全自動塘湖漂浮垃圾打撈機方案書

第三屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學生課外學術科技作品競賽參賽作品全自動塘湖漂浮垃圾打撈機的設計設計者：林鴻敏劉應春吳成龍柯宙志曾旭升鄭卓光指導老師：王玉興，王衛(wèi)星[摘要]縱觀我國水面固體垃圾的現(xiàn)狀，水生物，白色垃圾以及江河水面上的固體垃圾等等已經成為了威脅水系生物以及水體環(huán)境的重要因素，對我們生活的質量產生了嚴重的影響。人工打撈垃圾對這重大型水電工程來說效率太低同時又是不安全生產的一個重大隱患，20個工人人工打撈一天有時還沒有上游來的垃圾多,造成庫區(qū)水面垃圾越集越多,花費大量人力物力卻得不到好的效果。而且，現(xiàn)有的打撈技術僅僅限于大江大河的機械化，而人工湖泊或者池塘河涌等等小型的水系則仍以人工打撈手段為主，不僅浪費人力資源，而且費時費力，經濟效益和效果都不是很好。[關鍵詞]垃圾打撈；自動控制；船一目的與意義該方案采用遠程自動控制機構，來實現(xiàn)垃圾的打撈和收集。當船行至垃圾旁邊，打撈手通過有規(guī)律的收合，將垃圾撈進打撈輪旁邊，接著收集輪通過水流和流水線的打撈爪將垃圾送到鏈條傳送帶上來實現(xiàn)垃圾的收集。整個過程都是通過遠程控制和自動完成，這樣就大大節(jié)省了人力和財力。同時小巧的船體結構，適合于湖泊公園池塘的垃圾打撈，方便實用。考慮到現(xiàn)在水面垃圾污染嚴重，比如池塘水浮蓮的污染蔓延，嚴重影響江湖美觀，如果能將這機器投入使用，將會得到很好的效果，在節(jié)省物力人力的前提下，做保護環(huán)境的使者。二技術方案2.1打撈船的總體機構圖打撈爪控制部分船體總體采用3個動力源。（圖2.1）打撈爪控制部分打撈船的打撈船的驅動部分打撈輪傳動部分打撈輪傳動部分圖2.1打撈爪控制部分。前面兩個電機分別控制兩個打撈爪向中軸線同步或異步滑動，將垃圾撈船中間。打撈輪傳動部分。通過電機和鏈輪連接，帶動前后兩個打撈輪反向轉動，將垃圾收集到垃圾箱中。打撈船驅動部分。通過控制兩個電機的轉動情況來實現(xiàn)船體的前進，倒退，左轉，右轉。2.2打撈爪控制部分2.2.1打撈爪平面圖如圖所示（圖2.2.1）圖2.2.1將打撈手設計成網(wǎng)狀結構，不過，基于小型湖泊池塘比較多的塑料袋等等容易粘附的固體垃圾，我們把打撈手設計成了向下傾斜的樣子。而且，跟原有直直的打撈手相比，我們又將它改成半直半彎的形狀，以求增加打撈的面積。同時針對原有打撈手只能同時伸展同時收回來這個特點，專門另辟蹊徑，參照“太極手”的特點，將“太極手”搬到了我們的機器上，用兩個驅動分別帶動兩個打撈手，實現(xiàn)了異步打撈的特點，更好地將水面上的垃圾回收，清理更加干凈更加整潔。2.2.2打撈爪的傳動機構（圖2.2.2）圖2.2.2在控制打撈手的裝置里面，我們根據(jù)遙控的思路去發(fā)掘，通過搖桿機構，用步進電機來帶動，這樣更好地實現(xiàn)了自動化，更加方便遙控的操作。2.3打撈輪傳動部分2.3.1打撈輪傳動在打撈機構上，我們是先采用電機帶動具有打撈爪的前輪旋轉，將漂浮物撈進來，再通過鏈條帶動打撈爪撈起來，這樣可以將垃圾更集中起來打撈，調高效率。而且這樣就可以避免由于輪的轉動而引起的水流流動而沖開垃圾的現(xiàn)象發(fā)生，借用水流撈起來。具體的傳動機構簡圖如圖所示（圖2.3.1）前面的打撈輪的傳動比是1：2.，其他都是1:1.。這樣前面的打撈輪就可以快速的將垃圾撈進來，以便后面鏈條傳動輪撈進垃圾桶。前面的傳動比是1:2其他的傳動比是1:1前面的傳動比是1:2其他的傳動比是1:1打撈爪打撈爪圖2.3.12.3.2垃圾箱設計垃圾箱都采用鏤空設計，這樣使得水流可以隨時排出去，降低電動機的壓力，提高運作的速度。同時，就是鏤空不多的情況下，水流沖進去垃圾桶后產生的向后的流體沖擊力，可以促進船體往前移，增加動力，提高效率（圖2.3.2）水流的方向水流的方向圖2.3.22.4打撈船驅動部分采用兩個電機帶動扇葉來作為打撈船的驅動，通過控制其轉速和轉動的先后及轉向，來實現(xiàn)船體的前進，后退，左右旋轉。同時還設置有通暢的排水道，使水流能不斷的補充，從而實現(xiàn)船的快速移動和定位。（圖2.4）圖2.42.4.1電機的使用船只左邊和右邊各安裝有一個6V的步進電機，用來控制兩邊機械臂的擺動。步進電機可實現(xiàn)高精度的定位，每個脈沖轉0.9度。同時，制動性能很好，只要沒有脈沖輸入，可立刻停下來，而正反轉的控制也很方便，只要改變一下脈沖的方向，就可以實現(xiàn)。有這些優(yōu)點，對于機械臂的準確轉動有很大的幫助。船只上方也安裝有一個24V空心杯直流電動機，用于驅動收集垃圾的傳送帶。另外，在船只后方兩端各安裝有一個12V空心杯直流電機，用于驅動船只前進、后退和轉彎。當兩電機同速時，可實現(xiàn)前進和后退的功能。當兩電機存在差速時，可實現(xiàn)轉彎的功能2.4.2驅動部分接收到無線控制信號后，單片機發(fā)出指令經過TLP521-4四通道光電隔離芯片后，控制L298N芯片，通過該芯片即可控制船只上的電動機，執(zhí)行相應的動作。L298N內部包含4通道邏輯驅動電路?？梢苑奖愕尿寗觾蓚€直流電機或者舵機。工作電壓：信號端4-6V、控制端5-46V。調速方式：直流電動機采用PWM信號平滑調速。特點：1、可實現(xiàn)電機正反轉及調速。

2、啟動性能好，啟動轉矩大。3、工作電壓可達到36V，4A。

4、可同時驅動兩臺直流電機。2.5通訊（發(fā)射與接收）模塊本作品將采用比例式的桿式無線電遙控器，遙控指令通過機殼外部的控制開關和按鈕，經過內部電路的調制、編碼，再通過高頻信號放大電路由天線將電磁波發(fā)射出去。在調制、編碼和電路的組成方面有很好的效果。2.5.1遙控發(fā)射機本作品將采用比例式的桿式無線電遙控器，遙控指令通過機殼外部的控制開關和按鈕，經過內部電路的調制、編碼，再通過高頻信號放大電路由天線將電磁波發(fā)射出去。在調制、編碼和電路的組成方面有很好的效果。而采用四通道的比例遙控設備,可以同時對模型進行四個不同動作進行比例控制。2.5.2遙控接收機遙控接收機是安裝在車?；虼Ｉ嫌脕斫邮諢o線電信號的。它會處理來自遙控發(fā)射機的無線電信號，將所接收的信號進行放大、整形、解碼，并把接收來的控制信號轉換成執(zhí)行電路可以識別的音頻信號或是數(shù)字脈沖信號，傳輸給船模上的其他電子部件，如：舵機電路、活動收集手臂電路等執(zhí)行機構，這樣一來我們的船模，就會通過這些執(zhí)行機構來完成我們所發(fā)出的動作指令。由于我們的設計需要較高的靈敏度，我們通過多重濾波，來實現(xiàn)提高接收頻率的準確性。它基本上是由選頻電路、放大電路、譯碼電路等部分組成。從接收放大電路出來的脈沖信號，通過譯碼電路后就能分別獨立地取出由發(fā)射機發(fā)出的操縱桿動作信號Ta——Td，并分配到不同的譯碼地址輸出口。

2.5.3采用的芯片采用nRF905無線通訊模塊，實現(xiàn)船體與障礙物的信息通訊，是本系統(tǒng)的核心模塊。nRF905是一款收發(fā)一體的單片無線通訊模塊，可以自動完成處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）的工作，可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，在接收模式時電流為12.5mA。nRF905單片無線收發(fā)器工作由一個完全集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調節(jié)器組成。ShockBurst工作模式的特點是自動產生前導碼和CRC，可以很容易通過SPI接口進行編程配置。通訊距離遠，而且誤碼率低，因此采用nRF905作為通訊模塊的設計。超聲波測距防撞模塊.2.6.1單片機實現(xiàn)測距原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關。2.6.2超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖所示（圖2.6.2）。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。圖2.6.2壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。.2.6.3超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2.6.3)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖2.6.3三總結這個機器是為了打撈水上垃圾漂浮物而設計的，相比現(xiàn)在的打撈船，我們的創(chuàng)新點在于以下5點。打撈手設計上采用網(wǎng)狀設計，擺手向下傾斜，整個成半彎曲形狀。減小打撈的阻力，增加打撈的面積。同時打撈手能實現(xiàn)同步和異步的打撈，還支持復位功能。流水線的打撈爪設計，能穩(wěn)固的抓住垃圾，帶動垃圾往上傳，通過爪的背面滑進垃圾桶。大大增加打撈和收集的效率。垃圾桶下沿帶有與打撈爪相嵌合的欄柵，準確無誤的將垃圾從打撈爪中勾出來，不放走一絲垃圾。而且垃圾桶容量大，不用擔