阶梯教室清洁一体机
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作者:张建明 尹玉亮 张开业 虞晨 张云凤
摘 要：本机器主要应用于各类高校的阶梯教室的清洁。包括控制中心模块、驱动模块、清洁模块、爬楼模块和无线蓝牙遥控模块。该机器以Arduino UNO R3开发板为核心，机器运行时，HC-05蓝牙模块通过Arduino UNO R3串口通信功能与手机蓝牙串口软件连接，可进行无线遥控;通过L298N电机驱动板控制550直流减速电机，以此控制机器的行进与转向。此外通过推杆电机的伸缩来控制机器的爬楼化操作。在机器的上部和尾部装有垃圾清理装置，可以实现对阶梯教室进行最大程度的清理。本机器可以进行爬楼清洁，解放了劳动力。另外双层清洁装置的设计大大提高了清洁效率。该机器控制简单，成本造价低。
关键词：阶梯教室 智能清洁 Arduino UNO R3 无线蓝牙控制
中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0034-02
在我国，人口基数大，阶梯教室能够容纳大量人员，适合办公和学习，因此我国对阶梯教室的需求量很大，尤其我国教育事业不断发展，国家对各个高校都投入大量的人力物力，在全国各个学校都配备了大量的阶梯教室。以大学阶梯教室为例，阶梯教室数量多，大多数阶梯教室在平时学习的课间、放学或者假期期间常常无人打扫，导致开学时积灰较多，桌洞、桌面和地面有着各种琐碎的垃圾，然而国内对于能够在这种阶梯教室进行全方位、立体化清洁的设备的研究还十分的稀少，对于这方面的技术也不够完善，不能做到全方位立体式的清理。 只能依靠人力繁琐地清理，然而人工清洁不仅费时费力，而且会有遗漏，导致清洁效果往往差强人意。
1 阶梯教室清洁一体机的主要结构
阶梯教室清洁一体机是以Arduino UNO R3开发板核心，使用HC-05无线通信模块通过串口通信进行无线遥控，通过L298N电机驱动板控制550直流减速电机，以此控制机器前行。此外通过推杆电机的伸缩来控制机器的爬楼操作。在机器的上部和尾部装有垃圾清理装置可以对阶梯教室进行最大化的清理。
阶梯教室清洁一体机结构上主要包括主体框架、控制中心、驱动装置、爬楼装置、垃圾清洁装置、灰尘清洁装置、垃圾收集装置、洒水装置。
（1）主体框架：由铝型材加工制造而成的机器框架和细木板组成。
（2）控制中心：Arduino UNO R3（Arduino UNO R3电路图如图1所示），L298N驱动板，两个数显降压模块与一个蓝牙通信模块（蓝牙模块电路图如图2所示）构成。
（3）驱动装置：机器采用六轮月球车设计，以Arduino UNO R3為技术核心，使用HC-05无线通信模块通过串口通信进行无线遥控，通过L298N电机驱动板控制550直流减速电机，以此控制机器前行。
（4）爬楼装置：机器前面两轮由170W大功率H桥驱动NMOS驱动板，驱动推杆电机控制实现上升和下降，当机器行进到阶梯面前时，推杆电机收缩抬起前轮，机器前进使前轮搭上阶梯，之后推杆电机伸长使得机器中轮离地，六轮蓄力使得机器爬上阶梯。
（5）垃圾清洁装置：清洁装置（扇状清洁角铝）由6V小功率电机带动，其与舵机相连，舵机受单片机控制可以进行180°旋转，使得清理装置清扫下一阶梯时（清理机清理一排转向后，清理装置会与桌面相反）实现对桌洞的连续清理，极大地提高了清洁效率。
（6）灰尘清洁装置：清理装置由两个滚筒与连接杆组成，固定在清洁机的尾部，其可以对桌面、桌洞及地面进行同时清理。
（7）垃圾收集装置：垃圾清理装置从桌洞中拨出垃圾，随后掉落在收集装置中，来进行对垃圾的收集。
（8）洒水装置：洒水装置由水泵和水桶构成，主要是负责对地面进行洒水除尘。
2 阶梯教室清洁一体机的主要功能
本机器可进行爬楼化作业，在面对有楼层的阶梯教室时也可对其进行清洁。双层清洁装置的设计使得机器可以同时清洁桌面和桌洞，底部也装有清洁装置，大大提高了清洁效率。可以利用Arduino UNO R3开发板的串口通讯功能，通过手机蓝牙控制机器的动作，达到远程操控的目的。可以利用设置的程序结合传感器使其自己运行，不用人为操控也可以自己工作。本机器通过推杆电机的伸缩变化来完成机器的爬楼操作。在机器的上部和尾部装有垃圾清理装置，可以对阶梯教室进行最大化的清理。
3 阶梯教室清洁一体机的电路控制结构
3.1 Arduino UNO R3 开发板
Arduino UNO R3是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。ATmega328包括了片上32KB Flash，其中0.5KB用于Bootloader。
3.2 170W大功率H桥驱动NMOS驱动板
采用全桥驱动芯片+低通内阻40V / 162A NMOS管，可以实现电机正反转。两路PWM输入，占空比调节范围0～-100%。具有瞬间制动能力。工作电压10～40V，实测功率200W。控制简单方便，只需要3根输入线即可控制电机。 3.3 L298N电机驱动板
L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V：输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A：额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机;采用标准逻辑电平信号控制：具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。
3.4 HC-05蓝牙模块
采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准;输入电压：3.6V—6V，禁止超过7V;波特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200用户可设置;带连接状态指示灯，LED快闪表示没有蓝牙连接：LED慢闪表示进入AT命令模式;板载3.3V稳压芯片，输入电压直流3.6～6V：未配对时，电流约30mA（因 LED灯闪烁，电流处于变化状态）：配对成功后，电流大约 10mA。当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输：当模块处于命令响应工作模式时能执行下述所有A 命令，用户可向模块发送各种 AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令，通过控制模块外部引脚（PI011）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。
4 阶梯教室清洁一体机的工作过程
（1）在对阶梯教室进行一排桌椅的清洁时，动力驱动装置驱动机器前进，前进的过程中垃圾清理装置由12V减速电机带动，不断地将桌洞中的垃圾分拨到垃圾收集装置中，另外灰尘清理装置会对已清洁的桌洞进行二次清洁，保证了清洁效率。
（2）在清洁下完一排桌椅时，机器会自动进行差速轉向，完成对下一排桌椅的清洁工作。
（3）在遇到有阶梯的教室时，机器会启动爬楼程序，由推杆电机的伸缩变化实现机器的爬楼化操作，即人们不用人为地将机器搬到下一阶梯进行工作。
（4）在机器的尾部还装有水泵、清洁刷等其他清洁装置，保证了对阶梯教室最大程度的清洁。
5 结语
在设备智能化与自动化的背景下，生活中的方方面面都急需自动化设备，大型教室由于桌椅较多，面积大，人工清洁费时费力，而且清洁费用较高。本机器只需单人操纵就可以完成对阶梯教室全方位的清理，而且清洁效果优于人工清洁。
本机器是一种自动化机械设备，能够适应阶梯教室的阶梯地形结构，在实现在阶梯教室能够自由来回运动的同时，对阶梯教室的桌面、桌洞以及地面进行进行全方位、立体化的清理，属于卫生清理设备领域。该机器控制简单，成本造价低。
参考文献
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