饮水机自动上水装置结构设计研究

庞夏莲 陈晓茜 吴真昱

摘要：随着时代的发展，桶装水的应用日益广泛，该应用需要将桶装水抬升至饮水机，存在上水困难问题。本文设计出一种饮水机自动上水装置，通过机械爪和机身装置，实现装置自主移动、自主避障以及饮水机精准识别并自动上水的功能，在解决上水困难问题的同时，提高人们的美好生活质量。

关键词：自动上水装置;单片机;自主避障;

1 前言

目前，现有的饮水机上水装置大多还是属于半自动模式，需要人为移至指定位置，再对桶装水进行夹取、上移、旋转、下移、松开等一系列操作，市场上还没有一种桶装水自动上水装置能够完全具备智能识别、远距离自动运输、稳定上水等功能。关于饮水机智能化上水装置的国内外发展现状，在目前可以说仍是一片空白，现如今市面上并未有更多关于饮水机上水装置的产品。本装置致力于解决目前市场上饮水机上水装置的不足，提出一种基于机械臂饮水机自动上水的装置，通过机械爪和机身装置，结合机器视觉处理技术、电机控制、单片机和串口通信等技术，实现智能化、无人化的上水操作，有很大的应用前景。

2 装置整体结构设计

饮水机自动上水装置的机械结构包括行走机构、抬升机构、旋转机构、夹持机构及传感机构，多机构配合使用，整体机械结构图如图1所示。本装置包含的动作有：行走、抓取、抬升以及翻转，实现了饮水机自动上水装置自主避障、精准识别、抓取并自动上水的功能。

行走机构采用麦克纳姆轮配合直流电机使用，采用2020铝型材作为轮系之间的连接，并作为底板使用;抬升机构采用丝杆滑轨机构，通过步进电机驱动丝杆转动，带动与丝杆连接的滑块进行上下移动;旋转机构采用一个旋转舵机配合一个转盘轴承使用，舵机的安装座与抬升机构的滑块固连;夹持机构采用两个旋转舵机配合机械爪使用，两个舵机分别安装一个机械爪，舵机的安装板与旋转机构的转盘轴承连接;传感机构采用自己设计的打印件将传感器夹紧在行走机构的铝型材上。

3 硬件设计

根据上述机械结构系统方案设计中包含的四个直流电机、一个步进电机、三个舵机以及若干个传感器，则控制系统采用功能较为强大的STM32F4芯片作为控制的核心，对上述的各元件进行驱动控制，则必须包含的电路有单片机电路、电源电路、稳压电路、步进电机电路、传感器电路、底盘电機电路及舵机电路。

3.1单片机电路设计

单片机电路采用STM32F4最小系统板作为主控，需要用到很多PWM口作为电机和舵机的控制口，以及需要很多的IO口作为传感器的信号接收口。根据STM32F4最小系统板的原理图，排母座上连接了5V、3.3V和GND这些电源网络口，以及根据后面电路的需要引出了一些IO口。

3.2电源电路设计

电源电路采用锂电池作为本次设计的电源，使用XT60端口作为电源的输入口，并安装电源指示灯;由于饮水机自动上水装置需要的最大的电压是步进电机的24V，所以本次设计的电源输入端的电源电压采用24V。电源电路采用一个XT60电源接口，XT60电源接口具有高电流、防打火的优点，并且具有防反插的外形设计，电池接入到XT60电源接口后，引出24V和地线，24V线则连接上一个防误触式的船型开关，用作电源的总开关。

3.3稳压电路设计

稳压电路采用几个稳压模块将输入的电压降压成各种所需的电压，由于本次设计的饮水机自动上水装置包含24V的步进电机、12V的直流减速电机、7.4V的舵机、5V的传感器以及3.3V的单片机，而输入的电源电压是24V的，所以需要对24V的电压进行降压。

该电路设置了4个排母座用于安装降压模块，为了保持降压模块安装后的稳定性，每个排母座包含两个引脚。同时，考虑到三个舵机的功率较大，为了防止三个舵机在使用过程中因为功率较大导致发热严重的问题，所以在稳压电路上采用两个降压模块，将两个降压模块的输出端连接在一起，使得两个降压模块平分三个舵机的功率，有效减低了过热带来的风险。整个稳压电路包含5个降压模块、4种输出电压。

3.4传感器电路设计

传感器电路采用光电开关传感器与红外反射传感器，引出单片机的若干个IO口作为反馈信号的接收口，可以同时接收到若干个漫反射式红外光电开关的电信号。饮水机自动上水装置使用的漫反射式红外光电开关共有三根线，其中两根是5V电源线和地线，另外一根是信号输出线，所以一个传感器就需要三根线。

3.5底盘电机电路设计

底盘电机电路采用直流电机驱动模块;舵机电路使用舵机专用的端子口与舵机相连。本装置使用的直流减速电机驱动器包含了1个12V口、2个5V口、3个地线口、4个IO口、2个PWM口以及4个与两个电机连接的口。根据上述TB6612FNG驱动模块所需的接口，分别接上各电源线和单片机的IO口，与两个电机连接的口则接上了旋钮式PCB接线端子，方便与电机之间的连线。

3.6步进电机电路设计

饮水机自动上水装置包含一个控制丝杆运动的步进电机，所以需要使用一个步进电机驱动器进行步进电机的驱动。本装置采用的步进电机驱动器是市面上常用的TB6600步进电机驱动器。TB6600步进电机驱动器的接口采用了高速光耦隔离，并且在发热量过大时，可以自动半流以减少发热量，它具有一大片散热片，能够有效的进行散热，在输入电压接反时，还具有保护作用，同时也具有过热过流保护。TB6600步进电机驱动器除了连接两根电源线，还需要连接一个PWM口、一个使能口以及一个方向控制口。

4 结束语

为了解决饮水机上水问题，本文设计研究出了一种具备良好应用性能的饮水机自动上水装置，在原有的技术基础上，对饮水机自动上水装置的机械结构进行了控制改良，可以实现自动避障，提高了装置自动上水的安全性、可靠性、稳定性。饮水机自动上水装置所提供的创新模式，不仅能带动智能化领域的发展，而且也顺应了“中国制造2025”的时代发展战略。相信在不远的将来，智能化领域能够有更好的发展，饮水机自动上水装置也会更加的亲民化，真正的走进千家万户，给人们带来更好的生活。

参考文献

[1]张娟，王建国，张森，等.基于51单片机的自动盖章机设计[J].机械工程与自动化，2019（02）：97-99.

[2]谢作敏，臧天，刘俊枫，等.基于红外传感器的智能循迹小车设计[J].科技创新与应用，2017（14）：16-17.

基金项目：桂林电子科技大学2021年国家级大学生创新训练项目“一种基于机器视觉的饮水机自动上水装置”项目（项目编号：202110595010）。