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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

ABSTRACT

With 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; STM32；sensor

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1选题背景与意义 1
1.2国内外相关发展现状 1
1.3主要研究内容 4
2 系统整体方案设计 5
2.1 系统设计原理 5
2,2 主要器件选型 5
3 系统硬件设计 7
3.1核心控制器 7
3.2 显示模块 9
3.3 SHT21湿度传感器模块 10
3.4 按键模块 10
3.5 报警模块 11
3.6 电机驱动模块 11
3.7 吸附继电模块 14
4.系统软件设计 16
4.1 主程序设计 16
4.2 SHT21湿度传感器模块设计 16
4.3 按键扫描程序设计 17
4.4 显示子程序设计 18
4.5 电机模块子程序设计 19
5 仿真功能测试 21
5,1 系统功能测试 21
5.2 测试结论 22
结 语 23
致 谢 24
参 考 文 献 25

1 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J2EE+ORACLE+TOMCAT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