清理太阳能电池板的机器人设计
摘要：此太阳能电池板清洁装置以STM32单片机作为控制部分，以两个两相混合步进电机连接导轨（皮带传动），组成XY直角坐标系对太阳能电池板进行清扫。清扫开始时先在水平方向上进行一行清扫，一行清扫结束，由限位开关触发使得垂直方向上步进电机带动水平导轨整体移动一段距离，然后水平方向上清扫装置再进行一行水平清扫，就这样周而复始的清扫，直至将整个电池板清扫完。此时碰到垂直导轨末端的限位开关，则整个装置将在垂直方向上逆向行驶到启动位置，这时本次清扫将全部完成。
中国论文
关键词：STM32单片机、限位开关、步进电机
Abstract： The solar cell board cleaning device is controlled by STM32 microcontroller as the control part，Connecting the rail （belt drive） with two two phase hybrid stepping motor，XY rectangular coordinate system is posed of a solar panel to clean the solar panels.A line of cleaning is carried out at the level of the horizontal direction，End of a line，The vertical direction of stepper motor drives the horizontal guide rail overall move a distance by the limit switch trigger，Then the horizontal direction of the cleaning device and then a line level，So go round and begin again until the entire cleaning， cleaning the
this point， the limit switch to the end of the vertical guide rail，The whole device will be reversed in the vertical direction to the starting position， then the cleaning will be pleted.
Key word：STM32 single chip microputer、Limit switch、Stepper motor
0引言
随着时代的发展，节能成为当今社会的又一大主题。其中，太阳能成为大家的研究对象。太阳能电池板将会成为世界节能的主流方向。目前，国内家用太阳能电池板越来越普及，但若要清理电池板，则需我们人为的清理。由于太阳能电池板大多安装在较高处，一般情况很难清理。而我国在清洁太阳能电池板机器人这块儿，仍处于初期的探索阶段，很多核心技术尚未掌握，市面上也很少有太阳能电池板清洁机器人。所以对清洁太阳能电池板机器人的设计的研究就显得十分重要，使其可以在危险的环境下替代工人劳动，并且已在各个领域发挥不凡的作用。
从市场供应层面看，虽然国际市场已经有类似的产品，但是日本掌握着较为成熟的技术和生产，我国在这方面仍处于各方探索的初期阶段，深入研究和创新仍是我们的目标。从市场需求层面看，环保节能逐渐成为生产的宗旨，太阳能电池板提供的清洁能源且取之不竭，家用太阳能的供电模式将成为主导，保持板面清洁是提高效率的必要选择，在我国已有的研究成果上扩大其功能和适用范围是我们研究的终极目标。将环保节能意识贯彻始终是我们作此研究的重要意义。
1方案论证与比较
1.1 整体结构选择
方案一：选用外形小车结构的模型，为清洁机器人装上吸附装置、清洁装置、蓄电装置、遥控装置。这种设计方法最终机器人清洁灵活，技术上和产品上较为优越，但是在小车指定区域内循迹难以实现，算法结构较为复杂。技术要求较高，成本昂贵。
方案二：采用机械臂式框架结构设计，采用单片机控制运行轨迹进行清洁，结构简单，成本适宜，实现较大面积清洁相对方便快捷。
相比之下选用方案二。
1.2 电机及运行方式
方案一：电机选择两相步进电机作为驱动装置，两个两相步进电机连接导轨（皮带传送）。组成XY坐标系，以太阳能电池板中心为始点，驱动电机实现有内线外渐开式走矩形路线，直到将板清扫完。此方案的驱动部分程序设计相对复杂。
方案二：电机选择两相步进电机作为驱动装以置，两个两相步进电机连接导轨（皮带传送）。组成XY坐标系，先后驱动水平和垂直方向上的电机，实现清扫装置部分进行己字形路线清扫。此种方法实现简单，程序设计清晰不复杂。故选用方案二。
1.3 清洁装置选择
方案一：在清扫部分使用毛刷，在装置按轨迹运动过程中，带动毛刷将电池板上的灰尘刷掉，并在毛刷周围固定上海绵，进行二次擦拭。此方案设计简单，成本较低，但是对于附着较紧的污渍清扫效果不理想。
方案二：在清扫部分使用直流电机带动圆盘刷进行清扫，这样毛刷可获得较大的动力，清扫效果可以得到明确的提高。故采用方案二。
1.4 单片机选择
方案一：51单片机：价格便宜，引脚功能简单，但对复杂控制有些力不从心。
方案二：STM32系列单片机高性能，低成本，低功耗且功能强大，若以后要对设计进行改进则可方便实现。故采用方案二。
1.5 总体方案论述
此太阳能电池板清洁装置以STM32单片机作为控制部分，以两个两相混合步进电机连接导轨（皮带传动），组成XY直角坐标系对太阳能电池板进行清扫，清扫部分采用直流电机带动圆盘刷随驱动装置按轨迹运动。清扫开始时先在水平方向上进行一行清扫，一行清扫结束，由限位开关触发使得垂直方向上步进电机带动水平导轨整体移动一段距离，然后水平方向上清扫装置再进行一行水平清扫，就这样周而复始的清扫，直至将整个电池板清扫完，此时碰到垂直导轨末端的限位开关，则整个装置将在垂直方向上逆向行驶到启动位置，这时本次清扫将全部完成。装置实物图如图1所示。 图1 装置实物图
1.6 系统总体框图
2 硬件介绍
2.1 太阳能电池板板样
选用模板大小为50cm X 70cm的家用太阳能电池板为实验样板，电池板实物如下：
图2 太阳能电池板
2.2 两相步进电机
本实验选用电机为57BYGH301，其各项参数可在下表中查询：
2.3 M542H 两相混合式步进电机驱动器
M542H 细分型两相混合式步进电机驱动器，采用直流 18～50V 供电，适合驱动电压 24V～50V，电流小于 4.2A 外径 42～86 毫米的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音。硬件如下：
图3 步进电机驱动器
2.3.1 电气参数
输入电压： 直流 24～50V 输入
输入电流： 小于 4 安培
输出电流： 1.0A～4.2A
功 耗 功耗：80W； 内部保险：6A
温 度： 工作温度-10～45℃；存放温度-40℃～70℃
湿 度： 不能结露，不能有水珠
气 体： 禁止有可燃气体和导电灰尘
注：拨码开关请在未上电时调好，严禁带电操作，切记！
2.3.2 控制信号接口
PLS+： 步进脉冲信号输入正端或正向步进脉冲信号输入正端
PLS-： 步进脉冲信号输入负端或正向步进脉冲信号输入负端
DIR+： 步进方向信号输入正端或反向步进脉冲信号输入正端
DIR-： 步进方向信号输入负端或反向步进脉冲信号输入负端
ENA+： 脱机使能复位信号输入正端
ENA-： 脱机使能复位信号输入负端
2.3.3 拨码开关
为了驱动不同扭矩的步进电机，用户可以通过驱动器面板上的拨码开关 SW1、SW2、SW3位来设置驱动器的输出相电流（有效值）单位安培，各开关位置对应的输出电流不同。
2.3.4 驱动器接线
一个完整的步进电机控制系统应含有步进驱动器、直流电源以及控制器（脉冲源）。以下为典型系统接线图：
图4 步进电机接线图
3 软件程序流程图
4 实验结果
（1）经过试验测试，此太阳能电池板清扫装置可实现倾斜的电池板的清扫工作，
清扫效果良好，能将附着较紧的污渍清扫干净。
（2）通过加长水平导轨可实现对多块太阳能电池板的跨板清扫。从实际使用效果看总体达到实验基本要求。
5 总结
本次设计刚开始选定题目后，经过讨论选定了一个方案小车模型的清扫装置，但由于设计所需知识水平较高，最终经过较长时间的研究，也没有将实验做出实质性的进展，致使浪费很多时间。当我们从头开始后，汲取之前的教训，最终确定了现在导轨框架清扫方案。
当然在完成设计后仍有许多有待改进的地方，这都是我们今后努力的方向。并且实验中每一个实验成员配合更加默契，更加懂得了团结协作的重要性。这在我们今后的生活工作中都会是非常重要的宝藏。
参考文献：
[1]濮良贵，纪名刚，陈国定，等.机械设计（第八版）[M].高等教育出版社，2007.
[2]大连理工大学工程画教研室.机械制图（第五版）[M].高等教育出版社，2003.
[3]康华光主编，陈大钦副主编.电子技术基础（数字部分）.第5版.北京：高等教育出版社，2006
[4]李建忠主编.单片机原理及应用.第二版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.2