水面垃圾清理机器的硬件电路设计

李尚龙 周子鹏 田孝文

摘要：

在治理当下水面垃圾过多的进程中，研发一款全自动、便捷高效的水面垃圾清理机器来取代传统的清理方式是刻不容缓的。而良好的电路系统又是水面垃圾清理机器的重要组成部分，保障了水面垃圾清理机器的运行稳定，为此笔者采用硬件电路设计的一般方法，即先了解设计需求，再进行原理图设计，最后绘制PCB，从而设计了以STM32为核心控制器的水面垃圾清理机器的电路系统。

关键词：

水面垃圾清理机器;硬件电路设计;STM32

中图分类号：

U674.247

文献标识码：

A

文章编号：

1672-9129（2020）15-0052-02

进入21世纪以来，我国水域垃圾污染问题日益严重。水域垃圾已经成了水体污染的重要来源，不仅影响了海洋江河湖泊的生态系统，危害到居民健康，还对景观造成了严重的损害[1]。目前水面垃圾传统的清理方式包括大型机械打捞以及人工打捞，前者打捞成本极高，而排放的烟尘还会造成二次污染，后者耗时耗力、效率低下，且存在一定的安全风险。因此研发一种自动且高效的水面垃圾清理机器来改变传统的打捞方式便显得尤为必要。硬件电路作为水面垃圾清理机器的核心部分，不仅确保机器的各个模块能稳定工作，同时可以较好地实行软件算法的效果。

本硬件电路是笔者按照已开发的水面垃圾清理机器的硬件系统，遵循电路设计的一般原则总结而来，可为水面垃圾清理机器的电路设计提供一定的参考。

1设计需求

水面垃圾清理机器如果要较好地完成水面垃圾清理，且整个过程实现全自动，其一般的外围功能模块应至少包含有定位模块、驱动模块、通讯模块、水质检测模块、温度模块以及避障模块。如下是笔者成功开发的水面垃圾清理机器所选用模块的电气参数。

①定位模块：RTK-MOUSEⅢ。

工作电压范围：4.5V～6.5V典型电压：5V

工作电流：2A（建议留出50%裕量）。

②驱动模块：无刷电子调速器。

工作电压范围：7.4V～11.1V典型电压：11.1V

输出电流：20A瞬时电流：25ABEC输出：5V/2A（类型为线性稳压）

③通讯模块：SIM800A（GSM/GPRS模块）

工作电压范围：5V～18V典型电压：9V

工作电流：1A

④避障模块：E18-D80NK避障漫反射式红外接近开关

工作电压范围：4.5V～5.5V典型电压：5V

工作电流：100mA

感应距离：80cm（可调）

⑤水质检测模块：TDS（水质总溶解性固体）传感器

工作电压范围：3.1V～3.6V典型电压：3.3V

工作电流：小于3mA

测量精度：5～50℃水温测量下为±0.5℃

⑥PH兼温度检测模块：温度信号由NTC10K热敏电阻采集

工作电压范围：4.8V～5.2V典型电压：5V

2原理图设计

如图1所示，其为硬件电路系统。通过上面的设计需求可以了解到除了大功率的无刷电子调速器直接由电池电压11.1V供电外，其它模块的输入电压都低于电池电压，所以需要DC-DC降压电路;同时为了程序的调试方便，还需要辅助电路。因此整个系统应主要由电源设计和辅助电路两部分组成。

2.1电源设计。低压差线性稳压器（LowDropoutRegulator，简称LDO）以其低成本、低噪声、高精度和简单的外围电路等特点广泛地应用于片上系统和高性能电源场景中[2]。从设计的简便与稳定性出发，本设计均采用低压差线性稳压模块（LDO）来实现电压的转换，以下列举了部分电源电路的设计与说明。

（1）11.1V（3S锂电池）转5V电路。

如图2所示，笔者选用低压差三端稳压芯片LM2940-5.0P+，其最大输入电压为26V，输出电压5V，当输入电压大于5.5V，输出电流为1A，且内含静态电流降低电路，转换效率较好。输入端外接47uF的无极性电容，用于滤除电源中的高频干扰信号;输出端的22uF极性钽电容用于提供一定的ESR。

如图3所示，笔者选用了应用广泛的正向低压降稳压器AMS117-3.3V，其输入电压范围为4.75V～10V，固定输出电压为3.3V，具有1%的精度，为了确保它的工作稳定性，输出端外界一个22uF的钽电容，输入端同时外接一个22uF极性电容与1uF的无极性电容，对上一级电源进行纹波滤除。

（2）核心控制器供電电路。

如图4所示，笔者选用了TI公司的超低压差LDO——TPS7333，其功耗较低，输出电流最大为500mA，且带复位输出，能较好地确保核心控制器的运行稳定。

（3）RTK-MOUSEⅢ供电电路。

如图5所示，笔者考虑到无刷电子调速器带有类型为线性稳压输出的BEC输出，且其输出也为5V/2A，因此利用它来给RTK-MOUSEⅢ来供电，经过实测效果良好。

2.2辅助电路设计。在常用的电路设计中，辅助电路一般有按键电路或拨码开关电路，在这里笔者采用四位拨码开关电路，在上电时控制器可读取与拨码开关相连引脚的电平，从而执行不同的功能程序段，这里的拨码开关共计有16种电平状态。另外为了能及时显示调试数据，笔者还选用了OLED液晶显示屏，可支持I2C与SPI。

（1）四位撥码开关电路。

如图6所示，其为四位拨码开关电路，拨码开关一端的引脚全部接地，另一端的引脚接到控制器的GPIO（设置为上拉输入的模式）上，同时接2千欧的上拉电阻，以将不确定的信号固定在高电平，防止状态读取错误。

（2）OLED液晶显示屏接口。笔者这里通过IO口模拟I2C进行数据的读写操作，如图7所示，其为OLED液晶显示屏接口，B6引脚作为SCL（串行时钟线），而B7作为SDA（串行数据线）。

3PCB设计

如图8所示，其为元器件的布局与布线，按照信号的走向，印制板左上端和右上端放置锂电池接线端子、线性稳压器，中下部放置核心控制器接口，同时尽量将电容布局在两者之间，避免干扰到核心控制器的工作，左下端和右下端放置避障模块接口、水质检测等模块。一般在分割电地平面区上跨接零欧姆贴片电阻[3]，因此无刷电子调速器、电池的地与RTK-MOUSEⅢ、水质检测等模块的地，通过0欧姆的电阻进行单点连接。

4结语

经过实践表明，将上述设计的电路系统应用于水面垃圾清理机器中，其运行过程中工作性能较为稳定，能较好地实现自动巡航、划定区域的清理以及水质检测等功能，且设计成本不高。但从中也发现了一定的问题，首先是电路的扩展性不高，一旦水面垃圾清理机器后续增加功能模块，那么整个电路系统又要重新设计;其次整个电路系统缺少电池电量检测电路的设计，这导致有时水面垃圾清理机器在运行过程中无法预警电量不足，从而不能回岸。

参考文献：

[1]王茜.水域垃圾污染治理研究[D].华中科技大学，2009..

[2]马亚东.具有快速瞬态响应的低压差线性稳压器的分析与设计[D].电子科技大学，2017.

[3]马军.零欧姆贴片电阻的应用技巧[J].家电检修技术，2013（07）：54.

作者简介：李尚龙（1998-），男，湖南衡阳人，吉首大学物理与机电工程学院电子信息科学与技术专业大四学生。

通信作者：田孝文（1983—），男，湖南凤凰人，吉首大学物理与机电工程学院讲师，硕士，主要从事无线通信和物联网技术研究。