袁斌華，高曉紅，張 彬，林宏燁

(隴東學院電氣工程學院，甘肅慶陽745000)

小型水面垃圾清理船的設計與實現(xiàn)

袁斌華，高曉紅，張 彬，林宏燁

(隴東學院電氣工程學院，甘肅慶陽745000)

基于STC12C5A60S2為主控制電路，使軟硬件相結合，通過控制動力模塊、清理模塊、傳輸模塊來實現(xiàn)清理垃圾、傳輸垃圾的功能；通過遙控模塊實現(xiàn)小型水面垃圾清理船的智能控制。經(jīng)實際測試，設計中的各組成部分協(xié)同工作實現(xiàn)小型水面清理船的智能便捷操作，達到節(jié)約人力資源、減輕勞動強度和高效節(jié)能環(huán)保的目的，且系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，具有一定的實用價值。

STC12C5A60S2；智能控制；動力模塊；清理模塊；遙控模塊

當前，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人們對生活質量要求的提高，各處小區(qū)、游樂場都建立了假山以及人工湖，水面垃圾清理問題也隨之而來。傳統(tǒng)水面清理為人工清理，效率低而且安全性不高，很多大型清理設施無法進行清理，為了實現(xiàn)對人工湖水面垃圾清理的機械化與自動化，創(chuàng)造出更好的環(huán)境，并且提高效率，降低安全隱患，因此設計出一款具有環(huán)保、高效、技術先進的環(huán)保型水面垃圾清理船，可同步完成水面垃圾等漂浮物的集攏、提升和儲運等作業(yè)，對營造綠色的生態(tài)環(huán)境有著重要的科學意義和良好的應用前景[1-5]。

正是在這種背景下，論文從實際出發(fā)，基于STC12C主控制電路并結合軟硬件，通過控制動力模塊、清理模塊、傳輸模塊和遙控模塊實現(xiàn)水面垃圾的清理和傳輸?shù)墓δ埽瑏磉_到清理船的智能控制，使之簡單輕便，美觀大方，增大承載容積和載荷能力的同時，降低本身重量，提高使用壽命，減少噪聲，使清理船更加人性化、自動化，更加方便人們的使用和適應時代的發(fā)展，對營造綠色的生存環(huán)境有著重要的意義與積極的作用。

1 方案的設計

圖1 總體方案設計框圖

系統(tǒng)以聚丙烯為船身主要材料，由空氣壓強將垃圾壓入船內(nèi)收集垃圾處更加方便，兩側的垃圾收集裝置使清理垃圾更加徹底，避免了垃圾的遺漏，提高了收集垃圾的效率。主要包含動力模塊、清理模塊、傳輸模塊、遙控模塊以及控制模塊。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 動力模塊的硬件設計

動力模塊包含太陽能電池(太陽能電池提供動力，既環(huán)保又高效)和蓄電池。太陽能作為一種新型清潔能源備受環(huán)保人士的推崇，但“月有陰晴圓缺，天有刮風下雨”，在沒有太陽時，蓄電池就可派上用場。直流電動機主要為清理裝置及在遙控工作狀態(tài)下的船提供動力；步進電機主要為清掃裝置提供動力。

此船采用三塊12V蓄電池來提供動力，以便裝置可以更長時間地工作?？刂齐姍C的轉動、轉速，以便更好地控制船的走動以及走向。船身整體采用快艇式結構，更加減小了船在水中的阻力，使船更加靈活。

2.1.2 清理模塊的硬件設計

清掃模塊由兩部分組成，第一部分主要為彎曲篩網(wǎng)、直篩網(wǎng)組成，篩網(wǎng)的底部與側面均有濾水孔，由過濾網(wǎng)和鐵絲網(wǎng)雙重保護，但網(wǎng)孔是長條形，不是網(wǎng)格型，過濾網(wǎng)與鐵絲網(wǎng)之間有一定的空隙，這樣，淺表水層水生物可以順著空隙游出，垃圾卻不能溢出，有效地保護了生態(tài)，收集垃圾的同時凈化了水體。收集輪設計采用仿形變翼偏心運動機構，帶動收集板進行伸縮集攏的回轉運動，增加了作業(yè)的有效幅寬，提高了工作效率，特別適用于湖面區(qū)域的清理作業(yè)。彎曲篩網(wǎng)固定在42步進電機/2相步進電機上，步進電機分為八步，可以360°旋轉，將水中的垃圾打撈起來。兩個直篩網(wǎng)分別固定在船的兩旁，由48步進電機帶動它轉動，因為步進電機用程序好控制它正反轉；第二部分利用風機的高速轉動將船體前端部分吹成真空，由空氣壓強將垃圾壓入船內(nèi)的垃圾收集裝置中[6-8]。

2.1.3 傳輸模塊的硬件設計

傳輸模塊對于船身的設計也是至關重要的，通過42步進電機的動力將垃圾打撈起來，當彎曲篩網(wǎng)順時針旋轉90°時，直篩網(wǎng)由48步進電機帶動旋轉180°至水平位置(船外面)，這時彎曲篩網(wǎng)再順時針旋轉45°，將垃圾傾倒在直篩網(wǎng)上面，然后彎曲篩網(wǎng)逆時針旋轉45°后，直篩網(wǎng)順時針旋轉180°，彎曲篩網(wǎng)繼續(xù)順時針轉動，將垃圾傾倒到垃圾收集箱中，彎曲篩網(wǎng)繼續(xù)順時針轉動，通過推送系統(tǒng)將垃圾推送到塑料袋中，此后的過程循環(huán)以上程序，就可實現(xiàn)垃圾的高效收集[9,10]。

2.1.4 遙控模塊的硬件設計

當在清潔過程中由人通過手機或者電腦對裝置進行遙控，此模塊主要由路由器、WiFi模塊及操作處理器組成，可以在20米距離內(nèi)進行遙控操作[11]。遙控發(fā)射器和信號接受器采用27MHz的無線電，其主要指令包括調(diào)速控制、方向控制以及各種清潔指令操控。

2.1.5 控制模塊的硬件設計

控制系統(tǒng)是清理船的核心，采用STC12C5A60S2STC12C片機為核心操控部件[12,13]，采用簡單易讀的C語言編程，使各個部件有條不紊地運行全依靠控制系統(tǒng)的合理操控，圖2為STC12C5A60S2引腳圖。

STC12C5A60S2/AD/PWN/系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期的單片機，一種低功耗、高性能的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWN，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。

圖2 STC12C5A60S2引腳圖

2.1.6 硬件電路設計原理圖

圖3為清理船的硬件設計原理圖，M1、M2為直流電機，給船提供動力，實現(xiàn)船的前進、轉彎。M3為42步進電機，給船兩旁的彎曲篩網(wǎng)提供動力，使之實現(xiàn)轉動，M4、M5為48步進電機，給船兩旁的直篩網(wǎng)提供動力，使之實現(xiàn)反轉。舵機1、舵機2的作用：針對水面垃圾相對水面的高度，通過WiFi模塊，在手機端改變風機吸管高度，便于收集各種垃圾[14]。由于風機在收集垃圾的同時，會有部分水進入風機內(nèi)，對此我們專門對風機進行設計，把風機的收集裝置分為上下兩部分，中間為過濾網(wǎng)，將垃圾儲放在上層，把吸進去的水過濾到下面，通過水泵工作把水抽到船外，減輕船的負重，提高收集效率。

圖3 硬件設計原理圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 系統(tǒng)軟件設計流程圖

檢查電路連接是否正確，然后接上電，發(fā)送數(shù)據(jù)，將WiFi模塊啟動，打開手機無線，連接之后檢查每個部分是否正常工作，排出故障之后，才可下水進行清理工作。根據(jù)現(xiàn)實中船的變速機構設計了控制方案，控制方案實現(xiàn)了船的三級調(diào)速、倒車和左右轉彎?？紤]到我們設計的是水面垃圾清理船，清理垃圾時速度不應過快，在不清理垃圾時快速行駛，所以我們設計了三級變速，即起步直行，加速和減速，左轉、右轉和倒車，這些工作由直流電機M1、M2實現(xiàn)。區(qū)域清掃包括篩網(wǎng)清理和風機針對垃圾清理，主要由步進電機M3、M4、M5完成。各電機之間相互協(xié)作，完成垃圾清理。

圖4 系統(tǒng)軟件總設計流程圖

2.2.2 設計總程序

#include

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uint URTAReceivedCount=0,n=1;

uchar data Tempdatatable[5],CommandDatatable[5];//數(shù)據(jù)包

uint pwm[]={1382,1380,1382,1382,1382,1382,1382,1382}; //初始90度,(實際是1382.4，取整得1382)

uchar pwm_flag=0;

uint code ms0_5Con=461; //0.5ms計數(shù)(實際是460.8，取整得461)461

uint code ms2_5Con=2304; //2.5ms計數(shù)2304

sbit servo0=P1^0; //舵機控制

sbit servo1=P1^1;

sbit servo2=P1^2;

sbit servo3=P1^3;

sbit servo4=P1^4;

sbit servo5=P1^5;

sbit servo6=P2^2;

sbit servo7=P2^3;

sbit ENB=P0^0;

sbit ENA=P0^1;

sbit LiftTwo=P0^2;

sbit LiftOne=P0^3;

sbit RightTwo=P0^4;

sbit RightOne=P0^5;

sbit WaterCannon=P2^7;

sbit Siren=P2^6;

sbit RopeUp=P0^7;

sbit RopeDown=P0^6;

sbit BucketUp=P1^7;

sbit BucketDown=P1^6;

sbit MCUTwoP21=P0^6;

sbit MCUTwoP20=P0^7;

sbit MCUTwoP23=P1^6;

sbit MCUTwoP22=P1^7;

sbit MCUTwoP25=P3^4;

sbit MCUTwoP24=P3^5; // 超聲波接口

sbit InfraredOne=P3^7;

sbit InfraredTwo=P3^6;

void Delay_1ms(uint i)//1ms延時函數(shù)

void Send_Data(uchar type,uchar cmd,uchar dat) //向上位機傳送字符函數(shù)

void Com_Int(void) interrupt 4 //串口中斷子函數(shù)

void Com_Init(void) //串口初始化

void Moto_Forward() //電機1、2啟動，都是前進，整車表現(xiàn)為前進。

void Moto_Backward() //電機1、2啟動，都是后退，整車表現(xiàn)為后退。

void Moto_TurnLeft() //左輪后退，右輪前進，整船表現(xiàn)為左轉。

void Moto_TurnRight() //左輪前進，右輪后退，整船表現(xiàn)為右轉。

void Moto_Stop() //左輪1停止，右輪2停止，整船表現(xiàn)為停止。

void SteeringGear() interrupt 1 //舵機控制函數(shù)

函數(shù)功能： 主函數(shù)：

void main()

{

BucketUp=0;

BucketDown=0;

Siren=0;

RopeUp=0;

RopeDown=0;

WaterCannon=0;

Moto_Stop();

ENA=0;

ENB=0;

Delay_1ms(6000);

Com_Init();//串口初始化

Timer0Init();//舵機PWM中斷初始化

while(1)

{

if(CommandDatatable[0]==0XFF && CommandDatatable[4]==0XFF)

{

switch (CommandDatatable[1])

{

case 0X00: //類型位0X00，表明是控制數(shù)據(jù)包，進入控制數(shù)據(jù)case

switch(CommandDatatable[2])

{

case 0X00:{Moto_Stop();ENA=0;ENB=0;}break;

case 0X01:{Moto_Backward();ENA=1;ENB=1;}break;

case 0X02:{Moto_Forward();ENA=1;ENB=1;}break;

case 0X03:{Moto_TurnLeft();ENA=1;ENB=1;}break;

case 0X04:{Moto_TurnRight();ENA=1;ENB=1;}break;

default : break;

}

break;

case 0X01: //類型位0X01，表明是舵機數(shù)據(jù)包，進入舵機case

switch(CommandDatatable[2])

{

case 0x01:SetSteeringGear(0,CommandDatatable[3]);break;

case 0x02:SetSteeringGear(1,CommandDatatable[3]);break;

case 0x03:SetSteeringGear(2,CommandDatatable[3]);break;

case 0x04:SetSteeringGear(3,CommandDatatable[3]);break;

case 0x05:SetSteeringGear(4,CommandDatatable[3]);break;

case 0x06:SetSteeringGear(5,CommandDatatable[3]);break;

case 0x07:SetSteeringGear(6,CommandDatatable[3]);break;

case 0x08:SetSteeringGear(7,CommandDatatable[3]);break;

default : break;

}

break;

case 0x09: //類型位0x09，表明是操作系統(tǒng)控制命令：

switch(CommandDatatable[2])

{

case 0x09:

switch(CommandDatatable[3])

{

case 0x00:WaterCannon=1;break;

case 0x01:WaterCannon=0;break;

case 0x02:Siren=1;break;

case 0x03:Siren=0;break;

case 0x04:{BucketUp=1;Delay_1ms(1000);BucketUp=0;CommandDatatable[3]=‘ ’;}break;

case 0x05:{BucketDown=1;Delay_1ms(1000);BucketDown=0;CommandDatatable[3]=‘ ’;}break;

case 0x07:{RopeUp=1;Delay_1ms(1000);RopeUp=0;CommandDatatable[3]=‘ ’;}break;

case 0x08:{RopeDown=1;Delay_1ms(1000);RopeDown=0;CommandDatatable[3]=‘ ’;}break;

default:break;

}

default :break;

}

break;

default : break;

}

}

if((InfraredOne==0)&&(CommandDatatable[1]==0x00)&&(CommandDatatable[2]==0x01))

{

Moto_Stop();

CommandDatatable[2]=0x00;

}

if((InfraredTwo==0)&&(CommandDatatable[1]==0x00)&&(CommandDatatable[2]==0x01))

{

Moto_Stop();

CommandDatatable[2]=0x00;

}

if((MCUTwoP24==1)&&(CommandDatatable[1]==0x00)&&(CommandDatatable[2]==0x02))

{

Moto_Stop();

CommandDatatable[2]=0x00;

}

}

}

3 結論

為了實現(xiàn)小型水面垃圾清理船的便捷操作和智能化，達到節(jié)約人力資源的目的，以STC12C5A60S2為控制核心的高效智能小型清理船，由動力模塊、清理模塊、傳輸模塊和遙控模塊組成，采用基于單片機的C程序，軟硬件相結合，各組成部分協(xié)同工作實現(xiàn)自己的功能，實現(xiàn)清理船的合理配置，達到高效節(jié)能環(huán)保效果，并且該系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。

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【責任編輯 朱世廣】

The Design and Realization of Small-sized Water-surface Garbage Cleaning Boat

YUAN Bin-hua, GAO Xiao-hong, ZHANG Bin, LIN Hong-ye

(CollegeofElectricalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

Based on STC12C5A60S2 as the main control circuit and the combination of software and hardware, through a control on power module, cleaning module and transmission module, the function of waste cleaning and transmission is realized. The intelligent control of the small-sized water-surface garbage cleaning boat is realized through remote control module. The test results indicate:the every component in the design can work together to realize the intelligent convenient operation of the small water-surface garbage cleaning boat, human resources-saving and reducing labor intensity and high performance energy conservation and environment protection can be realized. The system operates safely and stably, and thus has certain practical value.

STC12C5A60S2;intelligent control;power module;cleaning module;remote control module

1674-1730(2017)01-0024-06

2016-04-06

袁斌華(1986—)，男，甘肅平?jīng)鋈耍?，主要從事電子信息技術及電力系統(tǒng)及其自動化研究。

TM614

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