葛世宏 呂志剛 郜輝

摘要：2020年由于疫情的爆發(fā)，人們幾乎都是居家隔離，而改善家庭環(huán)境衛(wèi)生避免易感染新冠成為人們居家首要考慮的問題。本文設(shè)計(jì)出的無人自動(dòng)租賃清潔小站，旨在保障人門居家時(shí)的健康環(huán)境，實(shí)現(xiàn)提供三類不同種類的清潔工具的無人看守租賃、實(shí)時(shí)顯示等。通過無線通訊方式將運(yùn)行參數(shù)傳輸給用戶端。售貨柜以STC89C52處理器為核心，通過PCA9685、OLED12864等實(shí)現(xiàn)信息采集與傳輸。軟件可實(shí)現(xiàn)購物信息顯示、設(shè)備狀況、缺貨預(yù)警等，確保系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，并通過HC05藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和手機(jī)APP之間的通信，或者直接與上位機(jī)通訊。使用NRF24L01模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)記錄置物柜柜門開關(guān)狀態(tài)、貨物容量、租賃價(jià)格等情況，并將相關(guān)數(shù)值顯示在液晶屏。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);人機(jī)交互;智能;HC-05;NRF24L01;PWM

DesignofNooneautomaticallyrentsthecleaningstation

GEShi-hong，LVZhi-gang，GAOHui

（SchoolofElectronicsandInformationEngineering，Xi’anTechnologicalUniversity，Xi’an710021，China）

Abstract：In2020，asaresultoftheoutbreak，peoplearealmostalwaysisolatedathome，andimprovingfamilysanitationtoavoidinfectionwithnewcrownshasbecomeatoppriorityforpeopleintheirhomes.Inthispaper，thedesignoftheunmannedautomaticrentalcleaningstation，designedtoprotectthehealthyenvironmentathome，toprovidethreedifferenttypesofcleaningtoolsunguardedrental，real-timedisplayandsoon.Theoperatingparametersaretransmittedtotheuserbywirelesscommunication.ThesalecontainertakestheSTC89C52processorasthecore，andrealizestheinformationcollectionandtransmissionthroughPCA9685，OLED12864andsoon.Thesoftwarecanrealizethedisplayofshoppinginformation，equipmentcondition，out-of-stockalert，etc.，toensurethatthesystemisingoodworkingcondition，andthroughtheHC05Bluetoothmodule，toachievecommunicationbetweenthemicrocontrollerandmobilephoneAPP，ordirectlywiththeuppercomputercommunication.UsingtheNRF24L01modulefordatainteraction，real-timerecordingoflockerdoorswitchstatus，cargocapacity，rentalprice，etc.，andtherelevantvaluesaredisplayedontheLCDscreen.

Keywords：Single-chipcomputer;Human-computerinteraction;Intelligence;HC-05;NRF24L01;PWM

1.引言

家庭清潔是每個(gè)家庭都在做的工作，家庭的有些部位是每天都要清潔，如房間地面的清掃，廚房櫥柜灶臺(tái)的清掃等，但是有些部位確不是每天都清掃，但是也需要每隔一段時(shí)間清潔一次，比如，廚房瓷磚墻面、廚房天花板、衛(wèi)生間瓷磚墻面、衛(wèi)生間天花板、室內(nèi)門表面，家具表面，窗戶等，這些地方的清掃一般都是手拿毛巾進(jìn)行清潔，清潔效率比較慢，尤其是對(duì)一些頑固污漬的清理則更慢，還有對(duì)一些比如窗戶槽之類的凹槽清理則更不用容易。

因此，提出了無人自動(dòng)租賃清潔小站，主要通過人機(jī)交互進(jìn)行。通過單片機(jī)控制相應(yīng)的清潔柜門和驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路，通過液晶顯示當(dāng)前的租賃單價(jià)，實(shí)時(shí)潔具數(shù)量、缺貨情況等，藍(lán)牙APP實(shí)時(shí)監(jiān)控，客戶可以通過按鍵選擇相應(yīng)的不同種類潔具，實(shí)現(xiàn)智能清潔家居生活.

2.系統(tǒng)工作原理

整體系統(tǒng)主要分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

硬件系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，主要以有HC05藍(lán)牙模塊，NRF24L01通信模塊，紅外檢測模塊，電機(jī)模塊，按鍵及顯示模塊等組成。通過HC05或NRF24L01模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)APP的信息交互，同時(shí)OLED12864顯示屏完成相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示，用戶可通過按鍵實(shí)現(xiàn)相關(guān)取用功能。

軟件部分主要為手機(jī)APP相關(guān)，包含用戶的信息登錄與使用以及管理人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和信息監(jiān)控，訂單、故障等相關(guān)信息也能夠通過軟件進(jìn)行查看，管理方面更加便捷。

3.硬件設(shè)計(jì)

該租賃柜可實(shí)現(xiàn)潔具的租賃存取，手機(jī)移動(dòng)支付，按鍵選取商品或是用于設(shè)備調(diào)試。通過紅外檢測潔具狀態(tài)，可將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上或是發(fā)送到數(shù)據(jù)后臺(tái)。

3.1主控電路模塊

本系統(tǒng)的主控芯片采用的是STC89C52，作為高性能的MCS51內(nèi)核的CMOS8位單片機(jī)，該芯片功耗較低，對(duì)供電需求不高，且價(jià)格低廉，具有在線編程功能，在實(shí)際運(yùn)用中的優(yōu)勢十分顯著。該芯片有一個(gè)全雙工的UART串行I/O口，用于單片機(jī)之間的通信，或者單片機(jī)有其他設(shè)備之間的串行通信。

3.2紅外檢測模塊

采用紅外發(fā)射管和HS0038紅外接收頭，作為紅外檢測模塊。使用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，再通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收時(shí)，完成對(duì)紅外信號(hào)的接收、同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號(hào)，再將信號(hào)發(fā)送回單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并執(zhí)行去控制相關(guān)對(duì)象。

3.3藍(lán)牙通信模塊

采用HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊。其具有具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能才能執(zhí)行AT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。在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主、從和回環(huán)三種工作模式。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸。調(diào)試時(shí)使用藍(lán)牙串口即可進(jìn)行通信調(diào)試。

用戶可以通過手機(jī)藍(lán)牙和租賃小站中的藍(lán)牙模塊進(jìn)行通訊，并發(fā)送該信息到服務(wù)器端，后臺(tái)管理系統(tǒng)向用戶手機(jī)中安裝的app發(fā)送指令，用戶手機(jī)接收到后臺(tái)管理系統(tǒng)的指令后通手機(jī)藍(lán)牙對(duì)租賃小站進(jìn)行使用。

3.4無線通信模塊

采用NRF24L01模塊通信作為無線通信的主要模塊。作為用戶、管理人員與租賃小站的主要通信模塊，NRF24L01的輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。該芯片主要工作在2.4GHz～2.5GHz頻段，擁有多個(gè)通信通道，可選擇多個(gè)發(fā)射頻率，且功耗低，適合在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，MCU可通過IRQ引腳塊判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送，確保數(shù)據(jù)的精確接送。

3.5液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用OLED12864，是一種常見的工業(yè)字符型液晶，屏幕尺寸為0.96寸。由于其較小的尺寸和比較高的分辨率，讓它有著很好的顯示效果和便攜性。由于液晶顯示器每個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就始終保持那種色彩和亮度，穩(wěn)定發(fā)光，而無需像陰極射線管顯示器那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。所以，液晶顯示器畫質(zhì)好，不會(huì)閃爍。

屏幕的像素矩陣的劃分是比較特殊的，整個(gè)屏幕水平方向劃分為8個(gè)page，垂直方向則是按像素劃分為128column.每個(gè)page-column包含8個(gè)像素，通過一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)來控制，每個(gè)bit控制一個(gè)像素。租賃小站相關(guān)狀態(tài)、租賃價(jià)格、使用情況等相關(guān)信息，將相關(guān)顯示在OLED12864液晶屏上。

3.6電機(jī)模塊

控制柜門開關(guān)采用PWM控制電機(jī)來進(jìn)行工作，選用PCA9685芯片，基于IIC總線通信的12位精度16通道PWM波輸出。通過IIC通信，只需要2根IIC線就可以控制16路PWM，周期和占空比都可控。且可以多個(gè)模塊級(jí)聯(lián)。

PCA9685通過IIC總線協(xié)議和主控51單片機(jī)連接獲取不同占空比信號(hào)，再進(jìn)入數(shù)模芯片轉(zhuǎn)換器，把原始模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，從而得到被測對(duì)象的數(shù)字量信號(hào)，傳給單片機(jī)，再將信號(hào)傳遞給SG-09舵機(jī)模塊。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1下位機(jī)軟件

下位機(jī)程序采用C編程語言實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。在Keil5環(huán)境下編譯、調(diào)試通過，使用定時(shí)中斷、嵌套子函數(shù)、STM32函數(shù)庫等完成程序編寫，其主流程圖如圖8所示：

4.2上位機(jī)軟件

利用pycharm開發(fā)工具，使用python語言編寫了基于串口通信的上位機(jī)軟件，用于在電腦上顯示售貨柜內(nèi)部的運(yùn)行參數(shù)、貨物信息、交易詳情等?？梢栽O(shè)置報(bào)警參數(shù)的閾值，并實(shí)時(shí)報(bào)警或缺貨報(bào)警提示操作人員做出相應(yīng)的處理。同時(shí)，可以通過建立的數(shù)據(jù)庫，用戶可以對(duì)接收到的貨物數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、收藏等二次開發(fā)利用。

5.結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的提出，是基于清潔工具的購買和使用的沖突——高額的購買價(jià)格和較低使用率之間的矛盾，為解決這一狀況，共享潔具的提出能夠保證用戶能以較低的價(jià)格來使用平時(shí)不常使用的潔具，并且不用擔(dān)心存放占用空間或是工具老化損壞的問題，方便用戶的使用也減小了資源的浪費(fèi)，也提高了資源的利用率。用戶通過手機(jī)APP可實(shí)現(xiàn)工具的取用和放回，同時(shí)管理人員可以通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互查看相關(guān)數(shù)據(jù)了解小站的狀況或是用戶使用情況，方便及時(shí)進(jìn)行維護(hù)修理。共享經(jīng)濟(jì)又能滿足高效的資源匹配，調(diào)用閑置資源，又能滿足客戶需求，方便管理，實(shí)現(xiàn)雙方的共贏，具有很大是市場前景。 參考文獻(xiàn)：

[1]周國運(yùn)，魯慶賓單片機(jī)原理及應(yīng)用[J]中國水利水電出版社，2009，25-31

[2]楊欣，王玉鳳，萊·諾克斯電子設(shè)計(jì)從零開始[D]清華大學(xué)，2010，15-26

[3]程國鋼，楊后川Proteus原理圖設(shè)計(jì)與電力仿真就這么簡單[J]電子工業(yè)大學(xué)，2014，12-29

[4]余成波傳感器與自動(dòng)檢測技術(shù)[J]高等教育出版社，2004，2-5[5]何立民單片機(jī)實(shí)用文集[D]北京航天航空大學(xué)，1993，21-26

[6]IntelMCS-51FamilyofSingleChipMicrocomputerUser’sManual[J].1990.

[7]BehzadRazaviDesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits[M]，2001，21-25

[8]陳志旺51單片機(jī)快速上手機(jī)械工業(yè)出版社[D]，2009，36-41[9]王連英，吳靜進(jìn)單片機(jī)原理及應(yīng)用[J]，化學(xué)工業(yè)出版社，2011，26-32[10]秦進(jìn)平數(shù)字電子與EDA技術(shù)科學(xué)出版社[J]，2011，3-8[11]汪明添電子元器件北京航空航天大學(xué)[D]，2008，25-36

基金項(xiàng)目：西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2020KJRC0033）;西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（省級(jí)）（S202010702093）;

作者簡介：葛世宏（1999-），男，漢族，山西省運(yùn)城市鹽湖區(qū)，現(xiàn)于西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院本科就讀，嵌入式。