水面垃圾清理機器的硬件電路設計

李尚龍 周子鵬 田孝文

摘要：

在治理當下水面垃圾過多的進程中，研發一款全自動、便捷高效的水面垃圾清理機器來取代傳統的清理方式是刻不容緩的。而良好的電路系統又是水面垃圾清理機器的重要組成部分，保障了水面垃圾清理機器的運行穩定，為此筆者采用硬件電路設計的一般方法，即先了解設計需求，再進行原理圖設計，最后繪制PCB，從而設計了以STM32為核心控制器的水面垃圾清理機器的電路系統。

關鍵詞：

水面垃圾清理機器;硬件電路設計;STM32

中圖分類號：

U674.247

文獻標識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0052-02

進入21世紀以來，我國水域垃圾污染問題日益嚴重。水域垃圾已經成了水體污染的重要來源，不僅影響了海洋江河湖泊的生態系統，危害到居民健康，還對景觀造成了嚴重的損害[1]。目前水面垃圾傳統的清理方式包括大型機械打撈以及人工打撈，前者打撈成本極高，而排放的煙塵還會造成二次污染，后者耗時耗力、效率低下，且存在一定的安全風險。因此研發一種自動且高效的水面垃圾清理機器來改變傳統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器的核心部分，不僅確保機器的各個模塊能穩定工作，同時可以較好地實行軟件算法的效果。

本硬件電路是筆者按照已開發的水面垃圾清理機器的硬件系統，遵循電路設計的一般原則總結而來，可為水面垃圾清理機器的電路設計提供一定的參考。

1設計需求

水面垃圾清理機器如果要較好地完成水面垃圾清理，且整個過程實現全自動，其一般的外圍功能模塊應至少包含有定位模塊、驅動模塊、通訊模塊、水質檢測模塊、溫度模塊以及避障模塊。如下是筆者成功開發的水面垃圾清理機器所選用模塊的電氣參數。

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驅動模塊：無刷電子調速器。

工作電壓范圍：7.4V～11.1V典型電壓：11.1V

輸出電流：20A瞬時電流：25ABEC輸出：5V/2A（類型為線性穩壓）

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

工作電壓范圍：4.5V～5.5V典型電壓：5V

工作電流：100mA

感應距離：80cm（可調）

⑤水質檢測模塊：TDS（水質總溶解性固體）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

測量精度：5～50℃水溫測量下為±0.5℃

⑥PH兼溫度檢測模塊：溫度信號由NTC10K熱敏電阻采集

工作電壓范圍：4.8V～5.2V典型電壓：5V

2原理圖設計

如圖1所示，其為硬件電路系統。通過上面的設計需求可以了解到除了大功率的無刷電子調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;同時為了程序的調試方便，還需要輔助電路。因此整個系統應主要由電源設計和輔助電路兩部分組成。

2.1電源設計。低壓差線性穩壓器（LowDropoutRegulator，簡稱LDO）以其低成本、低噪聲、高精度和簡單的外圍電路等特點廣泛地應用于片上系統和高性能電源場景中[2]。從設計的簡便與穩定性出發，本設計均采用低壓差線性穩壓模塊（LDO）來實現電壓的轉換，以下列舉了部分電源電路的設計與說明。

（1）11.1V（3S鋰電池）轉5V電路。

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

如圖3所示，筆者選用了應用廣泛的正向低壓降穩壓器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定性，輸出端外界一個22uF的鉭電容，輸入端同時外接一個22uF極性電容與1uF的無極性電容，對上一級電源進行紋波濾除。

（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，且帶復位輸出，能較好地確保核心控制器的運行穩定。

（3）RTK-MOUSEⅢ供電電路。

如圖5所示，筆者考慮到無刷電子調速器帶有類型為線性穩壓輸出的BEC輸出，且其輸出也為5V/2A，因此利用它來給RTK-MOUSEⅢ來供電，經過實測效果良好。

2.2輔助電路設計。在常用的電路設計中，輔助電路一般有按鍵電路或撥碼開關電路，在這里筆者采用四位撥碼開關電路，在上電時控制器可讀取與撥碼開關相連引腳的電平，從而執行不同的功能程序段，這里的撥碼開關共計有16種電平狀態。另外為了能及時顯示調試數據，筆者還選用了OLED液晶顯示屏，可支持I2C與SPI。

（1）四位撥碼開關電路。

如圖6所示，其為四位撥碼開關電路，撥碼開關一端的引腳全部接地，另一端的引腳接到控制器的GPIO（設置為上拉輸入的模式）上，同時接2千歐的上拉電阻，以將不確定的信號固定在高電平，防止狀態讀取錯誤。

（2）OLED液晶顯示屏接口。筆者這里通過IO口模擬I2C進行數據的讀寫操作，如圖7所示，其為OLED液晶顯示屏接口，B6引腳作為SCL（串行時鐘線），而B7作為SDA（串行數據線）。

3PCB設計

如圖8所示，其為元器件的布局與布線，按照信號的走向，印制板左上端和右上端放置鋰電池接線端子、線性穩壓器，中下部放置核心控制器接口，同時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、水質檢測等模塊。一般在分割電地平面區上跨接零歐姆貼片電阻[3]，因此無刷電子調速器、電池的地與RTK-MOUSEⅢ、水質檢測等模塊的地，通過0歐姆的電阻進行單點連接。

4結語

經過實踐表明，將上述設計的電路系統應用于水面垃圾清理機器中，其運行過程中工作性能較為穩定，能較好地實現自動巡航、劃定區域的清理以及水質檢測等功能，且設計成本不高。但從中也發現了一定的問題，首先是電路的擴展性不高，一旦水面垃圾清理機器后續增加功能模塊，那么整個電路系統又要重新設計;其次整個電路系統缺少電池電量檢測電路的設計，這導致有時水面垃圾清理機器在運行過程中無法預警電量不足，從而不能回岸。

參考文獻：

[1]王茜.水域垃圾污染治理研究[D].華中科技大學，2009..

[2]馬亞東.具有快速瞬態響應的低壓差線性穩壓器的分析與設計[D].電子科技大學，2017.

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

作者簡介：李尚龍（1998-），男，湖南衡陽人，吉首大學物理與機電工程學院電子信息科學與技術專業大四學生。

通信作者：田孝文（1983—），男，湖南鳳凰人，吉首大學物理與機電工程學院講師，碩士，主要從事無線通信和物聯網技術研究。