引 言

隨著智能產(chǎn)品的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的普及，智能家具得到迅速發(fā)展。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在晾衣產(chǎn)品上的研究主要面對(duì)兩個(gè)方面： 陽(yáng)臺(tái)晾衣桿的升降方式和落地衣架的牢固樣式。這兩個(gè)方面都是建立在機(jī)械上的研究，無(wú)法和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)系到一起。而目前生活中所使用的衣架多為不能隨外界環(huán)境變化而自動(dòng)做出相應(yīng)應(yīng)對(duì)方法的傳統(tǒng)類型，晾衣工具還是處于比較原始的層次，已經(jīng)跟不上生活節(jié)奏的變化[1]。本文采用STM32 作為晾衣機(jī)器人的主控制器，各種傳感器檢測(cè)外界環(huán)境，通過(guò)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)智能。另外，本設(shè)計(jì)采用無(wú)線設(shè)置，可以使用電腦、平板、手機(jī)等終端進(jìn)行多種模式的控制。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)供電采用太陽(yáng)能板充電，使用DC/DC 變換器的設(shè)計(jì)，可提供不同電壓的輸出；利用光夾角傳感器對(duì)太陽(yáng)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使晾衣機(jī)器人始終和太陽(yáng)光垂直，加速晾曬速度；利用多點(diǎn)雨滴傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境的濕度，控制防雨電機(jī)和避雨罩，對(duì)衣服進(jìn)行防雨保護(hù) ；并設(shè)置循跡回家和自動(dòng)回收功能，利用色標(biāo)和避障傳感器對(duì)地面顏色和障礙物進(jìn)行識(shí)別，回到預(yù)定目的地。通過(guò)對(duì)衣?lián)蔚脑O(shè)計(jì)利用濕度傳感器對(duì)衣服濕度進(jìn)行檢測(cè)，衣服曬干后進(jìn)行回收[2]。而所有的電路都內(nèi)置于方形不銹鋼管制成的機(jī)器人外框中。

整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

2 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

智能晾衣機(jī)器人的硬件部分主要由STM32 微處理器、雨滴傳感器、濕度傳感器、色標(biāo)循跡傳感器、無(wú)線控制器、太陽(yáng)能板、穩(wěn)壓電路、電量顯示電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流減速電機(jī)和鋰電池組等組成。

2.1 主控電路的設(shè)計(jì)

該晾衣機(jī)器人的主控采用ARM公司的ARMCortex-M3 為內(nèi)核的 STM32F103，最高工作頻率為 72MHz，邊上集成32-512KB 的 FLASH存儲(chǔ)器和 6-64KB的 SRAM存儲(chǔ)器， 有兩個(gè) 12位的D/A轉(zhuǎn)換器（16 通道），A/D測(cè)量范圍為 0-3.6 V，具有雙采樣和保持能力。并且，最多有多達(dá) 112 個(gè)快速 I/ O端口、11個(gè)定時(shí)器和 13個(gè)通信接口。其相對(duì) 51單片機(jī)高端的配置是機(jī)器人產(chǎn)品主控的首選[3]。

最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 2 所示。

2.2 雨滴傳感器的設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上雨滴傳感器的檢測(cè)部分使用的多為濕敏電阻等器件由有機(jī)高分子材料組成，價(jià)格昂貴 [4]。本設(shè)計(jì)的檢測(cè)部分是通過(guò)在單面覆銅板上雕刻出W 與M 型線條，其中一端口接地，另一端口接以 LM393 為雙電壓比較器集成電路的調(diào)節(jié)電路。正常情況下，端口兩端電壓為 VCC，即AC 為VCC。當(dāng)雨水滴到覆銅板上使 W 型線條和M 型線條相接觸，兩端口電壓小于VCC。LM393 通過(guò)比較 INA- 與INA+ 的電壓差輸出高電平或低電平。STM32 即可根據(jù)與LM393 輸出端連接的I/O 口狀態(tài)判斷當(dāng)前環(huán)境是否下雨，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。電位器 R2 用以調(diào)節(jié) LM393 的INA- 電壓值，從而控制雨滴傳感器的靈敏度 [5]。圖 3 所示是雨滴傳感器的檢測(cè)板圖、圖 4所示是雨滴傳感器的電路。

2.3 濕度傳感器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的濕度傳感器是 HR202L 濕敏電阻，采用有 機(jī)高分子材料，是一種新型濕度敏感元件，具有濕敏范圍寬、 長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能控制及科研領(lǐng)域。 實(shí)現(xiàn)原理是利用微處理器的 I/O 口輸出 1 kHz 的方波，通過(guò) HR202L 濕敏電阻對(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)檢測(cè) I/O 口發(fā)生由低電 平反轉(zhuǎn)為高電平時(shí)記下充電時(shí)間，經(jīng)過(guò)微處理器運(yùn)算處理即 可得到當(dāng)前的濕度值。

圖 5 所示是濕度傳感器的電路圖。

2.4 無(wú)線控制模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線模塊采用的是 ESP8266 串口 WiFi 遠(yuǎn)程無(wú)線控制模 塊，該無(wú)線模塊內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧、支持無(wú)線 80211b/g/n 標(biāo) 準(zhǔn)、多路 TCP Client 連接、Smart Link 智能聯(lián)網(wǎng)功能，滿足 遠(yuǎn)距離控制、實(shí)時(shí)查看機(jī)器人的狀態(tài)的需求，并且該模塊具 有 STA/AP/STA+AP 三種工作模式，具有豐富的 Socket AT 指 令、內(nèi)置 32 位 MCU，因此可以更改內(nèi)部指令使其功能得到 最大應(yīng)用 [5]。無(wú)線控制器電路如圖 6 所示。

2.5 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

該穩(wěn)壓電路包括鋰電池充電系統(tǒng)、鋰電池保護(hù)系統(tǒng)、鋰 電池升壓系統(tǒng)，采用上海如韻電子有限公司生產(chǎn)的 CN3083 管理芯片。當(dāng)輸入電壓大于低電壓檢測(cè)閾值和電池端電壓時(shí)， CN3083 開始對(duì)鋰電池充電，CH 管腳輸出低電平，紅色 LED 亮， 充電正在進(jìn)行 ；當(dāng)鋰電池電壓 Kelvin 檢測(cè)輸入端（FB）的電 壓低于 3 V 時(shí)，CN3083 用小電流對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)充電 ；當(dāng)鋰 電池電壓 Kelvin 檢測(cè)輸入端的電壓低于 3 V 時(shí)，充電器采用 恒流模式對(duì)電池充電，充電電流由 Iset 管腳和 GND 之間的電 阻 RISET 確定 ；當(dāng)鋰電池電壓 Kelvin 檢測(cè)輸入端（FB）的電 壓接近鋰電池端調(diào)制電壓時(shí)，充電電流逐漸減小，CN3083 進(jìn) 入恒壓充電模式 ；當(dāng)輸入電壓大于 4.45 V，并且充電電流減小 到充電結(jié)束閾值時(shí)，CH 端輸出高阻態(tài)，OK 端輸出低電平， 充電周期結(jié)束 [6]。

鋰電池升壓系統(tǒng)采用上海如韻電子有限公司生產(chǎn)的 CN5136PFM 升壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。具有最大輸出電流能力達(dá) 500 mA、片內(nèi)高精度電壓基準(zhǔn)源、工作范圍在 2.7 V 到 6 V 等優(yōu)點(diǎn)，非常適合 ；鋰電池供電的應(yīng)用，采用該轉(zhuǎn)換電路可以 直接為電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N提供電源[7]。穩(wěn)壓電路原理如圖7所示。

2.6 電量顯示電路的設(shè)計(jì)

該電 路 采用的是 一款低 功耗四通 道電 壓 監(jiān)測(cè)芯片 CN1185，其消耗電流只有 7.3 mA，非常適合檢測(cè)電池電壓。 芯片內(nèi)部共包含四個(gè)電壓比較器，每個(gè)比較器的正輸入端接芯 片內(nèi)部電壓基準(zhǔn)源，用來(lái)對(duì)同一電壓源進(jìn)行分級(jí)監(jiān)測(cè)。由于用 戶可以設(shè)置比較器的翻轉(zhuǎn)閾值和遲滯，所以 CN1185 非常適合 對(duì)電池電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，點(diǎn)亮顯示電路原理如圖 8 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

 該設(shè)計(jì)軟件由兩部分組成 ：機(jī)器人的晾衣機(jī)器人程序設(shè) 計(jì)和手機(jī)無(wú)線終端的設(shè)置。

3.1 晾衣機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人通電后無(wú)線設(shè)置其工作方式。工作方式包括四種： 自動(dòng)模式、回家模式、手動(dòng)模式、晾衣模式。

（1）在自動(dòng)模式中，機(jī)器人進(jìn)入智能晾衣模式，自動(dòng)調(diào) 整與太陽(yáng)的夾角、自動(dòng)檢測(cè)有無(wú)晾曬衣物并在衣物晾干后回到 屋內(nèi)、自動(dòng)檢測(cè)天氣狀況并在下雨時(shí)或有露水時(shí)將衣物封閉， 而后回到室內(nèi) ；

（2）在回家模式中，機(jī)器人將會(huì)循跡到室外或室內(nèi)，避 免了人為繁瑣的控制 ；

（3）在手動(dòng)模式中，可以人為控制機(jī)器人的運(yùn)行等狀態(tài) ；

（4）在晾衣模式中，機(jī)器人將不執(zhí)行回家模式，在天氣 下雨或有露水時(shí)將衣物封閉并等待天氣狀況好轉(zhuǎn)后繼續(xù)晾曬 衣物 [8]。其運(yùn)行流程如圖 9 所示。

3.2 手機(jī)無(wú)線終端的設(shè)置

手機(jī)無(wú)線終端采用 AITEAD 創(chuàng)易工作室開發(fā)的 ITEAD STUDIO App，終端可以根據(jù)需要設(shè)置無(wú)線模塊與手機(jī)通信內(nèi) 容和傳輸?shù)男畔?，具有操作?jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn) [9]。通過(guò) 設(shè)置客戶端 IP 與服務(wù)端 IP 的端口號(hào)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接，通過(guò) 設(shè)置不同前、后、左、右功能需要發(fā)送數(shù)據(jù)與主控中相應(yīng)功 能程序判斷條件一直對(duì)晾衣機(jī)器人的模式等進(jìn)行選擇和控制 等。手機(jī) App 控制示意圖如圖 10 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于 STM32 的晾衣機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，并最 終完成了實(shí)物的設(shè)計(jì)，此智能晾衣機(jī)器人既可以應(yīng)用于普通農(nóng) 戶室外晾曬衣物，也適合于小區(qū)樓房陽(yáng)臺(tái)上晾曬衣物。并且其 所有電路均內(nèi)嵌于機(jī)器人內(nèi)部，密封性好，使用壽命長(zhǎng)、美觀 大方，并且此設(shè)計(jì)功耗低、性價(jià)比高，有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和 使用價(jià)值。