基于STC單片機的水上清道夫

西北民族大學電氣工程學院 黃 冰

基于STC單片機的水上清道夫

西北民族大學電氣工程學院 黃 冰

【摘要】本文介紹了基于STC89C52單片機的水上垃圾清理船。利用定時器中斷模擬PWM輸出以及串口藍牙發送接收數據等，設計出一套水上清理垃圾裝置。本裝置環保、節能、高效、設計簡單、成本低及適應性廣。僅需對現有船進行簡單改裝即可實現自動清理。與現有的人工清理方法相比，節約人力資源，減低成本，節約能源，結構簡單，易于大規模推廣。

【關鍵詞】串口通信；模擬PWM；數據處理

1 引言

近幾年隨著經濟的快速發展，人們生活質量不斷提高，然而忽視了對環境的保護，這就使得環境日益惡劣，帶來了各種各樣的環境問題，如湖泊、河流中隨處可見的垃圾等。各種污染物會通過不同的渠道進入江河，導致河面的漂浮物越來越多。潮起潮落時，河面的棄置物或水草等也會流入其它的水面、港灣，污染物的集結造成水面污染，影響市容衛生，甚至阻礙航道。但是我國現在打撈力量與垃圾數量的矛盾十分突出，大部分湖泊河流僅靠人工打撈漂浮物，但這種作業方式勞動強度較大，工作環境惡劣，安全性很差，效率低下，無法及時達到保潔的要求。經濟效益預測著隨我國城市化的加快，垃圾的產量會迅速增長。因此本設計是為水上漂浮垃圾清理而設計，可有效利用現有船舶資源，結構簡單。若大規模推廣，不僅對我國廢棄垃圾回收清理有很大益處，還可產生較大的社會經濟效益。

2 系統方案

2.1 系統硬件總體設計

基于STC單片機的智能船，以STC89C52單片機為核心，實現對串口單元模塊、藍牙模塊、電機驅動模塊、舵機和機械臂的控制，使用藍牙模塊進行界面化操作和串口通信的編程，初步形成硬件和軟件結合為一體的綜合水上垃圾清理裝置。

2.2 系統硬件模塊的設計

2.2.1 主控單元

本設計采用STC89C52單片機，它是STC公司生產的一種功耗較低、具有高性能的CMOS8位微控制器。他還有8K可編程Flash存儲器，8K字節Flash，512字節RAM，4組8位I/O口總線（P0、P1、P2和P3），另外還有看門狗定時器、MAX810復位電路、2個16 位定時器/計數器、4個外部中斷和全雙工串行口。

2.2.2 動力系統

動力系統由蓄電池和推進裝置。鑒于該作品設計的目的是研制一種具有環保、高效、技術先進的環保型水面垃圾打撈船，故選用蓄電池作動力源。蓄電池在這次設計中有兩方面的作用，一方面是帶動便攜式船用推進器（電機），以實現船在水中的行駛和轉向；另一方面是驅動電機，進而帶動垃圾輸送裝置，以實現垃圾的輸送。推進裝置是船舶上提供推力的工具（槳），它的作用是將電機動力裝置提供的動力轉換成流體推力，推進船舶。

2.2.3 垃圾清理系統

垃圾收集系統主要由垃圾抓取爪和垃圾倉組成，垃圾倉材料選用硬塑料，以減輕重量并達到防腐蝕的效果。同時，當垃圾倉收集滿時，工作人員可將倉體拎出，而不用將整個船體搬上岸，達到方便的效果。抓取爪由爪和舵機組成，當垃圾進入傳送系統工作范圍時，由舵機控制爪部，將垃圾抓入爪中，再將其送至船末的垃圾倉內，完成垃圾清理。

2.2.4 供電系統

整個硬件系統采用模塊式供電方案，分為3.3V、5V和6V。其中3.3V和5V給系統板和各種傳感器供電，6V給舵機供電。本次系統采用三端穩壓芯片LM1117、LM2940和7806作為穩壓芯片，其中LM2940穩壓輸出接到LM1117輸入引腳以穩3.3V電壓。注意，本次設計的舵機較多，如果穩壓發燙，可添加多個7806穩壓電路分別給舵機供電，各個穩壓模塊均要共地。

3 模塊設計方案

3.1 系統的軟件設計

首先分別對藍牙、串口、定時器和舵機進行初始化，然后通過操控者在遠處觀察到水面有垃圾后，通過遙控器控制船槳使小船移動，遙控器按下1號按鍵時，小船前進；按下2時左轉；按下3時右轉；按下4時停止；按下5時，進入舵機工作模式，舵機帶動機械臂自動將垃圾撿起放入指定的垃圾筐內。舵機帶動機械臂有兩個工作模式，一是待命模式，二是工作狀態模式。當接收到控制指令時，進入工作狀態模式一次后待命，開機默認為待命狀態。

3.2 部分軟件設計說明

3.2.1 PWM輸出控制舵機

由于沒有硬件PWM通道，故而本次設計采用軟件模擬PWM輸出，即利用定時器中斷控制引腳電平模擬輸出。舵機的周期和占空比設置為：周期20ms，高電平持續時間為0.5ms到2.5ms。由于此精度較高，因此設置定時器初始值要大，這樣定時時間才會變小。利用定時器中斷計數進行周期控制和PWM占空比控制。

程序燒寫成功后將模擬輸出引腳接入到示波器中，觀察示波器中的幅值。起初，PWM波形非常完整，但是將舵機的數據線接到該引腳時，幅值為零。這說明，該引腳的驅動能力不強，需要加上拉電阻增強驅動能力。再次測試，PWM波形恢復，舵機成功被控制。

3.2.2 按鍵控制方式

控制端共有6個按鍵，除了前文出現的5個控制按鍵外，另設一個復位按鍵。按鍵共有兩個狀態，按下和釋放。分別對每個按鍵進行模塊化編程，產生連個函數，Keypress（）和keyrelease（）函數。當按鍵按下時，進入第一個函數內，串口發送控制指令，一旦按鍵松開時，進入另一個函數中，停止當前動作。例如，當按下1號按鍵時，船體前進，松開按鍵時船體停止當前運動狀態。這里為每個按鍵設置兩個狀態標志位，即按下狀態標志位和釋放狀態標志，利用它們可以方便調用函數以控制小船的運動狀態。

3.2.3 數據發送接受處理

由于本設計使用藍牙串口發送和接受數據，因此，數據量不能太大，故而把六個控制數據存放在一個字節當中，即每次控制端發送8位數據，低五位存放小車運動狀態控制位和機械臂的工作模式控制位，最高位存放復位控制指令。指令識別方法有兩種，第一種是先將接收到的指令進行編碼，當船體接收到控制數據時，與提前設置的編碼進行匹配校對，根據匹配結果執行相應的動作，如果控制數據在編碼范圍外，則保持當前狀態；第二種是將接收到的數據的每一位提取出來，將每一位的數值賦到控制函數的形參當中。但由于處理時間有限，而且要及時對控制端做出反應，因此本設計采用第一種識別指令方法。

4 功能實現

進行船體各個部分的整體研究設計，通過控制舵機的轉動，可以使機械臂做出抓取、移動等動作。通過遙控器發射信號使接收器接收信號，然后由主控控制機械臂做相應的動作。通過遙控器控制船體的前進、后退和垃圾收集系統，通過按下遙控器上的“前進”、“停止”、“左轉”、“右轉”鍵，打撈船相應作出前進、停止前進、左轉彎、右轉彎的動作。當操作者發現前方有垃圾時，將打撈船移動至垃圾正前方，然后按下“清理”鍵，機械臂自動抓取垃圾，并移動到船體后方，將垃圾放入垃圾筐中，完成打撈。

5 總結

本設計提出了一種基于STC9C52單片機的水上清理船的研究，該設計采用了模塊化的設計理念，將整個系統分為四個大模塊，具有節能環保、遠程控制、控制方便、安全實用、應用前景廣泛等優勢，區別于傳統的人工打撈。在一定程度上能提高打撈效率，達到及時保潔的效果。

參考文獻

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