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        基于單片機的智能采摘草莓小車智能控制

        2016-09-21 06:53:45張?zhí)旎酆颖鞭r(nóng)業(yè)大學
        科學中國人 2016年24期
        關(guān)鍵詞:直流電機舵機小車

        李 芳,張?zhí)旎酆颖鞭r(nóng)業(yè)大學

        基于單片機的智能采摘草莓小車智能控制

        李芳,張?zhí)旎?br/>河北農(nóng)業(yè)大學

        中國是農(nóng)業(yè)大國的現(xiàn)狀和現(xiàn)代電子科技的進步促使農(nóng)業(yè)自動化的發(fā)展。該設(shè)計基于單片機為控制核心的智能循跡小車,主要利用紅外傳感器、黑白傳感器對周圍信息進行采集更新,C51對信息處理并且通過直流電機、舵機驅(qū)動控制完成對草莓定向、定高、定點采摘和智能卸載工作,完成農(nóng)業(yè)自動一體化任務。采摘機器人是農(nóng)業(yè)機器人的一種,在農(nóng)業(yè)方面具有廣闊的應用前景。

        STC89C51RC單片機;傳感器;L298N電機驅(qū)動板;SG90舵機;直流電機

        引言

        智能采摘草莓小車是一種具有兩個直流電機和四個舵機的智能小車,具有結(jié)構(gòu)簡單、無縫運動、自動化控制及機動靈活等優(yōu)點。傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展尤其是微電子和為機械技術(shù)的逐步成熟,使得智能檢查以及自動控制得以實現(xiàn)。

        智能采摘小車作為一種靈活移動、能任意角度抓取的小車。在沒有任何人干預的時候小車可以按照以黑板白線的任意軌跡行駛,同時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,當收集結(jié)束后可以到達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、舵機等來作為執(zhí)行機構(gòu),用驅(qū)動作為變流器件,組建了智能采摘小車系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

        1.1工作原理

        本系統(tǒng)以STC89C51RC為主控芯片,通過黑白傳感器、紅外傳感器對智能小車相關(guān)參數(shù)進行采集并將信息轉(zhuǎn)化為電信號,STC89C51芯片通過判斷黑白傳感器和紅外傳感器產(chǎn)生的電信號分別對直流電機以及舵機發(fā)送一系列控制信號,而這些個控制信號控制舵機和直流電機轉(zhuǎn)動來完成智能小車采摘草莓過程。

        1.2硬件設(shè)計

        圖1 小車參考系統(tǒng)

        本系統(tǒng)采用STC89C51RC單片機,黑白、紅外傳感器、直流電機、舵機,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,MCS51內(nèi)核指令完全兼容,8K字節(jié)可編程FLASH存儲器,全靜態(tài)工作,時鐘頻率最高可達33MHZ。3個16位定時器/計數(shù)器、6個中斷源、可編程串行通信、256M*8位內(nèi)部RAM.當接到黑白傳感器以及紅外傳感器的信號時,能迅速的進行判斷并發(fā)出控制電機和舵機的pwm波。Pwm波是利用單片機定時的功能將穩(wěn)定的直流信號轉(zhuǎn)化為占空比不同的矩形波,從而控制電機速度及舵機旋轉(zhuǎn)地角度。紅外反射傳感器U3的供電電壓為5伏,集電極開路輸出。當無障礙物時,U3的1腳輸出高電平,V1導通,IR_DATA為低電平;當有障礙物時,U3的1腳輸出低電平,V1截止,IR_DATA為高電平。通過單片機讀取IR_DATA的高低電平狀態(tài),即可獲知是否探測到障礙物。SG90迷你舵機構(gòu)成了機械臂組裝的塑料板采用CAD制圖與3D打印制作,通過單片機控制系統(tǒng)輸出不同占空比的矩形波來控制舵機旋轉(zhuǎn)角度。舵機包含3個主要部分:電動機、減速齒輪和控制電路。電動機為直流電機構(gòu)成舵機的心臟,高速電動機的轉(zhuǎn)速通過一個齒輪系統(tǒng)進行降低,輸出齒輪連接著一個電位器,電位器的位置標示者輸出齒輪的位置,電動機和電位器連接在控制電路上,這3部分構(gòu)成了一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

        1.3軟件設(shè)計

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

        軟件調(diào)試.在整個實驗中我們用到的是Protel 99SE仿真軟件.在該系統(tǒng)中我們通過手動置黑白傳感器以及紅外傳感器的參數(shù)來模擬實際應用中的情況,通過這種方法可以很好地排除測試當中程序的不正確性。我們的實驗結(jié)果表明程序舵機部分延時不能太大。硬件調(diào)試.在軟件調(diào)試無錯誤時我們進行硬件調(diào)試,其中通過調(diào)試我們在實驗中得知。1.舵機的信號引腳必須插在51芯片的P2端口。2.在實際檢測中調(diào)整黑白傳感器以及紅外傳感器的探測范圍。3.舵機部分以及直流電機應該分開供電,因此整個實驗過程我們選用可充電式電池。

        2 結(jié)束語

        本文主要研究單片機控制的智能小車采摘草莓。對智能小車的性能進行分析和調(diào)試,并建立智能小車控制系統(tǒng)模型,采用單片機產(chǎn)生不同pwm矩形波來驅(qū)動直流電機和舵機中的角度電機轉(zhuǎn)動的原理來控制整個系統(tǒng)的機械動作部分。并且學習了智能小車車身結(jié)構(gòu)和硬件電路,實驗表明所設(shè)計的智能小車針對性功能性能良好。本文研究成果和主要工作是根據(jù)周圍環(huán)境變化做出相應的機械運動,采用了模塊化設(shè)計,掌握了各個模塊的硬件電路設(shè)計,編程實現(xiàn)了模塊的功能,并進行了調(diào)試試驗驗證,經(jīng)測試各個模塊工作狀態(tài)良好,算法正確有效。在未來的設(shè)計系統(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相應芯片處理以更好地提升智能小車的性能。

        [1]鄧磊,肖瓊.單片機技術(shù)[J].武漢大學2014.3-4

        [2]熊昕.無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)及應用[K].西安電子科技大學

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