階梯教室清潔一體機

張建明 尹玉亮 張開業(yè) 虞晨 張云鳳

摘? ?要：本機器主要應(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。該機器以Arduino UNO R3開發(fā)板為核心，機器運行時，HC-05藍(lán)牙模塊通過Arduino UNO R3串口通信功能與手機藍(lán)牙串口軟件連接，可進(jìn)行無線遙控;通過L298N電機驅(qū)動板控制550直流減速電機，以此控制機器的行進(jìn)與轉(zhuǎn)向。此外通過推桿電機的伸縮來控制機器的爬樓化操作。在機器的上部和尾部裝有垃圾清理裝置，可以實現(xiàn)對階梯教室進(jìn)行最大程度的清理。本機器可以進(jìn)行爬樓清潔，解放了勞動力。另外雙層清潔裝置的設(shè)計大大提高了清潔效率。該機器控制簡單，成本造價低。

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，國家對各個高校都投入大量的人力物力，在全國各個學(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時費力，而且會有遺漏，導(dǎo)致清潔效果往往差強人意。

1? 階梯教室清潔一體機的主要結(jié)構(gòu)

階梯教室清潔一體機是以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電機驅(qū)動板控制550直流減速電機，以此控制機器前行。此外通過推桿電機的伸縮來控制機器的爬樓操作。在機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，兩個數(shù)顯降壓模塊與一個藍(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：機器采用六輪月球車設(shè)計，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電機驅(qū)動板控制550直流減速電機，以此控制機器前行。

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

（5）垃圾清潔裝置：清潔裝置（扇狀清潔角鋁）由6V小功率電機帶動，其與舵機相連，舵機受單片機控制可以進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)，使得清理裝置清掃下一階梯時（清理機清理一排轉(zhuǎn)向后，清理裝置會與桌面相反）實現(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：清理裝置由兩個滾筒與連接桿組成，固定在清潔機的尾部，其可以對桌面、桌洞及地面進(jìn)行同時清理。

（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的主要功能

本機器可進(jìn)行爬樓化作業(yè)，在面對有樓層的階梯教室時也可對其進(jìn)行清潔。雙層清潔裝置的設(shè)計使得機器可以同時清潔桌面和桌洞，底部也裝有清潔裝置，大大提高了清潔效率?？梢岳肁rduino UNO R3開發(fā)板的串口通訊功能，通過手機藍(lán)牙控制機器的動作，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行，不用人為操控也可以自己工作。本機器通過推桿電機的伸縮變化來完成機器的爬樓操作。在機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16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(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，可以實現(xiàn)電機正反轉(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，實測功率200W?？刂坪唵畏奖悖恍枰?根輸入線即可控制電機。

3.3 L298N電機驅(qū)動板

L298N是一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：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;采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制：具有兩個使能控制端，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，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，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的工作過程

（1）在對階梯教室進(jìn)行一排桌椅的清潔時，動力驅(qū)動裝置驅(qū)動機器前進(jìn)，前進(jìn)的過程中垃圾清理裝置由12V減速電機帶動，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，機器會自動進(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，機器會啟動爬樓程序，由推桿電機的伸縮變化實現(xiàn)機器的爬樓化操作，即人們不用人為地將機器搬到下一階梯進(jìn)行工作。

（4）在機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，人工清潔費時費力，而且清潔費用較高。本機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。

本機器是一種自動化機械設(shè)備，能夠適應(yīng)階梯教室的階梯地形結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)在階梯教室能夠自由來回運動的同時，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。該機器控制簡單，成本造價低。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉振鵬.智能化清掃機器人設(shè)計[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2015（16）：206-207.

[2] 高敏，周仁和，鞠春.家用智能清潔機器人創(chuàng)新設(shè)計研究[J].美術(shù)教育研究，2012（24）.

[3] 陳小琴，姚加飛.重慶市部分中小學(xué)校教室光環(huán)境調(diào)查與分析[J].照明工程學(xué)報，2011（2）：25-30.

[4] 張?zhí)脛P.己知環(huán)境下智能清潔機器人路徑規(guī)劃研究[D].南京郵電大學(xué)，2017.

[5] 金偉潮.基于ARM的智能清潔機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2011.