水面垃圾清理機(jī)器的硬件電路設(shè)計(jì)

李尚龍 周子鵬 田孝文

摘要：

在治理當(dāng)下水面垃圾過(guò)多的進(jìn)程中，研發(fā)一款全自動(dòng)、便捷高效的水面垃圾清理機(jī)器來(lái)取代傳統(tǒng)的清理方式是刻不容緩的。而良好的電路系統(tǒng)又是水面垃圾清理機(jī)器的重要組成部分，保障了水面垃圾清理機(jī)器的運(yùn)行穩(wěn)定，為此筆者采用硬件電路設(shè)計(jì)的一般方法，即先了解設(shè)計(jì)需求，再進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，最后繪制PCB，從而設(shè)計(jì)了以STM32為核心控制器的水面垃圾清理機(jī)器的電路系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：

水面垃圾清理機(jī)器;硬件電路設(shè)計(jì);STM32

中圖分類號(hào)：

U674.247

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

A

文章編號(hào)：

1672-9129（2020）15-0052-02

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)水域垃圾污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。水域垃圾已經(jīng)成了水體污染的重要來(lái)源，不僅影響了海洋江河湖泊的生態(tài)系統(tǒng)，危害到居民健康，還對(duì)景觀造成了嚴(yán)重的損害[1]。目前水面垃圾傳統(tǒng)的清理方式包括大型機(jī)械打撈以及人工打撈，前者打撈成本極高，而排放的煙塵還會(huì)造成二次污染，后者耗時(shí)耗力、效率低下，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此研發(fā)一種自動(dòng)且高效的水面垃圾清理機(jī)器來(lái)改變傳統(tǒng)的打撈方式便顯得尤為必要。硬件電路作為水面垃圾清理機(jī)器的核心部分，不僅確保機(jī)器的各個(gè)模塊能穩(wěn)定工作，同時(shí)可以較好地實(shí)行軟件算法的效果。

本硬件電路是筆者按照已開發(fā)的水面垃圾清理機(jī)器的硬件系統(tǒng)，遵循電路設(shè)計(jì)的一般原則總結(jié)而來(lái)，可為水面垃圾清理機(jī)器的電路設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1設(shè)計(jì)需求

水面垃圾清理機(jī)器如果要較好地完成水面垃圾清理，且整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，其一般的外圍功能模塊應(yīng)至少包含有定位模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊、水質(zhì)檢測(cè)模塊、溫度模塊以及避障模塊。如下是筆者成功開發(fā)的水面垃圾清理機(jī)器所選用模塊的電氣參數(shù)。

①定位模塊：RTK-MOUSEⅢ。

工作電壓范圍：4.5V～6.5V典型電壓：5V

工作電流：2A（建議留出50%裕量）。

②驅(qū)動(dòng)模塊：無(wú)刷電子調(diào)速器。

工作電壓范圍：7.4V～11.1V典型電壓：11.1V

輸出電流：20A瞬時(shí)電流：25ABEC輸出：5V/2A（類型為線性穩(wěn)壓）

③通訊模塊：SIM800A（GSM/GPRS模塊）

工作電壓范圍：5V～18V典型電壓：9V

工作電流：1A

④避障模塊：E18-D80NK避障漫反射式紅外接近開關(guān)

工作電壓范圍：4.5V～5.5V典型電壓：5V

工作電流：100mA

感應(yīng)距離：80cm（可調(diào)）

⑤水質(zhì)檢測(cè)模塊：TDS（水質(zhì)總?cè)芙庑怨腆w）傳感器

工作電壓范圍：3.1V～3.6V典型電壓：3.3V

工作電流：小于3mA

測(cè)量精度：5～50℃水溫測(cè)量下為±0.5℃

⑥PH兼溫度檢測(cè)模塊：溫度信號(hào)由NTC10K熱敏電阻采集

工作電壓范圍：4.8V～5.2V典型電壓：5V

2原理圖設(shè)計(jì)

如圖1所示，其為硬件電路系統(tǒng)。通過(guò)上面的設(shè)計(jì)需求可以了解到除了大功率的無(wú)刷電子調(diào)速器直接由電池電壓11.1V供電外，其它模塊的輸入電壓都低于電池電壓，所以需要DC-DC降壓電路;同時(shí)為了程序的調(diào)試方便，還需要輔助電路。因此整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)主要由電源設(shè)計(jì)和輔助電路兩部分組成。

2.1電源設(shè)計(jì)。低壓差線性穩(wěn)壓器（LowDropoutRegulator，簡(jiǎn)稱LDO）以其低成本、低噪聲、高精度和簡(jiǎn)單的外圍電路等特點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于片上系統(tǒng)和高性能電源場(chǎng)景中[2]。從設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便與穩(wěn)定性出發(fā)，本設(shè)計(jì)均采用低壓差線性穩(wěn)壓模塊（LDO）來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，以下列舉了部分電源電路的設(shè)計(jì)與說(shuō)明。

（1）11.1V（3S鋰電池）轉(zhuǎn)5V電路。

如圖2所示，筆者選用低壓差三端穩(wěn)壓芯片LM2940-5.0P+，其最大輸入電壓為26V，輸出電壓5V，當(dāng)輸入電壓大于5.5V，輸出電流為1A，且內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路，轉(zhuǎn)換效率較好。輸入端外接47uF的無(wú)極性電容，用于濾除電源中的高頻干擾信號(hào);輸出端的22uF極性鉭電容用于提供一定的ESR。

如圖3所示，筆者選用了應(yīng)用廣泛的正向低壓降穩(wěn)壓器AMS117-3.3V，其輸入電壓范圍為4.75V～10V，固定輸出電壓為3.3V，具有1%的精度，為了確保它的工作穩(wěn)定性，輸出端外界一個(gè)22uF的鉭電容，輸入端同時(shí)外接一個(gè)22uF極性電容與1uF的無(wú)極性電容，對(duì)上一級(jí)電源進(jìn)行紋波濾除。

（2）核心控制器供電電路。

如圖4所示，筆者選用了TI公司的超低壓差LDO——TPS7333，其功耗較低，輸出電流最大為500mA，且?guī)?fù)位輸出，能較好地確保核心控制器的運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）RTK-MOUSEⅢ供電電路。

如圖5所示，筆者考慮到無(wú)刷電子調(diào)速器帶有類型為線性穩(wěn)壓輸出的BEC輸出，且其輸出也為5V/2A，因此利用它來(lái)給RTK-MOUSEⅢ來(lái)供電，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)效果良好。

2.2輔助電路設(shè)計(jì)。在常用的電路設(shè)計(jì)中，輔助電路一般有按鍵電路或撥碼開關(guān)電路，在這里筆者采用四位撥碼開關(guān)電路，在上電時(shí)控制器可讀取與撥碼開關(guān)相連引腳的電平，從而執(zhí)行不同的功能程序段，這里的撥碼開關(guān)共計(jì)有16種電平狀態(tài)。另外為了能及時(shí)顯示調(diào)試數(shù)據(jù)，筆者還選用了OLED液晶顯示屏，可支持I2C與SPI。

（1）四位撥碼開關(guān)電路。

如圖6所示，其為四位撥碼開關(guān)電路，撥碼開關(guān)一端的引腳全部接地，另一端的引腳接到控制器的GPIO（設(shè)置為上拉輸入的模式）上，同時(shí)接2千歐的上拉電阻，以將不確定的信號(hào)固定在高電平，防止?fàn)顟B(tài)讀取錯(cuò)誤。

（2）OLED液晶顯示屏接口。筆者這里通過(guò)IO口模擬I2C進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，如圖7所示，其為OLED液晶顯示屏接口，B6引腳作為SCL（串行時(shí)鐘線），而B7作為SDA（串行數(shù)據(jù)線）。

3PCB設(shè)計(jì)

如圖8所示，其為元器件的布局與布線，按照信號(hào)的走向，印制板左上端和右上端放置鋰電池接線端子、線性穩(wěn)壓器，中下部放置核心控制器接口，同時(shí)盡量將電容布局在兩者之間，避免干擾到核心控制器的工作，左下端和右下端放置避障模塊接口、水質(zhì)檢測(cè)等模塊。一般在分割電地平面區(qū)上跨接零歐姆貼片電阻[3]，因此無(wú)刷電子調(diào)速器、電池的地與RTK-MOUSEⅢ、水質(zhì)檢測(cè)等模塊的地，通過(guò)0歐姆的電阻進(jìn)行單點(diǎn)連接。

4結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明，將上述設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)應(yīng)用于水面垃圾清理機(jī)器中，其運(yùn)行過(guò)程中工作性能較為穩(wěn)定，能較好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航、劃定區(qū)域的清理以及水質(zhì)檢測(cè)等功能，且設(shè)計(jì)成本不高。但從中也發(fā)現(xiàn)了一定的問(wèn)題，首先是電路的擴(kuò)展性不高，一旦水面垃圾清理機(jī)器后續(xù)增加功能模塊，那么整個(gè)電路系統(tǒng)又要重新設(shè)計(jì);其次整個(gè)電路系統(tǒng)缺少電池電量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致有時(shí)水面垃圾清理機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法預(yù)警電量不足，從而不能回岸。

參考文獻(xiàn)：

[1]王茜.水域垃圾污染治理研究[D].華中科技大學(xué)，2009..

[2]馬亞?wèn)|.具有快速瞬態(tài)響應(yīng)的低壓差線性穩(wěn)壓器的分析與設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2017.

[3]馬軍.零歐姆貼片電阻的應(yīng)用技巧[J].家電檢修技術(shù)，2013（07）：54.

作者簡(jiǎn)介：李尚龍（1998-），男，湖南衡陽(yáng)人，吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大四學(xué)生。

通信作者：田孝文（1983—），男，湖南鳳凰人，吉首大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院講師，碩士，主要從事無(wú)線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究。