西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 黃 冰

基于STC單片機(jī)的水上清道夫

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 黃 冰

【摘要】本文介紹了基于STC89C52單片機(jī)的水上垃圾清理船。利用定時(shí)器中斷模擬PWM輸出以及串口藍(lán)牙發(fā)送接收數(shù)據(jù)等，設(shè)計(jì)出一套水上清理垃圾裝置。本裝置環(huán)保、節(jié)能、高效、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低及適應(yīng)性廣。僅需對(duì)現(xiàn)有船進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理。與現(xiàn)有的人工清理方法相比，節(jié)約人力資源，減低成本，節(jié)約能源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模推廣。

【關(guān)鍵詞】串口通信；模擬PWM；數(shù)據(jù)處理

1 引言

近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，然而忽視了對(duì)環(huán)境的保護(hù)，這就使得環(huán)境日益惡劣，帶來(lái)了各種各樣的環(huán)境問(wèn)題，如湖泊、河流中隨處可見(jiàn)的垃圾等。各種污染物會(huì)通過(guò)不同的渠道進(jìn)入江河，導(dǎo)致河面的漂浮物越來(lái)越多。潮起潮落時(shí)，河面的棄置物或水草等也會(huì)流入其它的水面、港灣，污染物的集結(jié)造成水面污染，影響市容衛(wèi)生，甚至阻礙航道。但是我國(guó)現(xiàn)在打撈力量與垃圾數(shù)量的矛盾十分突出，大部分湖泊河流僅靠人工打撈漂浮物，但這種作業(yè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作環(huán)境惡劣，安全性很差，效率低下，無(wú)法及時(shí)達(dá)到保潔的要求。經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)著隨我國(guó)城市化的加快，垃圾的產(chǎn)量會(huì)迅速增長(zhǎng)。因此本設(shè)計(jì)是為水上漂浮垃圾清理而設(shè)計(jì)，可有效利用現(xiàn)有船舶資源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。若大規(guī)模推廣，不僅對(duì)我國(guó)廢棄垃圾回收清理有很大益處，還可產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

基于STC單片機(jī)的智能船，以STC89C52單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)串口單元模塊、藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)和機(jī)械臂的控制，使用藍(lán)牙模塊進(jìn)行界面化操作和串口通信的編程，初步形成硬件和軟件結(jié)合為一體的綜合水上垃圾清理裝置。

2.2 系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì)

2.2.1 主控單元

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)，它是STC公司生產(chǎn)的一種功耗較低、具有高性能的CMOS8位微控制器。他還有8K可編程Flash存儲(chǔ)器，8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，4組8位I/O口總線（P0、P1、P2和P3），另外還有看門(mén)狗定時(shí)器、MAX810復(fù)位電路、2個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)外部中斷和全雙工串行口。

2.2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)由蓄電池和推進(jìn)裝置。鑒于該作品設(shè)計(jì)的目的是研制一種具有環(huán)保、高效、技術(shù)先進(jìn)的環(huán)保型水面垃圾打撈船，故選用蓄電池作動(dòng)力源。蓄電池在這次設(shè)計(jì)中有兩方面的作用，一方面是帶動(dòng)便攜式船用推進(jìn)器（電機(jī)），以實(shí)現(xiàn)船在水中的行駛和轉(zhuǎn)向；另一方面是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)垃圾輸送裝置，以實(shí)現(xiàn)垃圾的輸送。推進(jìn)裝置是船舶上提供推力的工具（槳），它的作用是將電機(jī)動(dòng)力裝置提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成流體推力，推進(jìn)船舶。

2.2.3 垃圾清理系統(tǒng)

垃圾收集系統(tǒng)主要由垃圾抓取爪和垃圾倉(cāng)組成，垃圾倉(cāng)材料選用硬塑料，以減輕重量并達(dá)到防腐蝕的效果。同時(shí)，當(dāng)垃圾倉(cāng)收集滿時(shí)，工作人員可將倉(cāng)體拎出，而不用將整個(gè)船體搬上岸，達(dá)到方便的效果。抓取爪由爪和舵機(jī)組成，當(dāng)垃圾進(jìn)入傳送系統(tǒng)工作范圍時(shí)，由舵機(jī)控制爪部，將垃圾抓入爪中，再將其送至船末的垃圾倉(cāng)內(nèi)，完成垃圾清理。

2.2.4 供電系統(tǒng)

整個(gè)硬件系統(tǒng)采用模塊式供電方案，分為3.3V、5V和6V。其中3.3V和5V給系統(tǒng)板和各種傳感器供電，6V給舵機(jī)供電。本次系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓芯片LM1117、LM2940和7806作為穩(wěn)壓芯片，其中LM2940穩(wěn)壓輸出接到LM1117輸入引腳以穩(wěn)3.3V電壓。注意，本次設(shè)計(jì)的舵機(jī)較多，如果穩(wěn)壓發(fā)燙，可添加多個(gè)7806穩(wěn)壓電路分別給舵機(jī)供電，各個(gè)穩(wěn)壓模塊均要共地。

3 模塊設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

首先分別對(duì)藍(lán)牙、串口、定時(shí)器和舵機(jī)進(jìn)行初始化，然后通過(guò)操控者在遠(yuǎn)處觀察到水面有垃圾后，通過(guò)遙控器控制船槳使小船移動(dòng)，遙控器按下1號(hào)按鍵時(shí)，小船前進(jìn)；按下2時(shí)左轉(zhuǎn)；按下3時(shí)右轉(zhuǎn)；按下4時(shí)停止；按下5時(shí)，進(jìn)入舵機(jī)工作模式，舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂自動(dòng)將垃圾撿起放入指定的垃圾筐內(nèi)。舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械臂有兩個(gè)工作模式，一是待命模式，二是工作狀態(tài)模式。當(dāng)接收到控制指令時(shí)，進(jìn)入工作狀態(tài)模式一次后待命，開(kāi)機(jī)默認(rèn)為待命狀態(tài)。

3.2 部分軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明

3.2.1 PWM輸出控制舵機(jī)

由于沒(méi)有硬件PWM通道，故而本次設(shè)計(jì)采用軟件模擬PWM輸出，即利用定時(shí)器中斷控制引腳電平模擬輸出。舵機(jī)的周期和占空比設(shè)置為：周期20ms，高電平持續(xù)時(shí)間為0.5ms到2.5ms。由于此精度較高，因此設(shè)置定時(shí)器初始值要大，這樣定時(shí)時(shí)間才會(huì)變小。利用定時(shí)器中斷計(jì)數(shù)進(jìn)行周期控制和PWM占空比控制。

程序燒寫(xiě)成功后將模擬輸出引腳接入到示波器中，觀察示波器中的幅值。起初，PWM波形非常完整，但是將舵機(jī)的數(shù)據(jù)線接到該引腳時(shí)，幅值為零。這說(shuō)明，該引腳的驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)，需要加上拉電阻增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。再次測(cè)試，PWM波形恢復(fù)，舵機(jī)成功被控制。

3.2.2 按鍵控制方式

控制端共有6個(gè)按鍵，除了前文出現(xiàn)的5個(gè)控制按鍵外，另設(shè)一個(gè)復(fù)位按鍵。按鍵共有兩個(gè)狀態(tài)，按下和釋放。分別對(duì)每個(gè)按鍵進(jìn)行模塊化編程，產(chǎn)生連個(gè)函數(shù)，Keypress（）和keyrelease（）函數(shù)。當(dāng)按鍵按下時(shí)，進(jìn)入第一個(gè)函數(shù)內(nèi)，串口發(fā)送控制指令，一旦按鍵松開(kāi)時(shí)，進(jìn)入另一個(gè)函數(shù)中，停止當(dāng)前動(dòng)作。例如，當(dāng)按下1號(hào)按鍵時(shí)，船體前進(jìn)，松開(kāi)按鍵時(shí)船體停止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這里為每個(gè)按鍵設(shè)置兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位，即按下?tīng)顟B(tài)標(biāo)志位和釋放狀態(tài)標(biāo)志，利用它們可以方便調(diào)用函數(shù)以控制小船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送接受處理

由于本設(shè)計(jì)使用藍(lán)牙串口發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)量不能太大，故而把六個(gè)控制數(shù)據(jù)存放在一個(gè)字節(jié)當(dāng)中，即每次控制端發(fā)送8位數(shù)據(jù)，低五位存放小車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制位和機(jī)械臂的工作模式控制位，最高位存放復(fù)位控制指令。指令識(shí)別方法有兩種，第一種是先將接收到的指令進(jìn)行編碼，當(dāng)船體接收到控制數(shù)據(jù)時(shí)，與提前設(shè)置的編碼進(jìn)行匹配校對(duì)，根據(jù)匹配結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如果控制數(shù)據(jù)在編碼范圍外，則保持當(dāng)前狀態(tài)；第二種是將接收到的數(shù)據(jù)的每一位提取出來(lái)，將每一位的數(shù)值賦到控制函數(shù)的形參當(dāng)中。但由于處理時(shí)間有限，而且要及時(shí)對(duì)控制端做出反應(yīng)，因此本設(shè)計(jì)采用第一種識(shí)別指令方法。

4 功能實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行船體各個(gè)部分的整體研究設(shè)計(jì)，通過(guò)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使機(jī)械臂做出抓取、移動(dòng)等動(dòng)作。通過(guò)遙控器發(fā)射信號(hào)使接收器接收信號(hào)，然后由主控控制機(jī)械臂做相應(yīng)的動(dòng)作。通過(guò)遙控器控制船體的前進(jìn)、后退和垃圾收集系統(tǒng)，通過(guò)按下遙控器上的“前進(jìn)”、“停止”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”鍵，打撈船相應(yīng)作出前進(jìn)、停止前進(jìn)、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作。當(dāng)操作者發(fā)現(xiàn)前方有垃圾時(shí)，將打撈船移動(dòng)至垃圾正前方，然后按下“清理”鍵，機(jī)械臂自動(dòng)抓取垃圾，并移動(dòng)到船體后方，將垃圾放入垃圾筐中，完成打撈。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)提出了一種基于STC9C52單片機(jī)的水上清理船的研究，該設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，將整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)大模塊，具有節(jié)能環(huán)保、遠(yuǎn)程控制、控制方便、安全實(shí)用、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)勢(shì)，區(qū)別于傳統(tǒng)的人工打撈。在一定程度上能提高打撈效率，達(dá)到及時(shí)保潔的效果。

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