太阳能电池板清扫车

[摘 要]在太阳能产品为人们带来巨大便利的同时，也带来了一些问题。由于太阳能板产生电压需要有充足的阳光，这就要求把太阳板放在户外，这样，不可避免的时间一长太阳能板上就会布满灰尘，影响太阳能板的工作效率。该清扫车集成了功率检测模块，清洁装置及各种传感器等设备，实现了在各种复杂环境中功率检测、小车精确定位、自动记忆路径、进行清扫等功能。小车可实现远程管理，也可通过智能手机控制。另外小车电路实现了低功耗设计，在不影响正常工作的前提下减少了电池的负担，配合太阳能电池板，更加节能环保。小车的这些功能使其也可以完成家居环境清扫，代替人进行清扫地板等工作。

[关键词]传感器 功率检测 路径记忆 节能环保 低功耗 清扫

中图分类号：TS206.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0304-01

一、主要研究内容

清扫机器人以小车为载体，并配备了多种传感器，无需铺设轨道，可自动移动，能够实现可移动检测。清洗能力为每小时100平方米。由于是清扫倾斜着安装在架台上的太阳能电池板，因此采用了可在5～30度的倾斜面上移动的设计。即使太阳能电池板之间分离，如果间隙在50毫米以内、落差在±30毫米以内，该清扫机器人也可越过。另外还配备有红外线LED灯，可在夜间清扫。现场电能紧缺是制约进度的瓶颈，我们采用太阳能电池板实现对小车的自动充电，同时设计低功耗电路以节约能源。

为提高清扫效率，小车与上位机之间采用一主机多子机的通讯模式，使上位机可以同时对多辆清扫车进行监控。小车拥有的键盘操控、有线无线模式切换、自动记忆路径等功能，大大提高了其适应复杂环境的能力。

二、方案设计及硬件结构

小车用低功耗单片机检测光照强度，发电功率，温湿度等信息并通过无线数传模块把数据传送给上位机。上位机接收到数据后，帮助操作人员第一时间及时准确的了解现场的各种情况。我们用太阳能电池板给其自动充电，极大的提高了小车对环境的适应能力。我们还用了单片机之间的通信，当单片机检测到太阳能板的发电功率与光强没有达到标准时，会给小车发送自动清扫的指令。小车的整体设计框图如图2.1所示。

2.1 硬件电路系统结构

2.2 太阳能电池板的电路设计

我们采用两块6.5伏的太阳能电池板串连给小车做应急充电使用。单块板的尺寸是4×10厘米。当小车在电能无法供应的灾害性现场或在复杂环境中长时间工作导致电量不足时，我们可以用小车自带的太阳能电池板给其充电。同时，小车工作完成后，只需把它放在太阳光下就可以自动充电，方便快捷。而且这种充电方式利用的是绿色能源，更加环保[1]。

2.3 无线数据传输模块

我们采用JZ863微功率无线数传模块作为无线传送模块的主要元件。JZ863微功率无线数传模块，是一种短距离无线数据传输产品。它体积小，功耗低，稳定性及可靠性极高，方便为用户提供双向的数据信号传输、检测和控制。我们将接收模块和发射模块分别安装在上位机和下位机上，实现远程通讯。

2.4 光照强度传感器

该传感器可以检测外界的光照强度，采用数字化光照检测芯片BH1750，该芯片可检测所处环境中的可见光强度，并转化为数字量，通过I2C接口输出。

2.5 直流电机驱动电路

直流电机驱动电路为直流电机提供驱动电流和驱动电压，并且能够通过驱动电路调节和选择更改直流电机的工作状态和细分状态。能精准控制直流电机的转速。直流电机驱动电路的工作电压为12V，并接5V公共阳端，才能驱动直流电机正常运转。

三、系统实现原理

3.1 学习型半智能避障与行车路径记录

小车避障时可对前方障碍物距离进行检测。当操控小车避障、跃障达到指定地点完成任务时，小车可记录相关动作与路径并进行学习，当第二次工作时可实现自动避障、跃障到达指定地点。这是一种国内领先的上位机操控与下位机相结合的半智能工作方式，可靠并且便捷。

3.2 太阳能智能充电配合低功耗检测

我们设计的太阳能充电电路可实现电压负增量式控制。充电时，当测量到电池电压负增量时就可以确定该电池己经充满，从而将充电转变为涓流充电[2]。这种充电模式安全可靠且对电池使用寿命影响较小，是目前公认的较先进的控制方法之一。白天小车待机状态（小车只停留在固定位置待机）下功率极低，经测量检测功率仅为2.58毫瓦。

3.3 上位机组网及多机通讯

小车通过RS-485串行接口标准，采用Zigeb通讯协议，具有良好的抗噪声干扰性及稳定性，能实现一主机多子机同时工作，使同一个上位机可以同时采集多辆清扫车发送过来的数据，提高清扫效率的同时优化了管理效率。

四、软件系统设计

4.1 系统流程过程

程序初始化后进入低功耗模式。当小车接收到上位机的指令后程序进入串口中断并退出低功耗模式。当程序解析完上位机的指令后将驱动电路执行上位机的指令。每当定时器溢出并产生中断时，程序进入定时器中断并退出低功耗模式。在定时器中断中，程序将检测各种数据信息并将数据实时发送给上位机。

4.2 上位机设计

我们采用Visual Basic语言编程设计的上位机监控界面可以显示现场的视频信息，行驶路径，清扫时间、速度，小车当前位置，现场温湿度，光照强度太阳能板发电功率等信息[3]。因此现场信息情况一目了然。同时上位机手动控制区可以通过键盘鼠标等手段控制小车的行进及跃障，增加了小车调控方式。

五、主要观点及应用前景

该作品价格低，功能全，可适应不同环境。小车具有人性化的界面，低功率，配合太阳能电池板的使用非常节能环保。

在前景方面，第一，现今的清洗装置大多是人工加机械的清洗方式，我们采用小车作为载体实现可移动清洗，大大增加了其灵活性。第二，小车无线模式可切换的视频数据传输、学习型半智能避障与行车路径记录、太阳能智能充电配合低功耗检测、上位机组网及多机通讯等特点，大大提高了在未知环境中的适应能力和工作效率。第三，国内对机器人电池板清扫小车的研究并不完善，但小车的应用范围很广，因此电池板清扫小车有很高的研究价值。综上所述，本产品优点突出，研究价值较高，推广前景非常好。

参考文献

[1] 刘寄声.太阳电池加工技术问答[M].北京：化学工业出版社，2010.136-212.

[2] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社，2006：156-189.

[3] 林卓然.VB语言程序设计.2版[M].北京：电子工业出版社，2009.256-343.