范汝健，莫澤生，莊宇業(yè)，楊國強(qiáng)，陳洪健，劉炯，廖志青

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州510800）

基于51單片機(jī)的遠(yuǎn)程操控清潔船設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)

范汝健，莫澤生，莊宇業(yè)，楊國強(qiáng)，陳洪健，劉炯，廖志青

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州510800）

當(dāng)前，治理污染水域已經(jīng)得到了社會(huì)各方面的大力關(guān)注。隨著科技的進(jìn)步和人們對自然環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，研究一種結(jié)構(gòu)簡單、安全平穩(wěn)、效率高的遠(yuǎn)程操控清潔清潔船成為一大熱點(diǎn)。為了解決小型湖泊，河流等地區(qū)水面垃圾問題，實(shí)現(xiàn)在大型湖面的水面垃圾清掃效果，該清潔船在AT89C51單片機(jī)的基礎(chǔ)上，在功能中融合了無線遠(yuǎn)程操控，智能識(shí)別目標(biāo)，無線圖像傳輸，清潔自動(dòng)化，遠(yuǎn)程監(jiān)控反饋等功能，且對湖水的水質(zhì)無干擾與污染。目前主要針對水面漂浮物將其聚集、收攏、壓縮、運(yùn)送、裝載，全過程無需人工，靠船體本身自動(dòng)化完成任務(wù)，節(jié)約能源，不對環(huán)境造成污染

AT89C51單片機(jī)；清潔船；設(shè)計(jì)原理；控制系統(tǒng)

目前我國存在大型海面垃圾清掃工具，且清掃效果明顯，對水面質(zhì)量有較大改善，但由于船體體積較大且大多為石油提供動(dòng)力，所以無法清掃面積較小的湖泊，小溪且對自我調(diào)節(jié)能力低的湖泊水質(zhì)有一點(diǎn)干擾，根據(jù)這種情況生產(chǎn)適用于面積較小的水面且能源清潔的智能清潔小船。該遠(yuǎn)程操控水面漂浮物清潔船增加了無線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了清潔船的遠(yuǎn)程操控，簡化了水面漂浮物清潔工作。通過無線操控系統(tǒng)設(shè)定它的前進(jìn)方向，收集范圍擴(kuò)展臂的擴(kuò)展范圍以及控制滾筒的工作開關(guān)，以完成水面清潔工作。見圖1.

圖13 D設(shè)計(jì)構(gòu)思圖與水中作業(yè)實(shí)物

1 主要技術(shù)指標(biāo)

基于51單片機(jī)的遠(yuǎn)程操控清潔船的基本參數(shù)如下表1所示。

表1 船體基本參數(shù)

清潔船主要的特點(diǎn)：

（1）打撈工作難度和勞動(dòng)強(qiáng)度小，同時(shí)擁有效率高、安全隱患小等有利因素。

（2）無需依賴人力和人工駕駛方式。體積小，經(jīng)濟(jì)環(huán)保且適用于面積較小的水面區(qū)域?qū)嵤┐驌谱鳂I(yè)。

（3）發(fā)生的狀況可以實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)上，

（4）智能識(shí)別目標(biāo)、清潔自動(dòng)化

2 總體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該遠(yuǎn)程操控清潔船增加無線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了清潔船的遠(yuǎn)程操控，簡化了水面漂浮物清潔工作。通過無線操控系統(tǒng)設(shè)定它的前進(jìn)方向，收集范圍擴(kuò)展臂的擴(kuò)展范圍以及打開滾筒的工作開關(guān)，就可以完成水面清潔任務(wù)。

圖2 船體設(shè)計(jì)圖

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

圖3動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，船體運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分由一個(gè)ET54水下電機(jī)組成，船體轉(zhuǎn)向部分由一個(gè)JX PDI-6221MG 20KG 180度金屬齒數(shù)碼舵機(jī)組成，輸送帶運(yùn)動(dòng)部分由一個(gè)減速電機(jī)組成，收集范圍擴(kuò)展臂驅(qū)動(dòng)部分由一個(gè)直線電機(jī)組成。

圖3 船體動(dòng)力系統(tǒng)

2.2 收集系統(tǒng)

收集系統(tǒng)是由輸送帶帶以及收集箱組成，輸送帶的作用為：打撈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是將垃圾從水面撈進(jìn)收集箱。打撈機(jī)構(gòu)采用兩條不銹鋼鏈條，在鏈節(jié)上有固定板。左右固定板上連接有鋁板作為支撐板。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

整個(gè)船的傳動(dòng)系統(tǒng)由減速電機(jī)帶動(dòng)傳送帶，其中舵機(jī)與水下電機(jī)是在同步帶輪中進(jìn)行傳動(dòng)，輸送帶的滾筒與減速電機(jī)是通過鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，全程通過電力進(jìn)行維持工作，由蓄電池提供原動(dòng)力，有齒鏈條結(jié)合，保證每個(gè)部位傳送達(dá)到最高效率。

2.4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)

船體轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)中，直線電機(jī)與收集范圍擴(kuò)展臂的傳動(dòng)是通過連桿的方式實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)面對水面垃圾分布較散或較為集中的地區(qū)時(shí)，也考慮到船體的傳送帶的負(fù)載極限，可以進(jìn)行人為操控進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)擴(kuò)展臂的范圍，達(dá)到收集的最佳效率。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整個(gè)船控制方案

船用單片機(jī)為STM32F103，以此為操控系統(tǒng)，主要控制Nrf2401無線數(shù)字傳輸芯片，進(jìn)行傳輸圖像和各類數(shù)據(jù)等信息，進(jìn)行反饋給操作員。該船體控制方案是根據(jù)電機(jī)，減速器，發(fā)射器等模塊構(gòu)成。通信方式由信息傳輸方式由兩端采用半雙工方式通信，通過無線控制控制模塊，在手機(jī)等指令發(fā)生器上發(fā)出清潔船的對應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令，對應(yīng)的無線模塊會(huì)將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳遞，讓電機(jī)，減速器，發(fā)射器等相應(yīng)機(jī)構(gòu)作出對應(yīng)指令動(dòng)作。如當(dāng)我們在遠(yuǎn)處發(fā)出傳送帶運(yùn)動(dòng)命令時(shí)，無線模塊會(huì)將信號(hào)傳遞至51單片機(jī)控制板上，再由51單片機(jī)控制板控制傳送帶的運(yùn)動(dòng)電機(jī)上，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到傳送帶運(yùn)動(dòng)的效果。當(dāng)中的工作原理是人為操作信號(hào)發(fā)射器做出相應(yīng)調(diào)整，無線模塊將信號(hào)傳遞到51單片機(jī)上，單片機(jī)根據(jù)信息做出相應(yīng)處理。傳遞信號(hào)到電機(jī)，減速器等相應(yīng)機(jī)構(gòu)后，船運(yùn)動(dòng)做出相應(yīng)更改，滿足不同情況下的需求，進(jìn)行不同的實(shí)施方案。

船體控制以AT89C51單片機(jī)為主，部分用51單片機(jī)控制，結(jié)合不同需求。見圖4.

圖4 電機(jī)控制模塊

2 電機(jī)控制模塊

圖5為總電路圖，控制芯片的作用主要是與L289相連接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，以及與八位數(shù)碼顯。AT89C51是一種帶4K自己FLASH存儲(chǔ)器的低壓、高性能CMOS8為微處理器。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失真存儲(chǔ)制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出關(guān)鍵相兼容。由于將多功能8位CPU和閃存組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，所以AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性奧高且廉價(jià)的方案。

圖5 總電路圖

3 技術(shù)關(guān)鍵

由于51單片機(jī)不能夠驅(qū)動(dòng)大電流電機(jī)所以需要外接驅(qū)動(dòng)，本次用的是L298N大電流驅(qū)動(dòng)，L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是起輸出電流增大，功率增強(qiáng)。其輸出電流為2 A，最高電流4 A，最高工作電壓50 V，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相連，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制步進(jìn)電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需要改變輸入端的邏輯電平。為了避免電機(jī)對單片機(jī)的干擾，本模塊加入光耦，進(jìn)行光電隔離，從而使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的工作。

4 結(jié)束語

清潔船已經(jīng)在華南理工大學(xué)廣州學(xué)院人工湖嘗試作業(yè)，清潔效果良好，水面漂浮垃圾如塑料等白色污染經(jīng)清掃基本清除，項(xiàng)目達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但需要改進(jìn)收集裝置。

現(xiàn)如今水面垃圾大多數(shù)為塑料制品，水面大多都被“白色污染”占滿，對水質(zhì)量有極大的污染。我們所消耗的每一片塑料，都有可能流入江河湖。如果再不采取措施，環(huán)境將無法負(fù)荷，而大家也將無法生存。該清潔船的設(shè)計(jì)簡便，體型小，適用于各個(gè)水域，所帶來的效益是無法估算的。

[1]李寶筏，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)，中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[2]趙連恩.主編，高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)，哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

[3]魏立峰，單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)，北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[4]何偉文，淺談水面垃圾清掃船，廣東：廣東造船，1998.

The Design and Application of Remote Control Cleaner Based on 51 Single-Chip Microcomputer

FAN Ru-jian，MO Ze-sheng，ZHUANG Yu-ye，YANG Guo-qiang，CHEN Hong-jian，LIU Jiong，LIAO Zhi-qing
（Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510800，China）

For the realization of the function，based on AT89C51 single-chip the cleaning ship is an integration of the ship，communications，automation，robot control，remote monitoring，network systems and other technologies to achieve the independent navigation，intelligent obstacle avoidance，long-distance communications，real-time video transmission and network Monitoring and other functions.At present，the technology is mainly used for gathering，assembling，compressing，transporting and loading of the floating objects on the surface.The whole process will complete automatically without labor by the hull itself，which is able to conserve energy and produce no pollution to the environment.

AT85C51 single-chip microcomputer；cleaning ship；design principle；control system

TN911

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0298-02

2017-02-16

2017年“攀登計(jì)劃”廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金助

范汝健（1995-），男，廣東人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化技術(shù)。