基于單片機(jī)的智能采摘草莓小車(chē)智能控制

李　芳，張?zhí)旎酆颖鞭r(nóng)業(yè)大學(xué)

基于單片機(jī)的智能采摘草莓小車(chē)智能控制

李芳，張?zhí)旎?br/>河北農(nóng)業(yè)大學(xué)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)的現(xiàn)狀和現(xiàn)代電子科技的進(jìn)步促使農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展。該設(shè)計(jì)基于單片機(jī)為控制核心的智能循跡小車(chē)，主要利用紅外傳感器、黑白傳感器對(duì)周?chē)畔⑦M(jìn)行采集更新，C51對(duì)信息處理并且通過(guò)直流電機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制完成對(duì)草莓定向、定高、定點(diǎn)采摘和智能卸載工作，完成農(nóng)業(yè)自動(dòng)一體化任務(wù)。采摘機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的一種，在農(nóng)業(yè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

STC89C51RC單片機(jī)；傳感器；L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板；SG90舵機(jī)；直流電機(jī)

引言

智能采摘草莓小車(chē)是一種具有兩個(gè)直流電機(jī)和四個(gè)舵機(jī)的智能小車(chē)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)縫運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)化控制及機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展尤其是微電子和為機(jī)械技術(shù)的逐步成熟，使得智能檢查以及自動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)。

智能采摘小車(chē)作為一種靈活移動(dòng)、能任意角度抓取的小車(chē)。在沒(méi)有任何人干預(yù)的時(shí)候小車(chē)可以按照以黑板白線的任意軌跡行駛，同時(shí)可以在任何有草莓的地方停下并能根據(jù)草莓的位置采摘草莓，并按規(guī)定的位置將草莓收集，當(dāng)收集結(jié)束后可以到達(dá)目的地址將草莓包裝箱取下。

本文采用c51作為主要芯片，使用了紅外、黑白傳感器。采用直流電機(jī)、舵機(jī)等來(lái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用驅(qū)動(dòng)作為變流器件，組建了智能采摘小車(chē)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1工作原理

本系統(tǒng)以STC89C51RC為主控芯片，通過(guò)黑白傳感器、紅外傳感器對(duì)智能小車(chē)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集并將信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，STC89C51芯片通過(guò)判斷黑白傳感器和紅外傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)分別對(duì)直流電機(jī)以及舵機(jī)發(fā)送一系列控制信號(hào)，而這些個(gè)控制信號(hào)控制舵機(jī)和直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成智能小車(chē)采摘草莓過(guò)程。

1.2硬件設(shè)計(jì)

圖1　小車(chē)參考系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用STC89C51RC單片機(jī)，黑白、紅外傳感器、直流電機(jī)、舵機(jī)，其整體框圖如圖1所示。STC89C51RC是Atmel公司生產(chǎn)的AT89系列單片機(jī)，MCS51內(nèi)核指令完全兼容，8K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器，全靜態(tài)工作，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)33MHZ。3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、6個(gè)中斷源、可編程串行通信、256M*8位內(nèi)部RAM.當(dāng)接到黑白傳感器以及紅外傳感器的信號(hào)時(shí)，能迅速的進(jìn)行判斷并發(fā)出控制電機(jī)和舵機(jī)的pwm波。Pwm波是利用單片機(jī)定時(shí)的功能將穩(wěn)定的直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為占空比不同的矩形波，從而控制電機(jī)速度及舵機(jī)旋轉(zhuǎn)地角度。紅外反射傳感器U3的供電電壓為5伏，集電極開(kāi)路輸出。當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，U3的1腳輸出高電平，V1導(dǎo)通，IR_DATA為低電平；當(dāng)有障礙物時(shí)，U3的1腳輸出低電平，V1截止，IR_DATA為高電平。通過(guò)單片機(jī)讀取IR_DATA的高低電平狀態(tài)，即可獲知是否探測(cè)到障礙物。SG90迷你舵機(jī)構(gòu)成了機(jī)械臂組裝的塑料板采用CAD制圖與3D打印制作，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)輸出不同占空比的矩形波來(lái)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)包含3個(gè)主要部分：電動(dòng)機(jī)、減速齒輪和控制電路。電動(dòng)機(jī)為直流電機(jī)構(gòu)成舵機(jī)的心臟，高速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)一個(gè)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行降低，輸出齒輪連接著一個(gè)電位器，電位器的位置標(biāo)示者輸出齒輪的位置，電動(dòng)機(jī)和電位器連接在控制電路上，這3部分構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

1.3軟件設(shè)計(jì)

智能采摘草莓分為三大模塊，第一個(gè)模塊：智能檢測(cè)。檢測(cè)又分為黑白軌道的檢測(cè)以及草莓位置信息的探測(cè)，我們用到的是黑白傳感器和紅外傳感器。第二個(gè)模塊：黑白循跡模塊。利用51單片機(jī)對(duì)黑白傳感器采集的信息進(jìn)行處理后，相應(yīng)的產(chǎn)生控制直流電機(jī)的信號(hào)，進(jìn)而控制直流電機(jī)得正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。第三個(gè)模塊：智能抓取草莓。根據(jù)事先定義好的距離來(lái)調(diào)整舵機(jī)角度，其中也是利用單片機(jī)對(duì)紅外傳感器采集的信息進(jìn)行處理后產(chǎn)生一系列控制舵機(jī)的pwm波。

軟件調(diào)試.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們用到的是Protel 99SE仿真軟件.在該系統(tǒng)中我們通過(guò)手動(dòng)置黑白傳感器以及紅外傳感器的參數(shù)來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用中的情況，通過(guò)這種方法可以很好地排除測(cè)試當(dāng)中程序的不正確性。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明程序舵機(jī)部分延時(shí)不能太大。硬件調(diào)試.在軟件調(diào)試無(wú)錯(cuò)誤時(shí)我們進(jìn)行硬件調(diào)試，其中通過(guò)調(diào)試我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中得知。1.舵機(jī)的信號(hào)引腳必須插在51芯片的P2端口。2.在實(shí)際檢測(cè)中調(diào)整黑白傳感器以及紅外傳感器的探測(cè)范圍。3.舵機(jī)部分以及直流電機(jī)應(yīng)該分開(kāi)供電，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程我們選用可充電式電池。

2　結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究單片機(jī)控制的智能小車(chē)采摘草莓。對(duì)智能小車(chē)的性能進(jìn)行分析和調(diào)試，并建立智能小車(chē)控制系統(tǒng)模型，采用單片機(jī)產(chǎn)生不同pwm矩形波來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和舵機(jī)中的角度電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的原理來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)作部分。并且學(xué)習(xí)了智能小車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)和硬件電路，實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的智能小車(chē)針對(duì)性功能性能良好。本文研究成果和主要工作是根據(jù)周?chē)h(huán)境變化做出相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，采用了模塊化設(shè)計(jì)，掌握了各個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，編程實(shí)現(xiàn)了模塊的功能，并進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)測(cè)試各個(gè)模塊工作狀態(tài)良好，算法正確有效。在未來(lái)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中我們將采用數(shù)字圖像處理的方式采集草莓圖像信息以及道路狀況并用DPS相應(yīng)芯片處理以更好地提升智能小車(chē)的性能。

［1］鄧?yán)?，肖?單片機(jī)技術(shù)［J］.武漢大學(xué)2014.3-4

［2］熊昕.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用［K］.西安電子科技大學(xué)