍(lán)牙模塊

采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn);輸入電壓：3.6V—6V，禁止超過7V;波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200用戶可設(shè)置;帶連接狀態(tài)指示燈，LED快閃表示沒有藍(lán)牙連接：LED慢閃表示進(jìn)入AT命令模式;板載3.3V穩(wěn)壓芯片，輸入電壓直流3.6～6V：未配對時(shí)，電流約30mA（因 LED燈閃爍，電流處于變化狀態(tài)）：配對成功后，電流大約 10mA。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時(shí)，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行下述所有A 命令，用戶可向模塊發(fā)送各種 AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令，通過控制模塊外部引腳（PI011）輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。

4? 階梯教室清潔一體機(jī)的工作過程

（1）在對階梯教室進(jìn)行一排桌椅的清潔時(shí)，動力驅(qū)動裝置驅(qū)動機(jī)器前進(jìn)，前進(jìn)的過程中垃圾清理裝置由12V減速電機(jī)帶動，不斷地將桌洞中的垃圾分撥到垃圾收集裝置中，另外灰塵清理裝置會對已清潔的桌洞進(jìn)行二次清潔，保證了清潔效率。

（2）在清潔下完一排桌椅時(shí)，機(jī)器會自動進(jìn)行差速轉(zhuǎn)向，完成對下一排桌椅的清潔工作。

（3）在遇到有階梯的教室時(shí)，機(jī)器會啟動爬樓程序，由推桿電機(jī)的伸縮變化實(shí)現(xiàn)機(jī)器的爬樓化操作，即人們不用人為地將機(jī)器搬到下一階梯進(jìn)行工作。

（4）在機(jī)器的尾部還裝有水泵、清潔刷等其他清潔裝置，保證了對階梯教室最大程度的清潔。

5? 結(jié)語

在設(shè)備智能化與自動化的背景下，生活中的方方面面都急需自動化設(shè)備，大型教室由于桌椅較多，面積大，人工清潔費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且清潔費(fèi)用較高。本機(jī)器只需單人操縱就可以完成對階梯教室全方位的清理，而且清潔效果優(yōu)于人工清潔。

本機(jī)器是一種自動化機(jī)械設(shè)備，能夠適應(yīng)階梯教室的階梯地形結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)在階梯教室能夠自由來回運(yùn)動的同時(shí)，對階梯教室的桌面、桌洞以及地面進(jìn)行進(jìn)行全方位、立體化的清理，屬于衛(wèi)生清理設(shè)備領(lǐng)域。該機(jī)器控制簡單，成本造價(jià)低。

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