太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人的設(shè)計(jì)

陸郁民，毛麗民，秦加娟，李增增，葉國(guó)林

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人的設(shè)計(jì)

陸郁民，毛麗民，秦加娟，李增增，葉國(guó)林

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

自動(dòng)澆花機(jī)器人由太陽能電池板為機(jī)器人提供能量，機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)土壤濕度，當(dāng)土壤濕度不利于植物生長(zhǎng)時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)沿著指定的線路至花盆澆水，直到滿足合適的土壤濕度，停止?jié)菜⒎祷爻霭l(fā)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)表明，該自動(dòng)澆花機(jī)器人操作簡(jiǎn)單，使用方便，滿足了現(xiàn)代生活的自動(dòng)化、智能化.

澆花機(jī)器人；土壤檢測(cè)；紅外信號(hào)

隨著居民消費(fèi)水平和生活質(zhì)量的提高，居家園藝市場(chǎng)異?；鸨?，許多上班族都在室內(nèi)、陽臺(tái)或庭院中種植花草以點(diǎn)綴生活.但是由于生活節(jié)奏的加快，種花容易養(yǎng)花難的問題暴露出來，養(yǎng)花最重要的問題是澆水問題，有時(shí)由于出差在外、工作繁忙等原因不能及時(shí)澆水，導(dǎo)致花草缺水而干枯.研究表明，花草80%以上的死亡是由于澆水不及時(shí)引起[1].在現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)中，主要是石油，天然氣，煤炭等化石能源，是不可再生能源，并且這些能源非常有限[2].太陽能作為一種新型能源無疑是一種環(huán)保、綠色的能源，而且是巨量的、可再生的能源.本文設(shè)計(jì)的太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要自動(dòng)澆水，從而確?；ú菽芙】瞪L(zhǎng).

1 設(shè)計(jì)原理

太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人通過太陽能電池板給機(jī)器人供電，在土壤中放置土壤濕度檢測(cè)裝置，當(dāng)檢測(cè)到土壤需要澆水時(shí)，紅外發(fā)射裝置將信號(hào)傳輸遞給遠(yuǎn)處的太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人.太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人一旦接收到信號(hào)，就會(huì)立刻啟動(dòng)，按照路線準(zhǔn)確地到達(dá)花盆位置，通過水泵給花澆水.在澆花的同時(shí)土壤濕度檢測(cè)仍在繼續(xù)，當(dāng)檢測(cè)到土壤水分達(dá)到要求，機(jī)器人會(huì)停止給水，并且返回到出發(fā)位置.（圖1）.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人以單片機(jī)為控制核心，電路主要包括：土壤濕度檢測(cè)電路、蓄電池保護(hù)電路、穩(wěn)壓電源電路、紅外發(fā)射接收電路、驅(qū)動(dòng)電路、紅外巡線電路、超聲波測(cè)距電路和壓力檢測(cè)電路等.

2.1蓄電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

蓄電池保護(hù)電路（見圖2），采用太陽能板電池充電，實(shí)現(xiàn)防止蓄電池過充過放的功能.當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到13.5 V時(shí)，VZ2擊穿導(dǎo)通，B點(diǎn)電位為正，VT3反向截止，VD1導(dǎo)通，并觸發(fā)V4導(dǎo)通.C3正極所充電荷經(jīng)V4加于V3陰極，使V3瞬時(shí)加上反向電壓而截止，關(guān)斷充電壓源.同時(shí)充電指示燈LED3停止發(fā)光，而電壓正常指示燈LED2卻正常發(fā)光.當(dāng)電池電壓低于或等于13 V時(shí)，VZ2截止，VT3正向?qū)?，電流?jīng)C3觸發(fā)V3導(dǎo)通，充電回路又連通，同時(shí)C3也被充電.

2.2 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓電源電路（見圖3），采用集成穩(wěn)壓器7805．Ui為輸入電壓，由蓄電池提供，Uo為輸出電壓，C19、C20分別為輸入端和輸出端濾波電容.輸出為正5 V直流電壓，為其他電路提供電源.

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，圖4中IN1-IN4為控制輸入信號(hào)端口，當(dāng)輸入信號(hào)端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)，信號(hào)端IN1接低電平，IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn).當(dāng)輸入信號(hào)端IN3接高電平輸入端IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，信號(hào)端IN3接低電平，IN4接高電平，電機(jī)M2反轉(zhuǎn).

2.4 巡線電路設(shè)計(jì)

本電路（見圖5）采用一體化紅外發(fā)射接收管，是將紅外發(fā)射管、接收管緊湊地安裝在一起，根據(jù)紅外線被不同顏色的吸收差別原理設(shè)計(jì).當(dāng)紅外發(fā)射管和接收管處在黑線位置時(shí)，發(fā)出的紅外光大部分被黑線吸收，也就是無反射光時(shí)，當(dāng)紅外發(fā)射管和接收管不處在黑線位置時(shí)，發(fā)出的紅外光大部分被反射，被接收管接收.該電路有5路紅外發(fā)射管與接收管，中間一路主要是保證機(jī)器人能沿著路線前進(jìn)，次外2路主要是當(dāng)機(jī)器人偏離路線時(shí)能實(shí)現(xiàn)糾正，從而保證回到路線上，最外2路主要是保證機(jī)器人能按照路線實(shí)現(xiàn)在路口轉(zhuǎn)向.

2.5 土壤檢測(cè)電路設(shè)計(jì)[3]

土壤檢測(cè)電路（見圖6）是根據(jù)土壤的濕度不同導(dǎo)電能力也不同而設(shè)計(jì)的，調(diào)節(jié)電阻R25或者探頭間距可改變測(cè)量靈敏度，實(shí)現(xiàn)土壤濕度的檢測(cè).確定需要澆水（VL）和水滿（VH）時(shí)a點(diǎn)的電壓值（Va）.根據(jù)電壓設(shè)計(jì)窗口比較器電路，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)Va＜VL時(shí)，輸出高電平；當(dāng)VL＜Va＜VH時(shí)輸出低電平；當(dāng)VH＜Va時(shí)輸出高電平.

2.6 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

圖2 蓄電池保護(hù)電路圖

圖3 穩(wěn)壓電源電路圖

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

單片機(jī)的P1.0口控制超聲波發(fā)射電路的工作（見圖7），晶體管Q2、Q3組成強(qiáng)反饋式穩(wěn)頻振蕩器，Q2集電極輸出電壓的微小變化通過超聲波發(fā)射探頭反饋到Q3的基極，經(jīng)過Q3放大后又加到Q2的基極被進(jìn)一步放大，經(jīng)多次循環(huán)形成電路振蕩.探頭將Q2的輸出反饋到Q3的基極上，同時(shí)可將振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定在自身的固有頻率上，作為穩(wěn)頻元件使用.超聲波發(fā)射探頭兩端為40 kHz的方波，推動(dòng)超聲探頭產(chǎn)生40 kHz的超聲波.

2.7 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收電路包括低通濾波電路、放大電路、比較器整形電路（見圖8）.首先電容C11過濾可能存在的殘余直流電壓，然后放大電路對(duì)微弱超聲回波信號(hào)進(jìn)行放大，最后通過帶通濾波電路除去其他的干擾信號(hào)，放大濾波電路采用了高速精密運(yùn)算放大器TL082.最后采用一個(gè)比較器整形電路.

2.8 壓力傳感器電路設(shè)計(jì)

圖5 巡線電路圖

圖6 土壤檢測(cè)電路圖

圖7 超聲波發(fā)射電路圖

圖8 超聲波接收電路圖

壓力檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)水箱水位的高低.當(dāng)水箱水位低于某一值時(shí)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示人們要對(duì)水箱進(jìn)行加水；當(dāng)加水到一定水位時(shí)，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示人們停止加水.

壓力傳感器電路（見圖9）由硅壓力傳感器把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大整形，由于信號(hào)微弱，所以經(jīng)由LM358構(gòu)成的兩極電壓放大后由LM358的7腳輸出，改變Rp45可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，使電路在傳感器不受壓力時(shí)輸出為0，R52及R55為反饋電阻，電容C17、C18均為濾波電容，當(dāng)壓力傳感器受到壓力作用時(shí)，電橋失去平衡，3點(diǎn)的電壓與4點(diǎn)不相等，由于3點(diǎn)電壓被Rp45固定，所以電壓差將由4點(diǎn)輸出，經(jīng)LM358線性放大后將壓力信號(hào)輸出[4].

2.9 紅外通信電路設(shè)計(jì)[5]

紅外通信電路（見圖10），當(dāng)P1.2為高電平時(shí)推動(dòng)MOS管導(dǎo)通，LED13發(fā)射紅外線，當(dāng)LED14未接收到紅外信號(hào)時(shí)，表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，三極管Q5截止，P1.6輸出高電平，當(dāng)有紅外線接收時(shí)，LED14導(dǎo)通給三極管提供基極電流，致使三極管Q5飽和導(dǎo)通，P1.6輸出低電平.

2.10 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

如圖11所示當(dāng)單片機(jī)P1.7輸出低電平，蜂鳴器發(fā)出聲音.當(dāng)單片機(jī)P1.7輸出高電平，蜂鳴器不發(fā)出聲音.當(dāng)水箱水位過低時(shí)，單片機(jī)P1.7輸出低電平，蜂鳴器就發(fā)出報(bào)警聲.

圖9 壓力傳感器電路圖

圖10 紅外通信電路圖

圖11 報(bào)警電路圖

3 自動(dòng)澆花機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體流程圖

機(jī)器人自動(dòng)澆花流程圖見圖12.當(dāng)啟動(dòng)土壤濕度檢測(cè)裝置后，濕度檢測(cè)裝置一直在檢測(cè)土壤的濕度；當(dāng)土壤的濕度達(dá)到給水的要求時(shí)，土壤濕度檢測(cè)裝置通過紅外發(fā)射管發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)在遠(yuǎn)處的太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人.太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人通過巡線傳感器向前進(jìn)，當(dāng)安裝在機(jī)器人前方的超聲波傳感器檢測(cè)到花盆時(shí)，太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人就停止前進(jìn)，并通過水泵向花盆澆水.在澆花的過程中，土壤濕度檢測(cè)裝置一直在檢測(cè)土壤的濕度，當(dāng)土壤濕度到達(dá)要求時(shí)，太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人停止向花盆澆水，并且返回到出發(fā)位置.

3.2 紅外巡線軟件設(shè)計(jì)

場(chǎng)地布置為白色底，巡黑線前進(jìn)，當(dāng)紅外發(fā)射管和接收管處在黑線位置時(shí)，發(fā)出的紅外光大部分被黑色吸收，其比較器的正向輸入端電壓低于反向輸入端的電壓并輸出低電平，LED燈亮.

表1 紅外巡線電路狀態(tài)輸出表

五個(gè)紅外發(fā)射接收管的狀態(tài)輸出口分別用L1，L2，ZZ，R2，R1來表示（L1為左邊第一個(gè)；L2為左邊第二個(gè)；CENTER為中間；R2為右邊第二個(gè)；R1為右邊第一個(gè)）.其狀態(tài)輸出如表1所示.

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

圖12 太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人流程圖

在完成相關(guān)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，圖（13（a-d））顯示了太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人的澆花過程.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)是可行的.

圖13 太陽能自動(dòng)澆花機(jī)器人澆花過程圖

[1]趙麗，張春林.基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22（6）650-651.

[2]劉明真，陳鴻.基于單片機(jī)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].學(xué)術(shù)問題研究，2010（1）：75-80.

[3]程捷，何辰.基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2011（6）：56-58.

[4]劉文濤.單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005：75-75.

[5]唐忠德.紅外遙控技術(shù)應(yīng)用研究[M].北京：中國(guó)電機(jī)出版協(xié)會(huì)，2000：83-87.

Design of the Solar Automatic Watering Flower Robot

LU Yu-min,MAO Li-min,QIN Jia-juan,LI Zeng-zeng,YE Guo-lin
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

With the rapid development of science and technology,robotics have penetrated into all areas of our lives.This is a novel application of robots in the home gardening market.At present,the flower device waters the flowers at the fixed time every day,and cannot automatically adapt to changes in the weather.In this paper, the solar automatic watering flower robot depends on the solar panels to provide energy.Once a robot detects the soil moisture,which has an adverse effect on plant growth,it waters flower pots along a specified line until the soil moisture is suitable and returns to the starting point.Experiments show that the solar automatic watering flower robot is simple to operate,easy to use,and meets the automation and intelligence of the modern life.As an environmental protection,and green energy,solar energy plays an increasingly important role in meeting the energy needs of the rapid economic development.

watering flower robot;soil testing;infrared signal

TP368.1

A

1008-2794（2013）04-0104-05

2012-10-17

毛麗民，講師，碩士，研究方向：機(jī)器人與目標(biāo)跟蹤研究，E-mail：maolimin_1981@163.com.