陳金華，孫雪蕾

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，國內(nèi)外的農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，并逐步邁向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主力軍的行列，推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展。水果采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的主要類型，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前，水果采摘具有位置隨機(jī)、分布范圍廣等特點(diǎn)，機(jī)器人采摘作業(yè)也處于較低水平。為此，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的智能水果采摘機(jī)器人，用于采摘蘋果、梨、橙子等水果，采摘效率和穩(wěn)定性均較高，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 采摘機(jī)器人的硬件組成

智能采摘機(jī)器人系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、機(jī)械手、按鍵、顯示系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)組成詳見圖1。

智能水果采摘機(jī)器人具有水果采摘、包裝，蘋果等級(jí)評(píng)判，估算優(yōu)果率和收入等功能。根據(jù)果實(shí)的直徑和色澤，系統(tǒng)把水果分為優(yōu)等品、一等品、二等品和三等品4個(gè)等級(jí)。水果判定等級(jí)后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手模擬人手進(jìn)行水果采摘。蘋果裝滿箱后，led燈亮，2 s蜂鳴器鳴叫，提示貼密封條，并利用電機(jī)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)走，此后水果個(gè)數(shù)清零。優(yōu)等品一箱可以裝6個(gè)水果，約重2.5 kg；一等品一箱可以裝8個(gè)水果，約重 2.5 kg；二等品一箱可以裝 10個(gè)水果，約重 2.8 kg；三等品一箱可以裝12個(gè)水果，約重3.0 kg。

1.1 AT89S52單片機(jī)及外圍電路

系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)。AT89S52是Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。該單片機(jī)使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，廣泛應(yīng)用于眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)。

本系統(tǒng)利用AT89S52單片機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)調(diào)、機(jī)械手模擬手爪的抓取和松開、按鍵操作、電機(jī)動(dòng)作、LCD及數(shù)碼顯示等功能。

1.2 按鍵模塊

用4X4矩陣按鍵進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)鍵數(shù)目較多，故選用矩陣按鍵，節(jié)省I／O口的占用量，通過“↑”，“↓”“←”，“→”鍵實(shí)現(xiàn)各功能的切換和選擇，按鍵排列見圖2。

圖2 按鍵示意圖Figure 2 Schematic diagram of key

1.3 顯示模塊

液晶顯示LCD采用12864，成本相對(duì)較低，適用于各類儀器。LCD第一行顯示工作狀態(tài)，分別為“選級(jí)”“采摘”“裝箱”“密封”“傳送”“暫停”“停止”。 第二行顯示“直徑：**mm”。第三行顯示“著色：”（“均勻”或者“不均勻”）。第四行顯示“等級(jí)：”。數(shù)碼管用于顯示各等級(jí)果品的數(shù)量。一個(gè)級(jí)別的水果裝箱完成后，對(duì)應(yīng)等級(jí)的數(shù)碼管個(gè)數(shù)清零。

2 采摘機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦和核心，直接決定系統(tǒng)功能、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作效率等。軟件采用“模塊化”方法，單個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)調(diào)試完成后，可實(shí)現(xiàn)模塊共享，修改局部即可實(shí)現(xiàn)整體功能變化。智能采摘機(jī)器人系統(tǒng)的程序流程見圖3。

圖3 智能采摘機(jī)器人程序流程Figure 3 Program flow of intelligent picking robot

系統(tǒng)接通電源，按“開機(jī)”鍵，系統(tǒng)得電，顯示屏顯示“歡迎使用”，機(jī)械手爪張開。按“工作”鍵，蜂鳴器鳴響1 s后開始采摘。按“暫停”鍵，蜂鳴器鳴響1 s后暫停，再次按下蜂鳴器鳴響1 s后，繼續(xù)工作。按“停止”鍵，停止采摘，返回初始狀態(tài)。按“關(guān)機(jī)”鍵，停止工作，機(jī)械手、液晶、步進(jìn)電機(jī)等失電。按“查詢”鍵，液晶屏顯示“單價(jià)設(shè)置”“收入”“等級(jí)分布”信息，按“↑”“↓”切換，并用“確認(rèn)”鍵確認(rèn)。

按“單價(jià)設(shè)置”鍵：第一行顯示“優(yōu)等品：XX元／公斤”；第二行顯示“一等品：XX元／公斤”；第三行顯示“二等品：XX元／公斤”；第四行顯示“三等品：XX元 ／公斤”。通過“↑”“↓”“←”“→”“確認(rèn)”鍵設(shè)定每種等級(jí)的單價(jià)。按“返回”鍵，返回查詢界面。若“收入”根據(jù)設(shè)定的單價(jià)及產(chǎn)量，顯示“收入：*****.* 元”，按“返回”鍵返回查詢界面?！暗燃?jí)分布”顯示等級(jí)分布圖。

同時(shí)，水果采摘機(jī)可幫助果農(nóng)分析水果等級(jí)分布，并用不同等級(jí)占據(jù)的百分比來直觀顯示。百分比＝個(gè)數(shù)／總個(gè)數(shù)。顯示形式如圖4所示，液晶顯示屏從左到右依次顯示優(yōu)等品、一等品、二等品、三等品的百分比。

圖4 采摘水果等級(jí)分布圖Figure 4 Grade distribution of fruit-picking

3 結(jié)語

當(dāng)前，很多果樹的枝干較高，樹杈多而密，人工采摘水果困難，耗費(fèi)大量勞力。為此，采用AT89S52單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)一種智能水果采摘機(jī)器人，保證采摘的水果完好無損，實(shí)現(xiàn)水果采摘、等級(jí)劃分、裝箱、密封、傳送等功能。該系統(tǒng)易于操作，節(jié)省人工及成本，經(jīng)濟(jì)適用，具有一定的應(yīng)用前景。