一种小型水面垃圾清理装置的研究与设计

第37卷第3期2019年9月

Vol.37No.3

Sep.2019海南大学学报自然科学版

NATURAL SCIENCE JOURNAL OF HAINAN UNIVERSITY

文章编号:1004-1729(2019)03-0254-07

一种小型水面垃圾清理装置的研究与设计

高晓红

(陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000)

摘要：针对小型水域水面的垃圾清理问题，设计了一种无人驾驶、操作便捷的智能型水面垃圾清理装置.

首先基于STC12C5A60S2为主控制器，通过控制动力模块、传输模块和清理模块来实现清理垃圾、传输垃圾

的功能，其次通过WIFI模块实现小型水面垃圾清理装置的智能远程控制，并研制出实物样机进行测试，最后

验证了设计的合理性.与传统人力驾驶的水面清理装置相比，实现了无人驾驶的智能化控制,达到节约人力

资源和减轻劳动强度的目的，且系统运行安全、稳定，具有一定的实用价值.

关键词：水面垃圾清理；STC12C5A60S2；智能控制；WIFI

中图分类号：TP23文献标志码：A DOI:10.15886/ki.hdxbzkb.2019.0036

随着我国城市建设的飞速发展，人民对美好生活的需要日益提高，改善城市生态环境成为首要任务.近年来，城市池塘、人工湖、水上乐园等小型水域的垃圾污染每况愈下，水面垃圾清理成为重要的环境治理问题，直接关系着城市的整个生态系统⑷.

美国、意大利、英国等发达国家对于水面垃圾清理装置的研究起步早,技术相对成熟⑵，研制出多个系列，比如美国UMI公司研制的Trash Cat系列水面垃圾清理装置,采用液压驱动，双体船型;意大利GLO-BECO公司研制的Dolphin多功能生态清洁船，可以清理泄漏油、化学溢出物及大件垃圾等.近年来我国对生态环境保护的重视，促进了相关技术的发展，国内也出现了很多高技术水平的清理装置，比如中国船舶重工集团701和704研究所研制的“清漂1号”，采用双体船型，主要用于清理三峡库区水面上的大量漂浮物;上海电气集团研制的GC2230型河道割草清洁船等.对比国内外水面清理装置，现有水面垃圾清理装置，大多以垃圾打捞液压控制双体船为主，其体积庞大、结构复杂、操作困难、成本高昂,对驾驶人员要求较高,不适用于小型水域的垃圾清理卩「勺.

目前,小型水域的垃圾清理仍以人工驾驶船只打捞为主，存在效率低、成本高和劳动强度大等问题,而且小型水域经常存在水面狭窄或者深浅不一的区域，打捞具有一定的危险性为了克服现有技术的缺点•针对小型水域特点和现有清理装置的不足，设计一种小型水面垃圾清理装置，采用STC12C5A60S2作为主控制器，通过WIFI模块无线控制，借助手机端APP软件实现对水面垃圾的清理工作，通过风机高速运转使收集装置中的压强小于外界压强，垃圾就会成功吸入到收集装置中，水和垃圾在过滤器中分离，水通过水泵排出，同时将垃圾打包.整个过程通过手机APP遥控完成,无需人力驾驶，清洁效率高，节约了人力同时确保了清理人员的人身安全.

1系统总设计

本文设计的小型水面垃圾清理装置系统由上位机和下位机2个部分组成，其中上位机为手机APP控制端，用于控制清理装置的运动轨迹并实时清理垃圾，下位机由STC12C5A60S2控制电路、WIFI模块、动力模块、清理模块和传输模块来实现水面垃圾的清理与传输的功能.小型水面垃圾清理装置系统结构如图1所示『句.

收稿日期：2019-03-20

基金项目：甘肃省教育科学规划“十三五”项目(GS[2018]GHBBK006)；甘肃省科技厅科技成果转化项目(2018D20)

作者简介：高晓红(1986-),女，甘肃白银人，硕士，讲师，研究方向：电子信息技术及电力系统及其自动化研究，E-mail:gaoxh0219@

第3期高晓红:一种小型水面垃圾清理装置的研究与设计255

a上位机b下位机

图1小型水面垃圾清理装置系统结构

2机械结构设计

小型水面垃圾清理装置的一部分示意图，如图2所示供电系统采用2组12V航模电池,对风机外壳进行设计包装,达到防水效果,并且使吸附力只能沿着收集管道•为了避免吸入垃圾时带入大量的水,会触电烧坏电机和其他设备,在收集装置中必须对垃圾和水进行分离.因此,设计了一种方案,风机设置在上层,收集装置设置在下层,垃圾进入管道设置在中层,风机高速运转会产生强大的气流，上层进入气流的口要尽可能小，同时在小口中插放两块挡片,确保水不进入上层.

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a小型水面垃圾清理装置

b清理装置的U型支架c清理装置的收集装置

282726

293031

e手机APP控制界面

图2小型水面垃圾清理装置部分示意图

256海南大学学报自然科学版2019年

图2中,1为风机,2为气流管道,3为集中筛网驱动电机,4为集中筛网,5为吸嘴,6为U型支架,7为收集装置,8为总开关,9为排水管道,10为清理装置驱动电机一,11为左螺旋桨,12为右螺旋桨,13为清理装置驱动电机二,14为风机排风口，15为风机外壳,16为气流管道U型支架,17为舵机一,18为舵机二,19为收集装置滤网,20为排水水泵,21为气流管道与风机外壳衔接口,22为收集装置与风机外壳衔接螺纹,23为半U型挡片,24为风机进风小口,25为小口挡片,26为STC12C5A60S2开关,27为第二组航模电池电量,28为第一组航模电池电量,29为装置的控制按键,30为风机和水泵的开关按键,31为舵机的控制按键.

小型水面垃圾清理装置的操作过程如下:将小型水面垃圾清理装置放入待清理的水域,首先按下图2a中的电源总开关，再按下图2e中手机APP界面上的STC12C5A60S2控制器开关，通过手机APP的上下左右键控制此装置到达垃圾所在地，按下风机和水泵开关键,风机、水泵和电机开始工作,按下相应的控制按键可以对螺旋桨和2个舵机进行操作,调整气流管道U型支架的位置，进而调整吸嘴的位置，同时筛网会在电机的带动下将此装置周围的垃圾集中到吸嘴周围，使垃圾能够从吸嘴中尽可能多的进入，经过吸管中的气流管道后到达图2d中的气流管道与风机外壳衔接口处,U型挡片使垃圾进入收集装置内时高速旋转，图2c所示收集装置包括滤网和排水水泵，水和垃圾在滤网的作用下进行分离，水流到滤网的下层,水泵将水通过排水管道从装置的尾部排出•垃圾在滤网的上层，气流从上层进风小口进入，安装U型挡片可以防止水分子从小口进入，而进入的气流也会从排风口排出.当垃圾清理完毕后，按下手机APP的风机和水泵的开关按键，控制此装置使其靠岸,靠岸后清洁人员取出风机外壳和收集装置，从图2d中风机外壳与收集装置连接部分将二者分离，将收集装置中的垃圾取出,收集任务完成3-11].

3硬件电路设计

3.1WIFI模块WIFI模块选取TP-LINK AC1900路由器进行改装，刷入0p enwWrt固件,Ser2net串口转发软件,WIFI模块作为信号的接收和发送中心，将路由器的TTL线接到STC12C5A60S2微控制器上对应的串口上,通过上位机将特定的数据包发送到路由器，可以实现上位机与STC12C5A60S2微控制器的串行通信，遥控发射器和信号接收器采用27MHz的无线电进行通信.清洁人员可以通过手机在20m范围内进行远程操作，可以实现调速、方向以及各种清洁命令控制[11]-

3.2动力模块动力系统由2组航模电池（12V

4.5AH/20HR）提供动力来源，一组给风机和水泵供电，另一组给其他部分供电,步进电机和直流减速电机驱动各组件运行.通过手机APP可实时查看2组电池电量，避免在清理过程中出现电量不足情况.

根据用途将电机分为3种：

1）整个装置的驱动部分由2个直流电机提供动力，清理装置在水面行驶过程中受到的阻力较大，同时还要保证按一定速度行驶，因此采用直流电机可以达到设计要求.

2）收集装置作为最重要的部分，对动力的要求更严格,收集装置采用57步进电机，扭矩2.3N•m,步距角1.8。，驱动电机采用TB6600型.

3）传送带由左右各一个直流减速电机带动,前端的集中筛网和整个装置的驱动部分也由直流减速电机带动.

3.3传输模块传输模块采用传送带设计卫〕，根据力学分析,将传送带的倾角设为40°,通过收集装置叶片的上部将垃圾倒在传送带上，传送带将垃圾运送至收集装置中.收集装置为圆柱体状，内部套有垃圾袋,垃圾运送至垃圾袋中，等此装置靠岸之后，直接将垃圾袋取走即可.

3.4清理模块清理模块由清理装置和收集装置2个部分组成.在收集装置的进口处，安装一块半U型挡片，当气流、垃圾和水进入收集装置时会高速旋转,吸入的垃圾和水的密度比气流的密度大，垃圾和水不容易从小口进入收集装置上层.清理装置前端安装吸嘴，吸管固定在U型支架上,U型支架固定在舵机上，根据漂浮垃圾高出水面的情况调整吸嘴的高度，使垃圾更容易被吸入.下层为收集装置，内部设置了一个滤网，当垃圾和水进入收集装置时,滤网自动分离，垃圾留在滤网内，水流出滤网，同时水泵开始工