基于STM32 的水面漂浮物清理系統

張 可, 劉忠富, 付 秒, 蔡玉卿

(大連民族大學 信息與通信工程學院, 遼寧 大連116600)

0 引 言

隨著科技的發展,智能技術已經廣泛應用到了各個領域。 一些領域甚至可以代替人工生產工作。水面漂浮物的污染一直是一個難以消除的大問題,人工清理要花費很長的時間,有很多小型區域和危險區域難以清理,成本較高,工作難度和風險也很大。 近年來,國內外的科研人員針對水面污染問題做了很多嘗試,研制出了各種水面清理裝置來代替人工打撈,很大程度上增強了效率,降低了風險。

本文設計了一款基于STM32 的水面漂浮物清理系統,可以檢測垃圾收集狀態,并通過無線通信模塊接收信息和控制系統運行。 可以代替人工到達一些不能到達的區域進行清理,操作簡單,可以遠程控制。

1 系統方案設計

本系統采用STM32F407ZGT6 作為主控芯片,利用SX1278 無線通信模塊進行雙向通信,當紅外傳感器檢測到垃圾即將溢出時,通信模塊將相應的信息發送并打印到PC 端,PC 端也可通過發送相應的信息給單片機,控制各部分的運行。 系統使用一對電調和電機,電調驅動電機作為系統的動力裝置。電調控制有兩種方式,分別為主控芯片控制和遙控器輔助控制,兩種方式均可控制兩個電機的差速旋轉,改變系統運行的方向［1］。 系統方案設計如圖1所示。

圖1 系統總體方案圖Fig. 1 Overall scheme diagram of the system

2 系統硬件電路設計

2.1 單片機最小系統

系統采用 STM32F407ZGT6 為控制核心。STM32F407ZGT6 是一款32 位微處理器,主頻高達168 MHz,具有豐富的通用I／O 端口及多個USART通訊口,具有卓越的計算性能,可以滿足較復雜的系統設計需求。

2.2 電源穩壓電路

由于電路中需要用到12 V、5 V、3.3 V 的電源,因此系統采用12 V 的鋰電池供電,使用兩個MP1584EN 可調穩壓模塊,使12 V 電壓降到5 V,再將5 V 電壓降到3.3 V。 電路輸入電壓在4.5 V-28 V之間,輸出電壓可達0.8 V-20 V 之間,最大輸出電流為3 A,可以滿足各模塊的供電需求。 通過可調電阻進行輸出電壓的控制,輸出所需電壓。 在模塊的輸入和輸出端都并聯一個瓷片電容和一個電解電容,起到濾波穩壓的作用。 在輸出端接了一個LED 燈,用來觀察是否有輸出電壓,方便電路的調試。 設計原理如圖2 所示。

圖2 電源穩壓電路Fig. 2 Power regulator circuit

2.3 SX1278 無線通信模塊及紅外檢測

SX1278 無線通信模塊適用于遠程無線通信,選擇穩壓電路輸出的5V 電壓作為電源為其供電。 系統使用兩塊模塊進行通信,分別作為對方的發送端和接收端,實現PC 機與單片機的雙向通信。 模塊在使用前分別通過串口連接電腦,使用參數配置軟件對模塊進行參數設置,設置完成后才能實現通信［2］。

M0、M1 為模式設置腳,引腳電平為11 時為休眠狀態,進行參數配置,將波特率設置為115200Hz；00 時為一般狀態,可進行通信。 連接單片機的模塊RXD、TXD 接單片機最小系統的串口1 進行數據傳輸,利用引腳PF11、PF12 連接M0、M1 將模式設置為一般狀態。 連接電腦PC 端的模塊與一個CH340串口模塊相連,RXD、TXD 分別接串口的TXD、RXD,M0、M1 接地。 AUX 為狀態輸出腳,可以懸空。連接原理圖如圖3 所示。

垃圾的溢出檢測采用紅外傳感器模塊。 該傳感器模塊采用穩壓電路輸出的3.3V 供電,通過電位器旋轉調節檢測距離,有效距離范圍2 ～30 CM。 其具有一對紅外線發射與接收管,工作原理是發射管發射出的紅外線,在檢測方向遇到障礙物時反射回來被接收管接收,經過比較器電路的處理,輸出信號為一個低電平信號,這時模塊的綠色信號燈亮起,信號輸出接口輸出一個低電平信號。 信號輸出端連接單片機引腳PF2,讀取該引腳信號的輸出狀態來判斷結果,判斷結果通過無線通信模塊發送到PC 端。電路原理如圖4 所示。

圖3 SX1278 模塊連接電路圖Fig. 3 SX1278 module connection circuit diagram

2.4 電調控制電路及遙控器輔助

系統的水下推進器選用三相無刷防水電機,電壓范圍12～24 V,該電機可以直接在水下運行。 由于電機轉動時不穩定的干擾,采用兩個電機作為推進器,分別為正反螺旋槳,兩個螺旋槳互為反向轉動,根據兩個推進器的差速來改變系統運行方向。電機的驅動采用兩個無刷電調進行控制［3］。

圖4 紅外傳感器電路Fig. 4 Infrared sensor circuit

采用12 V 電壓對電調供電,其中三根線分別連接電機的三根線,信號線及地線連接到單片機上。兩個電調的信號線分別接到引腳PA7 和PE6 上。電路原理圖如圖5 所示。 單片機通過輸出PWM 信號對兩個電調進行控制。 根據電調的特性,驅動電機轉動要先接收到一個高油門信號,再接收到一個低油門信號,電調會根據接收的信號發出相應的提示音。 當前兩個信號接收成功后,可根據后續接收到的信號驅動電機轉動［4］。 根據信號的變化控制電機轉動的速度,形成兩個電機之間的差速,完成對方向的控制。

圖5 電調驅動電機原理圖Fig. 5 Schematic diagram of electron speed regulator drive motor

遙控器輔助功能是通過遙控器和接收器控制電調驅動電機。 將電調的信號線連接到遙控器的接收器上,電調可將12 V 的輸入電壓降至5 V 作為接收器的電源,再將地線連接到接收器構成回路。 通過操控遙控器的搖桿來控制油門信號,利用天線發送信號,接收器接收成功后將控制信號輸入電調,以此驅動電機的轉動［5］。

3 系統軟件設計

系統軟件部分采用C 語言編寫,主要以紅外檢測和電調驅動程序為核心進行通信和控制。

3.1 紅外溢出檢測程序設計

紅外溢出檢測主要是通過讀取模塊引腳的電平狀態,來判斷垃圾收集狀態。 首先要對系統各部分初始化,當檢測輸出為低電平時,代表垃圾即將裝滿,標志位設置為1,此時電調控制電機減速,并通過SX1278 無線通信模塊將信息發送到PC 端并打印出來。 如果輸出不為低電平,則返回繼續執行對引腳狀態的讀取和判斷。 紅外檢測程序流程圖如圖6 所示。

圖6 紅外檢測程序流程圖Fig. 6 Infrared detection program design flow chart

3.2 電調驅動程序設計

電調驅動電機運動主要是利用單片機的PWM調節占空比來控制。 首先對定時器進行初始化,再初始化電調。 根據電調的驅動特點,將定時器時鐘初始化為50 Hz,調節占空比,依次給電調一個高油門信號和低油門信號,初始化電調后即可啟動電機,通過判斷標志位來控制電機的運動。 將電機的轉速設置為五個檔,前三個設置直線行駛的速度,后兩個設置兩個電機之間固定差速,分別實現系統的左轉和右轉。 通過SX1278 模塊,PC 端可以發送數據到單片機,并讀取出來,將讀取到的數據賦值給標志位,再判斷可控制系統的運動狀態。 通過標志位的判斷還可切換至遙控器輔助控制模式。 電調驅動程序流程圖如圖7 所示。

圖7 電調驅動程序流程圖Fig. 7 Electron speed regulator driver design flow chart

4 系統調試

系統上電后,各模塊電源指示燈亮起,說明供電正常,隨后按照設定的速度轉動。 系統整體運行圖片如圖8 所示。

使用遙控器手動高低油門的設置,當接收到正確信號后,電機均可正常轉動。 在單片機控制電調時也可自由切換到遙控器輔助模式。

PC 端的SX1278 模塊連接到了PC 端的集線器上,使用SX1278 模塊進行通信,使用串口調試助手觀察現象。 檢測到障礙物時,紅外傳感器的信號燈亮起,PC 端接收到單片機發送的消息,并打印到串口調試助手上。 顯示結果如圖9 所示。

當PC 端發送相應的指令時,如果單片機接收到了指令,會返回給PC 端相應的數據并打印出來。顯示結果如圖10 所示。

圖8 系統運行圖片Fig. 8 System operation picture

圖9 單片機發送信息到PC 端Fig. 9 Microcontroller sends information to PC terminal

圖10 PC 端發送指令接收返回值Fig. 10 PC terminal send instructions and receive return values

5 結束語

本文以STM32F407ZGT6 為核心,設計了水面漂浮物清理系統。 系統采用核心系統控制電調和遙控器輔助控制電調兩種方式驅動電機,操作方便。利用紅外傳感器檢測垃圾收集狀態,通過SX1278模塊接收發送信息和相應指令,方便了對水面的清潔,節省了一定的時間和人力,穩定性強,具有一定的實用價值。