基于STC 單片機(jī)的水面清潔智能小衛(wèi)士模型的設(shè)計(jì)

吳海都，楊德興，盧東泳，江鵬杰，高煜登，熊銀茍

（廣州工商學(xué)院，廣東廣州，510800）

0 前言

當(dāng)前，治理觀賞性水域已經(jīng)得到了社會(huì)各界的廣大關(guān)注。隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)自然環(huán)境保護(hù)意識(shí)和要求的不斷提高，研制出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全平穩(wěn)、節(jié)能高效的遠(yuǎn)程操控清潔工具已成為一大熱點(diǎn)。為了解決小型景區(qū)湖泊水面垃圾問(wèn)題，以STC15W4K58S4 單片機(jī)為核心，融合了無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程操控，無(wú)線(xiàn)圖像傳輸，傳送帶式捕獲垃圾等功能，設(shè)計(jì)出這樣一款清理裝置模型—小衛(wèi)士。

目前，小衛(wèi)士主要針對(duì)水面漂浮物將其收集、運(yùn)送、裝載，全過(guò)程只需人在湖邊遙控小衛(wèi)士，就可做到定點(diǎn)回收湖面上的垃圾，且其工作不對(duì)環(huán)境造成污染。

1 小衛(wèi)士系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成

小衛(wèi)士主要由船體、電氣控制系統(tǒng)、水面漂浮物打撈系統(tǒng)、水面視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四個(gè)部分組成。

■1.1 船體介紹

船體設(shè)計(jì)：小衛(wèi)士采用雙體船設(shè)計(jì)。該船型具有兩個(gè)分開(kāi)的獨(dú)立體，每個(gè)獨(dú)立體均設(shè)計(jì)成下尖型，使船頭形成一個(gè)W 型如圖1 所示，其作用可以起到減少小衛(wèi)士前進(jìn)時(shí)的水流阻力，也使得水線(xiàn)面的橫向慣性矩增加，由于細(xì)長(zhǎng)的船體橫搖時(shí)回復(fù)力矩小，很容易左右搖晃，但是雙體船分為左右兩個(gè)獨(dú)立體，下尖型船底的設(shè)計(jì)又使得船體的重心上移，二者合一使得小衛(wèi)士的復(fù)原力矩很大、穩(wěn)性極好、穩(wěn)性?xún)?chǔ)備比單體船大2～4 倍、抗風(fēng)力強(qiáng)[1]。雙體船的設(shè)計(jì)也使得船的中部形成一條貫通整船的天然流道，為垃圾清理裝置提供理想的安裝位置。獨(dú)立體的上方是一個(gè)回字形的塑料殼如圖2 所示，用來(lái)存放小衛(wèi)士的電源模塊和控制電路。

圖1 船體的結(jié)構(gòu)圖

圖2

表1 船體性能參數(shù)

■1.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由電源模塊，MCU 模塊，紅外接收模塊和驅(qū)動(dòng)模塊這四部分組成。如圖3 所示。

圖3

1.2.1 電源模塊

裝備有多塊聚合物鋰電池和一塊太陽(yáng)能電池板，為小衛(wèi)士供電。整個(gè)系統(tǒng)的供電以可充電鋰電池電為主，以太陽(yáng)能電池板發(fā)電補(bǔ)充電能為輔的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用單晶硅太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，其轉(zhuǎn)換效率比其他類(lèi)型的太陽(yáng)能電池板更高，并且使用壽命也較長(zhǎng)，可以大大提高太陽(yáng)光的有效利用率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果白天有陽(yáng)光，就可以用太陽(yáng)能發(fā)電同時(shí)給蓄電池充電，到天黑時(shí)蓄電池放電，減少用市電補(bǔ)充能量的部分。在我國(guó)大部分地區(qū)，全年基本上都有三分之二以上的晴朗天氣，這樣該系統(tǒng)全年就有三分之二以上的時(shí)間用太陽(yáng)能，剩余時(shí)間用市電補(bǔ)充能量，能夠有著顯著的節(jié)能減排效果，達(dá)到設(shè)計(jì)環(huán)保的初衷。小衛(wèi)士系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)流程圖

1.2.2 MCU 模塊

核心控制單元是采用宏晶科技公司制造的STC15 系列的STC15W4K58S4 芯片，該芯片不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，內(nèi)部時(shí)鐘在5MHz～30MHz 可設(shè)，可工作的寬電壓為2.5～5.5V。其具有超強(qiáng)的抗干擾能力、運(yùn)行速度快、低功耗、成本低等優(yōu)點(diǎn)。且該單片還內(nèi)置了穩(wěn)壓模塊，使得在小衛(wèi)士在電源供給的穩(wěn)定性有了極大的保障。

1.2.3 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊

目前，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，常見(jiàn)的有兩種方案。方案一：較近距離的使用紅外線(xiàn)傳輸；方案二：較遠(yuǎn)距離的采用射頻傳輸。針對(duì)小衛(wèi)士的工作范圍，本設(shè)計(jì)采用方案二。

射頻傳輸包括數(shù)據(jù)發(fā)射電路和數(shù)據(jù)接收電路。

數(shù)據(jù)發(fā)射電路由按鍵，編碼芯片PT2262，315MHz 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)射模塊等構(gòu)成，基于這個(gè)發(fā)射電路制成一個(gè)六路無(wú)線(xiàn)遙控器。數(shù)據(jù)發(fā)射端的工作頻率為315MHz，采用聲表諧振器SAW 穩(wěn)頻，其頻率穩(wěn)定度僅次于晶體，超過(guò)一般的LC振蕩器，并且聲表振蕩器的諧振損耗僅 1～2dB[2]。

數(shù)據(jù)發(fā)射電路的工作流程圖如圖5 所示。通過(guò)觸發(fā)遙控器上的按鍵發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)PT2262 編碼器輸出一個(gè)由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成的一個(gè)完整碼字，再到315MHz 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)射模塊進(jìn)行調(diào)幅、功率放大，最后將已調(diào)信號(hào)通過(guò)天線(xiàn)輻射出去。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)射電路流程圖

數(shù)據(jù)接收電路由315MHz 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收模塊和譯碼芯片PT2272 構(gòu)成。315MHz 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收模塊有超再生式接收模塊和超外差式接收模塊兩種，考慮到小衛(wèi)士的工作環(huán)境不是非常惡劣，為了降低成本采用315M 超再生接收模塊。該接收模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)接收電路的工作流程圖如圖6 所示。當(dāng)315MHz超再生接收模塊上的天線(xiàn)接收到無(wú)線(xiàn)遙控器發(fā)出的信號(hào)后，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行功率放大后送至譯碼器PT2272 進(jìn)行譯碼，其地址碼要經(jīng)過(guò)兩次比較核對(duì)，若結(jié)果一致，則VT 腳才輸出高電平，同時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平送至單片機(jī)進(jìn)行下一步處理。

圖6 數(shù)據(jù)接收電路流程圖

本設(shè)計(jì)將315MHz 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和PT2262 編碼器集成在一塊，該六路無(wú)線(xiàn)遙控電路圖如圖7 所示。并將315MHz 超再生接收模塊和PT2272 編碼器集成在一塊，其引腳圖如圖7 所示。

圖7

1.2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊采用L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓展板。L293D 是一塊雙H 橋驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2 路直流電機(jī)，并可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。該芯片在4.5V 至36V 的電壓下提供高達(dá)600mA 的雙向驅(qū)動(dòng)電流，峰值輸出電流每通道可達(dá)到1.2A，其內(nèi)部還自帶著ESD 保護(hù)。且該模塊：性?xún)r(jià)比高，易于控制，且無(wú)需保護(hù)電路和二極管也無(wú)需散熱片。

表2 工作邏輯表

■1.3 水面漂浮物打撈系統(tǒng)

1.3.1 傳送動(dòng)力模塊

主要采用舵機(jī)，是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM 信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM 信號(hào)輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。

1.3.2 傳動(dòng)軸與固緊支架的結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)軸與固緊支架成框架式結(jié)構(gòu)，大部分是用尼龍透明樹(shù)脂材料加工而成，如圖8 所示。

圖8 傳動(dòng)軸與固定支架框架式結(jié)構(gòu)圖

1.3.3 安裝位置

采用是中置收集法，在船體中部安裝固定收集部分。其優(yōu)點(diǎn)是有較大的安裝選擇余地，收集設(shè)備的安裝和拆卸都比較方便。因此傳軸動(dòng)與固緊支架安裝在兩個(gè)獨(dú)立體和圖2的框架中空的部分。為了便于垃圾回收，支架安裝傾斜的角度呈30°角。

1.3.4 打撈裝置

主要采用傳送帶式聚集裝置。其外形與履帶類(lèi)似，材料選擇以減輕重量并防止生銹為主，采用3D 打印制作，模型效果如圖8 所示。傳送帶采用尼龍材料，首端浸入水面合適深度，并與水面構(gòu)成適當(dāng)?shù)膬A角，傳送帶上還設(shè)置了一些細(xì)小的顆粒狀無(wú)，增加傳送帶的摩擦力，以防止工作時(shí)垃圾從傳送帶上滾落。

舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸與傳送帶的主動(dòng)軸連接在一起，同時(shí)在其兩側(cè)安裝固定板。舵機(jī)工作時(shí)帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳送帶的牽拉帶動(dòng)從動(dòng)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)，將水域中垃圾撈起傳送至后方的垃圾筐中，筐的底部有多個(gè)小洞，可以濾掉附著在垃圾上的水。小衛(wèi)士可以一邊航行一邊收集垃圾，同時(shí)將垃圾輸送到存儲(chǔ)部分，不需要將船體停止航行后再對(duì)垃圾進(jìn)行處理，可以連續(xù)作業(yè)，保持較高的收集效率。

打撈裝置的安裝效果圖如圖9 所示。

圖9 傳送裝置的3D 圖

■1.4 水面視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由MCU 模塊、攝像頭模塊、TF 卡儲(chǔ)存模塊、Wi-Fi 模塊和電源模塊這五部分構(gòu)成，共同組成一個(gè)小型無(wú)線(xiàn)攝像頭。

MCU 模塊選用STM32F103ZET6 單片機(jī)，負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸；Wifi 模塊采用USR-C322，該模塊可以實(shí)現(xiàn)UART 轉(zhuǎn)Wi-Fi 雙向透?jìng)鞴δ?；攝像頭模塊采用OV7670圖像傳感器，其體積小、工作電壓低，通過(guò)SCCB 總線(xiàn)控制，可以輸出整幀、取窗口、子采樣方式的各種分辨率為8 位圖像數(shù)據(jù)。TF 卡儲(chǔ)存模塊采用Micro SD 卡模塊和一張4G的SD 卡組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存；電源由內(nèi)置可充電鋰電池提供。其結(jié)構(gòu)圖如圖10 所示。

圖10 視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

小衛(wèi)士工作時(shí)，工作人員將設(shè)計(jì)好的小型無(wú)線(xiàn)攝像頭安裝至船體前方，通過(guò)專(zhuān)用手機(jī)APP 進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，在岸邊即可通過(guò)手機(jī)觀察到無(wú)線(xiàn)攝像頭傳輸過(guò)來(lái)的的視頻圖像，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水域壞境，精確引導(dǎo)工作人員操作小衛(wèi)士抵達(dá)漂浮垃圾的所在地，進(jìn)而提高小衛(wèi)士的工作效率。

2 系統(tǒng)整體工作流程

打開(kāi)開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)小衛(wèi)士，連接小衛(wèi)士船上的無(wú)線(xiàn)高清攝像頭，通過(guò)手機(jī)觀察湖面上的垃圾的所在地方，向前推動(dòng)無(wú)線(xiàn)遙控器上的搖桿，小衛(wèi)士上的接收天線(xiàn)接收到遙控器發(fā)出的前進(jìn)信號(hào)，通過(guò)STC15W4K58S4 單片機(jī)進(jìn)行整合處理，小衛(wèi)士后方的兩個(gè)直流電開(kāi)始工作，推動(dòng)小衛(wèi)士前進(jìn)，若小衛(wèi)士前進(jìn)的路徑有障礙物，則可通過(guò)向左（右）推動(dòng)遙控器上的搖桿，使得小衛(wèi)士后方的直流電機(jī)左電機(jī)減速，右電機(jī)保持前進(jìn)的速度（左電機(jī)保持前進(jìn)的速度，右電機(jī)減速），做差速運(yùn)動(dòng)，從而規(guī)避障礙物。

當(dāng)小衛(wèi)士抵達(dá)湖面垃圾所在的位置，通過(guò)遙控器上設(shè)置好的按鍵，啟動(dòng)傳送帶上的直流減速電機(jī)帶動(dòng)傳送帶，水面漂浮垃圾就會(huì)被傳送到小衛(wèi)士上面的后半部分的專(zhuān)用垃圾艙內(nèi)。傳送帶傳送水面垃圾伴隨著船體的運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，增加了水面的清理效率，船艙儲(chǔ)存滿(mǎn)了之后，將垃圾運(yùn)送至岸上做進(jìn)一步處理。

小衛(wèi)士的工作流程圖如圖11 所示。

圖11 工作流程圖

3 總結(jié)

雖然所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件和軟件程序達(dá)到了預(yù)期的功能，但也取得了一定的成績(jī)。但從系統(tǒng)最終的功能需求來(lái)看，仍有一些方面有待改進(jìn)和深入研究：

（1）選用高性能51 單片機(jī)作為微控制器，其片上RAM 與現(xiàn)有的ARM 控制器相比有明顯的缺點(diǎn)。在以后的工作中，應(yīng)考慮采用主流的32 位ARM 控制器來(lái)提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和分析能力。

（2）本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)用到材料是為ABS 塑膠，在強(qiáng)度方面并不是最優(yōu)選擇，可以選擇金屬材質(zhì)來(lái)提高強(qiáng)度。

（3）雖然此次模擬實(shí)驗(yàn)成功了，但實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，仍需在實(shí)際環(huán)境下進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性。

（4）當(dāng)無(wú)線(xiàn)通信模塊相互傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以進(jìn)一步優(yōu)化它們的同步，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木取?/p>