基于STM32晾衣机器人的设计

引 言

随着智能产品的发展和物联网的普及，智能家具得到迅速发展。当前国内外在晾衣产品上的研究主要面对两个方面： 阳台晾衣杆的升降方式和落地衣架的牢固样式。这两个方面都是建立在机械上的研究，无法和现代物联网技术联系到一起。而目前生活中所使用的衣架多为不能随外界环境变化而自动做出相应应对方法的传统类型，晾衣工具还是处于比较原始的层次，已经跟不上生活节奏的变化[1]。本文采用STM32 作为晾衣机器人的主控制器，各种传感器检测外界环境，通过控制电机的运转实现智能。另外，本设计采用无线设置，可以使用电脑、平板、手机等终端进行多种模式的控制。

1 整体设计方案

本设计供电采用太阳能板充电，使用DC/DC 变换器的设计，可提供不同电压的输出；利用光夹角传感器对太阳的位置进行实时监测，使晾衣机器人始终和太阳光垂直，加速晾晒速度；利用多点雨滴传感器检测周围环境的湿度，控制防雨电机和避雨罩，对衣服进行防雨保护 ；并设置循迹回家和自动回收功能，利用色标和避障传感器对地面颜色和障碍物进行识别，回到预定目的地。通过对衣撑的设计利用湿度传感器对衣服湿度进行检测，衣服晒干后进行回收[2]。而所有的电路都内置于方形不锈钢管制成的机器人外框中。

整体设计结构框图如图 1 所示。

2 硬件电路详细设计

智能晾衣机器人的硬件部分主要由STM32 微处理器、雨滴传感器、湿度传感器、色标循迹传感器、无线控制器、太阳能板、稳压电路、电量显示电路、电机驱动、直流减速电机和锂电池组等组成。

2.1 主控电路的设计

该晾衣机器人的主控采用ARM公司的ARMCortex-M3 为内核的 STM32F103，最高工作频率为 72MHz，边上集成32-512KB 的 FLASH存储器和 6-64KB的 SRAM存储器， 有两个 12位的D/A转换器（16 通道），A/D测量范围为 0-3.6 V，具有双采样和保持能力。并且，最多有多达 112 个快速 I/ O端口、11个定时器和 13个通信接口。其相对 51单片机高端的配置是机器人产品主控的首选[3]。

最小系统电路原理图如图 2 所示。

2.2 雨滴传感器的设计

目前市场上雨滴传感器的检测部分使用的多为湿敏电阻等器件由有机高分子材料组成，价格昂贵 [4]。本设计的检测部分是通过在单面覆铜板上雕刻出W 与M 型线条，其中一端口接地，另一端口接以 LM393 为双电压比较器集成电路的调节电路。正常情况下，端口两端电压为 VCC，即AC 为VCC。当雨水滴到覆铜板上使 W 型线条和M 型线条相接触，两端口电压小于VCC。LM393 通过比较 INA- 与INA+ 的电压差输出高电平或低电平。STM32 即可根据与LM393 输出端连接的I/O 口状态判断当前环境是否下雨，从而调节系统的运行状态。电位器 R2 用以调节 LM393 的INA- 电压值，从而控制雨滴传感器的灵敏度 [5]。图 3 所示是雨滴传感器的检测板图、图 4所示是雨滴传感器的电路。

2.3 湿度传感器的设计

本设计采用的湿度传感器是 HR202L 湿敏电阻，采用有 机高分子材料，是一种新型湿度敏感元件，具有湿敏范围宽、 长期使用性能稳定等优点，广泛应用于智能控制及科研领域。 实现原理是利用微处理器的 I/O 口输出 1 kHz 的方波，通过 HR202L 湿敏电阻对电容进行充电，当检测 I/O 口发生由低电 平反转为高电平时记下充电时间，经过微处理器运算处理即 可得到当前的湿度值。

图 5 所示是湿度传感器的电路图。

2.4 无线控制模块的设计

无线模块采用的是 ESP8266 串口 WiFi 远程无线控制模 块，该无线模块内置 TCP/IP 协议栈、支持无线 80211b/g/n 标 准、多路 TCP Client 连接、Smart Link 智能联网功能，满足 远距离控制、实时查看机器人的状态的需求，并且该模块具 有 STA/AP/STA+AP 三种工作模式，具有丰富的 Socket AT 指 令、内置 32 位 MCU，因此可以更改内部指令使其功能得到 最大应用 [5]。无线控制器电路如图 6 所示。

2.5 稳压电路的设计

该稳压电路包括锂电池充电系统、锂电池保护系统、锂 电池升压系统，采用上海如韵电子有限公司生产的 CN3083 管理芯片。当输入电压大于低电压检测阈值和电池端电压时， CN3083 开始对锂电池充电，CH 管脚输出低电平，红色 LED 亮， 充电正在进行 ；当锂电池电压 Kelvin 检测输入端（FB）的电 压低于 3 V 时，CN3083 用小电流对锂电池进行预充电 ；当锂 电池电压 Kelvin 检测输入端的电压低于 3 V 时，充电器采用 恒流模式对电池充电，充电电流由 Iset 管脚和 GND 之间的电 阻 RISET 确定 ；当锂电池电压 Kelvin 检测输入端（FB）的电 压接近锂电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3083 进 入恒压充电模式 ；当输入电压大于 4.45 V，并且充电电流减小 到充电结束阈值时，CH 端输出高阻态，OK 端输出低电平， 充电周期结束 [6]。

锂电池升压系统采用上海如韵电子有限公司生产的 CN5136PFM 升压 DC-DC 转换器。具有最大输出电流能力达 500 mA、片内高精度电压基准源、工作范围在 2.7 V 到 6 V 等优点，非常适合 ；锂电池供电的应用，采用该转换电路可以 直接为电机驱动L298N提供电源[7]。稳压电路原理如图7所示。

2.6 电量显示电路的设计

该电 路 采用的是 一款低 功耗四通 道电 压 监测芯片 CN1185，其消耗电流只有 7.3 mA，非常适合检测电池电压。 芯片内部共包含四个电压比较器，每个比较器的正输入端接芯 片内部电压基准源，用来对同一电压源进行分级监测。由于用 户可以设置比较器的翻转阈值和迟滞，所以 CN1185 非常适合 对电池电量进行监测，点亮显示电路原理如图 8 所示。

3 软件设计

 该设计软件由两部分组成 ：机器人的晾衣机器人程序设 计和手机无线终端的设置。

3.1 晾衣机器人程序设计

机器人通电后无线设置其工作方式。工作方式包括四种： 自动模式、回家模式、手动模式、晾衣模式。

（1）在自动模式中，机器人进入智能晾衣模式，自动调 整与太阳的夹角、自动检测有无晾晒衣物并在衣物晾干后回到 屋内、自动检测天气状况并在下雨时或有露水时将衣物封闭， 而后回到室内 ；

（2）在回家模式中，机器人将会循迹到室外或室内，避 免了人为繁琐的控制 ；

（3）在手动模式中，可以人为控制机器人的运行等状态 ；

（4）在晾衣模式中，机器人将不执行回家模式，在天气 下雨或有露水时将衣物封闭并等待天气状况好转后继续晾晒 衣物 [8]。其运行流程如图 9 所示。

3.2 手机无线终端的设置

手机无线终端采用 AITEAD 创易工作室开发的 ITEAD STUDIO App，终端可以根据需要设置无线模块与手机通信内 容和传输的信息，具有操作简单、使用方便等优点 [9]。通过 设置客户端 IP 与服务端 IP 的端口号可以实现远程连接，通过 设置不同前、后、左、右功能需要发送数据与主控中相应功 能程序判断条件一直对晾衣机器人的模式等进行选择和控制 等。手机 App 控制示意图如图 10 所示。

4 结 语

本文提出了基于 STM32 的晾衣机器人的设计方法，并最 终完成了实物的设计，此智能晾衣机器人既可以应用于普通农 户室外晾晒衣物，也适合于小区楼房阳台上晾晒衣物。并且其 所有电路均内嵌于机器人内部，密封性好，使用寿命长、美观 大方，并且此设计功耗低、性价比高，有很强的市场竞争力和 使用价值。