基于STC 單片機的水面清潔智能小衛士模型的設計

吳海都，楊德興，盧東泳，江鵬杰，高煜登，熊銀茍

（廣州工商學院，廣東廣州，510800）

0 前言

當前，治理觀賞性水域已經得到了社會各界的廣大關注。隨著科技的進步和人們對自然環境保護意識和要求的不斷提高，研制出一種結構簡單、安全平穩、節能高效的遠程操控清潔工具已成為一大熱點。為了解決小型景區湖泊水面垃圾問題，以STC15W4K58S4 單片機為核心，融合了無線遠程操控，無線圖像傳輸，傳送帶式捕獲垃圾等功能，設計出這樣一款清理裝置模型—小衛士。

目前，小衛士主要針對水面漂浮物將其收集、運送、裝載，全過程只需人在湖邊遙控小衛士，就可做到定點回收湖面上的垃圾，且其工作不對環境造成污染。

1 小衛士系統主要結構組成

小衛士主要由船體、電氣控制系統、水面漂浮物打撈系統、水面視頻監測系統四個部分組成。

■1.1 船體介紹

船體設計：小衛士采用雙體船設計。該船型具有兩個分開的獨立體，每個獨立體均設計成下尖型，使船頭形成一個W 型如圖1 所示，其作用可以起到減少小衛士前進時的水流阻力，也使得水線面的橫向慣性矩增加，由于細長的船體橫搖時回復力矩小，很容易左右搖晃，但是雙體船分為左右兩個獨立體，下尖型船底的設計又使得船體的重心上移，二者合一使得小衛士的復原力矩很大、穩性極好、穩性儲備比單體船大2～4 倍、抗風力強[1]。雙體船的設計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。獨立體的上方是一個回字形的塑料殼如圖2 所示，用來存放小衛士的電源模塊和控制電路。

圖1 船體的結構圖

圖2

表1 船體性能參數

■1.2 電氣控制系統

電氣控制系統由電源模塊，MCU 模塊，紅外接收模塊和驅動模塊這四部分組成。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能電池板，為小衛士供電。整個系統的供電以可充電鋰電池電為主，以太陽能電池板發電補充電能為輔的系統。本系統采用單晶硅太陽能電池板吸收太陽光轉換成電能，其轉換效率比其他類型的太陽能電池板更高，并且使用壽命也較長，可以大大提高太陽光的有效利用率和系統的穩定性。如果白天有陽光，就可以用太陽能發電同時給蓄電池充電，到天黑時蓄電池放電，減少用市電補充能量的部分。在我國大部分地區，全年基本上都有三分之二以上的晴朗天氣，這樣該系統全年就有三分之二以上的時間用太陽能，剩余時間用市電補充能量，能夠有著顯著的節能減排效果，達到設計環保的初衷。小衛士系統供電設計流程圖如圖4 所示。

圖4 系統供電設計流程圖

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位電路，內部時鐘在5MHz～30MHz 可設，可工作的寬電壓為2.5～5.5V。其具有超強的抗干擾能力、運行速度快、低功耗、成本低等優點。且該單片還內置了穩壓模塊，使得在小衛士在電源供給的穩定性有了極大的保障。

1.2.3 無線數據傳輸模塊

目前，無線數據的傳輸，常見的有兩種方案。方案一：較近距離的使用紅外線傳輸；方案二：較遠距離的采用射頻傳輸。針對小衛士的工作范圍，本設計采用方案二。

射頻傳輸包括數據發射電路和數據接收電路。

數據發射電路由按鍵，編碼芯片PT2262，315MHz 無線數據發射模塊等構成，基于這個發射電路制成一個六路無線遙控器。數據發射端的工作頻率為315MHz，采用聲表諧振器SAW 穩頻，其頻率穩定度僅次于晶體，超過一般的LC振蕩器，并且聲表振蕩器的諧振損耗僅 1～2dB[2]。

數據發射電路的工作流程圖如圖5 所示。通過觸發遙控器上的按鍵發出信號，該信號經過PT2262 編碼器輸出一個由地址碼、數據碼、同步碼組成的一個完整碼字，再到315MHz 無線數據發射模塊進行調幅、功率放大，最后將已調信號通過天線輻射出去。

圖5 數據發射電路流程圖

數據接收電路由315MHz 無線數據接收模塊和譯碼芯片PT2272 構成。315MHz 無線數據接收模塊有超再生式接收模塊和超外差式接收模塊兩種，考慮到小衛士的工作環境不是非常惡劣，為了降低成本采用315M 超再生接收模塊。該接收模塊具有結構簡單、低成本、低功耗等優點。

數據接收電路的工作流程圖如圖6 所示。當315MHz超再生接收模塊上的天線接收到無線遙控器發出的信號后，對該信號進行功率放大后送至譯碼器PT2272 進行譯碼，其地址碼要經過兩次比較核對，若結果一致，則VT 腳才輸出高電平，同時，相應的數據腳也輸出高電平送至單片機進行下一步處理。

圖6 數據接收電路流程圖

本設計將315MHz 無線數據發射模塊和PT2262 編碼器集成在一塊，該六路無線遙控電路圖如圖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 驅動模塊

驅動模塊采用L293D 電機驅動拓展板。L293D 是一塊雙H 橋驅動芯片，可同時驅動2 路直流電機，并可實現電機的正轉與反轉，實現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600mA 的雙向驅動電流，峰值輸出電流每通道可達到1.2A，其內部還自帶著ESD 保護。且該模塊：性價比高，易于控制，且無需保護電路和二極管也無需散熱片。

表2 工作邏輯表

■1.3 水面漂浮物打撈系統

1.3.1 傳送動力模塊

主要采用舵機，是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。其優點是用單片機作為舵機的控制單元，使PWM 信號的脈沖寬度實現微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為PWM 信號輸出到舵機，由于單片機系統是一個數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個系統工作可靠。

1.3.2 傳動軸與固緊支架的結構

傳動軸與固緊支架成框架式結構，大部分是用尼龍透明樹脂材料加工而成，如圖8 所示。

圖8 傳動軸與固定支架框架式結構圖

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。其優點是有較大的安裝選擇余地，收集設備的安裝和拆卸都比較方便。因此傳軸動與固緊支架安裝在兩個獨立體和圖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，并與水面構成適當的傾角，傳送帶上還設置了一些細小的顆粒狀無，增加傳送帶的摩擦力，以防止工作時垃圾從傳送帶上滾落。

舵機的轉軸與傳送帶的主動軸連接在一起，同時在其兩側安裝固定板。舵機工作時帶動主動軸轉動，通過傳送帶的牽拉帶動從動軸一同轉動，將水域中垃圾撈起傳送至后方的垃圾筐中，筐的底部有多個小洞，可以濾掉附著在垃圾上的水。小衛士可以一邊航行一邊收集垃圾，同時將垃圾輸送到存儲部分，不需要將船體停止航行后再對垃圾進行處理，可以連續作業，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 水面視頻監測系統

監測系統由MCU 模塊、攝像頭模塊、TF 卡儲存模塊、Wi-Fi 模塊和電源模塊這五部分構成，共同組成一個小型無線攝像頭。

MCU 模塊選用STM32F103ZET6 單片機，負責視頻數據的采集與傳輸；Wifi 模塊采用USR-C322，該模塊可以實現UART 轉Wi-Fi 雙向透傳功能；攝像頭模塊采用OV7670圖像傳感器，其體積小、工作電壓低，通過SCCB 總線控制，可以輸出整幀、取窗口、子采樣方式的各種分辨率為8 位圖像數據。TF 卡儲存模塊采用Micro SD 卡模塊和一張4G的SD 卡組成，實現數據的儲存；電源由內置可充電鋰電池提供。其結構圖如圖10 所示。

圖10 視頻監測系統結構圖

小衛士工作時，工作人員將設計好的小型無線攝像頭安裝至船體前方，通過專用手機APP 進行無線連接，在岸邊即可通過手機觀察到無線攝像頭傳輸過來的的視頻圖像，實現遠程監測水域壞境，精確引導工作人員操作小衛士抵達漂浮垃圾的所在地，進而提高小衛士的工作效率。

2 系統整體工作流程

打開開關，啟動小衛士，連接小衛士船上的無線高清攝像頭，通過手機觀察湖面上的垃圾的所在地方，向前推動無線遙控器上的搖桿，小衛士上的接收天線接收到遙控器發出的前進信號，通過STC15W4K58S4 單片機進行整合處理，小衛士后方的兩個直流電開始工作，推動小衛士前進，若小衛士前進的路徑有障礙物，則可通過向左（右）推動遙控器上的搖桿，使得小衛士后方的直流電機左電機減速，右電機保持前進的速度（左電機保持前進的速度，右電機減速），做差速運動，從而規避障礙物。

當小衛士抵達湖面垃圾所在的位置，通過遙控器上設置好的按鍵，啟動傳送帶上的直流減速電機帶動傳送帶，水面漂浮垃圾就會被傳送到小衛士上面的后半部分的專用垃圾艙內。傳送帶傳送水面垃圾伴隨著船體的運動同時進行，增加了水面的清理效率，船艙儲存滿了之后，將垃圾運送至岸上做進一步處理。

小衛士的工作流程圖如圖11 所示。

圖11 工作流程圖

3 總結

雖然所設計的系統硬件和軟件程序達到了預期的功能，但也取得了一定的成績。但從系統最終的功能需求來看，仍有一些方面有待改進和深入研究：

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

（2）本設計所設計用到材料是為ABS 塑膠，在強度方面并不是最優選擇，可以選擇金屬材質來提高強度。

（3）雖然此次模擬實驗成功了，但實際運行環境復雜多變，仍需在實際環境下進行進一步的實驗，以驗證實驗結果的穩定性。

（4）當無線通信模塊相互傳輸數據時，可以進一步優化它們的同步，提高數據傳輸的精度。