基于51單片機的遠程操控清潔船設計與控制系統

范汝健，莫澤生，莊宇業，楊國強，陳洪健，劉炯，廖志青

（華南理工大學廣州學院，廣東廣州510800）

基于51單片機的遠程操控清潔船設計與控制系統

范汝健，莫澤生，莊宇業，楊國強，陳洪健，劉炯，廖志青

（華南理工大學廣州學院，廣東廣州510800）

當前，治理污染水域已經得到了社會各方面的大力關注。隨著科技的進步和人們對自然環境保護要求的不斷提高，研究一種結構簡單、安全平穩、效率高的遠程操控清潔清潔船成為一大熱點。為了解決小型湖泊，河流等地區水面垃圾問題，實現在大型湖面的水面垃圾清掃效果，該清潔船在AT89C51單片機的基礎上，在功能中融合了無線遠程操控，智能識別目標，無線圖像傳輸，清潔自動化，遠程監控反饋等功能，且對湖水的水質無干擾與污染。目前主要針對水面漂浮物將其聚集、收攏、壓縮、運送、裝載，全過程無需人工，靠船體本身自動化完成任務，節約能源，不對環境造成污染

AT89C51單片機；清潔船；設計原理；控制系統

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

圖13 D設計構思圖與水中作業實物

1 主要技術指標

基于51單片機的遠程操控清潔船的基本參數如下表1所示。

表1 船體基本參數

清潔船主要的特點：

（1）打撈工作難度和勞動強度小，同時擁有效率高、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，經濟環保且適用于面積較小的水面區域實施打撈作業。

（3）發生的狀況可以實時顯示在手機上，

（4）智能識別目標、清潔自動化

2 總體結構

如圖2所示，該遠程操控清潔船增加無線控制系統，實現了清潔船的遠程操控，簡化了水面漂浮物清潔工作。通過無線操控系統設定它的前進方向，收集范圍擴展臂的擴展范圍以及打開滾筒的工作開關，就可以完成水面清潔任務。

圖2 船體設計圖

2.1 動力系統

圖3動力系統結構中，船體運動驅動部分由一個ET54水下電機組成，船體轉向部分由一個JX PDI-6221MG 20KG 180度金屬齒數碼舵機組成，輸送帶運動部分由一個減速電機組成，收集范圍擴展臂驅動部分由一個直線電機組成。

圖3 船體動力系統

2.2 收集系統

收集系統是由輸送帶帶以及收集箱組成，輸送帶的作用為：打撈系統實現的功能是將垃圾從水面撈進收集箱。打撈機構采用兩條不銹鋼鏈條，在鏈節上有固定板。左右固定板上連接有鋁板作為支撐板。

2.3 傳動系統

整個船的傳動系統由減速電機帶動傳送帶，其中舵機與水下電機是在同步帶輪中進行傳動，輸送帶的滾筒與減速電機是通過鏈條進行傳動，全程通過電力進行維持工作，由蓄電池提供原動力，有齒鏈條結合，保證每個部位傳送達到最高效率。

2.4 調節系統

船體轉向驅動中，直線電機與收集范圍擴展臂的傳動是通過連桿的方式實現的。當面對水面垃圾分布較散或較為集中的地區時，也考慮到船體的傳送帶的負載極限，可以進行人為操控進行適當調節擴展臂的范圍，達到收集的最佳效率。

2 控制系統設計

2.1 整個船控制方案

船用單片機為STM32F103，以此為操控系統，主要控制Nrf2401無線數字傳輸芯片，進行傳輸圖像和各類數據等信息，進行反饋給操作員。該船體控制方案是根據電機，減速器，發射器等模塊構成。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，在手機等指令發生器上發出清潔船的對應運動指令，對應的無線模塊會將信號進行轉換和傳遞，讓電機，減速器，發射器等相應機構作出對應指令動作。如當我們在遠處發出傳送帶運動命令時，無線模塊會將信號傳遞至51單片機控制板上，再由51單片機控制板控制傳送帶的運動電機上，使電機轉動，達到傳送帶運動的效果。當中的工作原理是人為操作信號發射器做出相應調整，無線模塊將信號傳遞到51單片機上，單片機根據信息做出相應處理。傳遞信號到電機，減速器等相應機構后，船運動做出相應更改，滿足不同情況下的需求，進行不同的實施方案。

船體控制以AT89C51單片機為主，部分用51單片機控制，結合不同需求。見圖4.

圖4 電機控制模塊

2 電機控制模塊

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

圖5 總電路圖

3 技術關鍵

由于51單片機不能夠驅動大電流電機所以需要外接驅動，本次用的是L298N大電流驅動，L298N是專用驅動集成電路，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。其輸出電流為2 A，最高電流4 A，最高工作電壓50 V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等等，特別是其輸入端可以與單片機直接相連，從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現電機的正轉和反轉，實現此功能只需要改變輸入端的邏輯電平。為了避免電機對單片機的干擾，本模塊加入光耦，進行光電隔離，從而使系統能夠穩定可靠的工作。

4 結束語

清潔船已經在華南理工大學廣州學院人工湖嘗試作業，清潔效果良好，水面漂浮垃圾如塑料等白色污染經清掃基本清除，項目達到預期目標，但需要改進收集裝置。

現如今水面垃圾大多數為塑料制品，水面大多都被“白色污染”占滿，對水質量有極大的污染。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，環境將無法負荷，而大家也將無法生存。該清潔船的設計簡便，體型小，適用于各個水域，所帶來的效益是無法估算的。

[1]李寶筏，農業機械學，中國農業出版社，2003.

[2]趙連恩.主編，高性能船舶水動力原理與設計，哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2001.

[3]魏立峰，單片機原理與應用技術，北京：北京大學出版社，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：1

1672-545X（2017）05-0298-02

2017-02-16

2017年“攀登計劃”廣東大學生科技創新培育專項資金助

范汝健（1995-），男，廣東人，本科，主要研究方向為機械工程及自動化技術。