小型水面垃圾清理船的设计与实现

袁斌华，高晓红，张 彬，林宏烨

(陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000)

小型水面垃圾清理船的设计与实现

袁斌华，高晓红，张 彬，林宏烨

(陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000)

基于STC12C5A60S2为主控制电路，使软硬件相结合，通过控制动力模块、清理模块、传输模块来实现清理垃圾、传输垃圾的功能；通过遥控模块实现小型水面垃圾清理船的智能控制。经实际测试，设计中的各组成部分协同工作实现小型水面清理船的智能便捷操作，达到节约人力资源、减轻劳动强度和高效节能环保的目的，且系统安全、稳定，具有一定的实用价值。

STC12C5A60S2；智能控制；动力模块；清理模块；遥控模块

当前，随着我国经济的发展和人们对生活质量要求的提高，各处小区、游乐场都建立了假山以及人工湖，水面垃圾清理问题也随之而来。传统水面清理为人工清理，效率低而且安全性不高，很多大型清理设施无法进行清理，为了实现对人工湖水面垃圾清理的机械化与自动化，创造出更好的环境，并且提高效率，降低安全隐患，因此设计出一款具有环保、高效、技术先进的环保型水面垃圾清理船，可同步完成水面垃圾等漂浮物的集拢、提升和储运等作业，对营造绿色的生态环境有着重要的科学意义和良好的应用前景[1-5]。

正是在这种背景下，论文从实际出发，基于STC12C主控制电路并结合软硬件，通过控制动力模块、清理模块、传输模块和遥控模块实现水面垃圾的清理和传输的功能，来达到清理船的智能控制，使之简单轻便，美观大方，增大承载容积和载荷能力的同时，降低本身重量，提高使用寿命，减少噪声，使清理船更加人性化、自动化，更加方便人们的使用和适应时代的发展，对营造绿色的生存环境有着重要的意义与积极的作用。

1 方案的设计

图1 总体方案设计框图

系统以聚丙烯为船身主要材料，由空气压强将垃圾压入船内收集垃圾处更加方便，两侧的垃圾收集装置使清理垃圾更加彻底，避免了垃圾的遗漏，提高了收集垃圾的效率。主要包含动力模块、清理模块、传输模块、遥控模块以及控制模块。

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 动力模块的硬件设计

动力模块包含太阳能电池(太阳能电池提供动力，既环保又高效)和蓄电池。太阳能作为一种新型清洁能源备受环保人士的推崇，但“月有阴晴圆缺，天有刮风下雨”，在没有太阳时，蓄电池就可派上用场。直流电动机主要为清理装置及在遥控工作状态下的船提供动力；步进电机主要为清扫装置提供动力。

此船采用三块12V蓄电池来提供动力，以便装置可以更长时间地工作。控制电机的转动、转速，以便更好地控制船的走动以及走向。船身整体采用快艇式结构，更加减小了船在水中的阻力，使船更加灵活。

2.1.2 清理模块的硬件设计

清扫模块由两部分组成，第一部分主要为弯曲筛网、直筛网组成，筛网的底部与侧面均有滤水孔，由过滤网和铁丝网双重保护，但网孔是长条形，不是网格型，过滤网与铁丝网之间有一定的空隙，这样，浅表水层水生物可以顺着空隙游出，垃圾却不能溢出，有效地保护了生态，收集垃圾的同时净化了水体。收集轮设计采用仿形变翼偏心运动机构，带动收集板进行伸缩集拢的回转运动，增加了作业的有效幅宽，提高了工作效率，特别适用于湖面区域的清理作业。弯曲筛网固定在42步进电机/2相步进电机上，步进电机分为八步，可以360°旋转，将水中的垃圾打捞起来。两个直筛网分别固定在船的两旁，由48步进电机带动它转动，因为步进电机用程序好控制它正反转；第二部分利用风机的高速转动将船体前端部分吹成真空，由空气压强将垃圾压入船内的垃圾收集装置中[6-8]。

2.1.3 传输模块的硬件设计

传输模块对于船身的设计也是至关重要的，通过42步进电机的动力将垃圾打捞起来，当弯曲筛网顺时针旋转90°时，直筛网由48步进电机带动旋转180°至水平位置(船外面)，这时弯曲筛网再顺时针旋转45°，将垃圾倾倒在直筛网上面，然后弯曲筛网逆时针旋转45°后，直筛网顺时针旋转180°，弯曲筛网继续顺时针转动，将垃圾倾倒到垃圾收集箱中，弯曲筛网继续顺时针转动，通过推送系统将垃圾推送到塑料袋中，此后的过程循环以上程序，就可实现垃圾的高效收集[9,10]。

2.1.4 遥控模块的硬件设计

当在清洁过程中由人通过手机或者电脑对装置进行遥控，此模块主要由路由器、WiFi模块及操作处理器组成，可以在20米距离内进行遥控操作[11]。遥控发射器和信号接受器采用27MHz的无线电，其主要指令包括调速控制、方向控制以及各种清洁指令操控。

2.1.5 控制模块的硬件设计

控制系统是清理船的核心，采用STC12C5A60S2STC12C片机为核心操控部件[12,13]，采用简单易读的C语言编程，使各个部件有条不紊地运行全依靠控制系统的合理操控，图2为STC12C5A60S2引脚图。

STC12C5A60S2/AD/PWN/系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，一种低功耗、高性能的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWN，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

图2 STC12C5A60S2引脚图

2.1.6 硬件电路设计原理图

图3为清理船的硬件设计原理图，M1、M2为直流电机，给船提供动力，实现船的前进、转弯。M3为42步进电机，给船两旁的弯曲筛网提供动力，使之实现转动，M4、M5为48步进电机，给船两旁的直筛网提供动力，使之实现反转。舵机1、舵机2的作用：针对水面垃圾相对水面的高度，通过WiFi模块，在手机端改变风机吸管高度，便于收集各种垃圾[14]。由于风机在收集垃圾的同时，会有部分水进入风机内，对此我们专门对风机进行设计，把风机的收集装置分为上下两部分，中间为过滤网，将垃圾储放在上层，把吸进去的水过滤到下面，通过水泵工作把水抽到船外，减轻船的负重，提高收集效率。

图3 硬件设计原理图

2.2 系统软件设计

2.2.1 系统软件设计流程图

检查电路连接是否正确，然后接上电，发送数据，将WiFi模块启动，打开手机无线，连接之后检查每个部分是否正常工作，排出故障之后，才可下水进行清理工作。根据现实中船的变速机构设计了控制方案，控制方案实现了船的三级调速、倒车和左右转弯。考虑到我们设计的是水面垃圾清理船，清理垃圾时速度不应过快，在不清理垃圾时快速行驶，所以我们设计了三级变速，即起步直行，加速和减速，左转、右转和倒车，这些工作由直流电机M1、M2实现。区域清扫包括筛网清理和风机针对垃圾清理，主要由步进电机M3、M4、M5完成。各电机之间相互协作，完成垃圾清理。

图4 系统软件总设计流程图

2.2.2 设计总程序

#include

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uint URTAReceivedCount=0,n=1;

uchar data Tempdatatable[5],CommandDatatable[5];//数据包

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

uchar pwm_flag=0;

uint code ms0_5Con=461; //0.5ms计数(实际是460.8，取整得461)461

uint code ms2_5Con=2304; //2.5ms计数2304

sbit servo0=P1^0; //舵机控制

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; // 超声波接口

sbit InfraredOne=P3^7;

sbit InfraredTwo=P3^6;

void Delay_1ms(uint i)//1ms延时函数

void Send_Data(uchar type,uchar cmd,uchar dat) //向上位机传送字符函数

void Com_Int(void) interrupt 4 //串口中断子函数

void Com_Init(void) //串口初始化

void Moto_Forward() //电机1、2启动，都是前进，整车表现为前进。

void Moto_Backward() //电机1、2启动，都是后退，整车表现为后退。

void Moto_TurnLeft() //左轮后退，右轮前进，整船表现为左转。

void Moto_TurnRight() //左轮前进，右轮后退，整船表现为右转。

void Moto_Stop() //左轮1停止，右轮2停止，整船表现为停止。

void SteeringGear() interrupt 1 //舵机控制函数

函数功能： 主函数：

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();//舵机PWM中断初始化

while(1)

{

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

{

switch (CommandDatatable[1])

{

case 0X00: //类型位0X00，表明是控制数据包，进入控制数据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: //类型位0X01，表明是舵机数据包，进入舵机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: //类型位0x09，表明是操作系统控制命令：

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 结论

为了实现小型水面垃圾清理船的便捷操作和智能化，达到节约人力资源的目的，以STC12C5A60S2为控制核心的高效智能小型清理船，由动力模块、清理模块、传输模块和遥控模块组成，采用基于单片机的C程序，软硬件相结合，各组成部分协同工作实现自己的功能，实现清理船的合理配置，达到高效节能环保效果，并且该系统稳定、安全。

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【责任编辑 朱世广】

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

袁斌华(1986—)，男，甘肃平凉人，助教，主要从事电子信息技术及电力系统及其自动化研究。

TM614

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