基于单片机的智能采摘草莓小车智能控制

李　芳，张天慧河北农业大学

基于单片机的智能采摘草莓小车智能控制

李芳，张天慧
河北农业大学

中国是农业大国的现状和现代电子科技的进步促使农业自动化的发展。该设计基于单片机为控制核心的智能循迹小车，主要利用红外传感器、黑白传感器对周围信息进行采集更新，C51对信息处理并且通过直流电机、舵机驱动控制完成对草莓定向、定高、定点采摘和智能卸载工作，完成农业自动一体化任务。采摘机器人是农业机器人的一种，在农业方面具有广阔的应用前景。

STC89C51RC单片机；传感器；L298N电机驱动板；SG90舵机；直流电机

引言

智能采摘草莓小车是一种具有两个直流电机和四个舵机的智能小车，具有结构简单、无缝运动、自动化控制及机动灵活等优点。传感器技术的不断发展尤其是微电子和为机械技术的逐步成熟，使得智能检查以及自动控制得以实现。

智能采摘小车作为一种灵活移动、能任意角度抓取的小车。在没有任何人干预的时候小车可以按照以黑板白线的任意轨迹行驶，同时可以在任何有草莓的地方停下并能根据草莓的位置采摘草莓，并按规定的位置将草莓收集，当收集结束后可以到达目的地址将草莓包装箱取下。

本文采用c51作为主要芯片，使用了红外、黑白传感器。采用直流电机、舵机等来作为执行机构，用驱动作为变流器件，组建了智能采摘小车系统。

1　系统设计与实现

1.1工作原理

本系统以STC89C51RC为主控芯片，通过黑白传感器、红外传感器对智能小车相关参数进行采集并将信息转化为电信号，STC89C51芯片通过判断黑白传感器和红外传感器产生的电信号分别对直流电机以及舵机发送一系列控制信号，而这些个控制信号控制舵机和直流电机转动来完成智能小车采摘草莓过程。

1.2硬件设计

图1　小车参考系统

本系统采用STC89C51RC单片机，黑白、红外传感器、直流电机、舵机，其整体框图如图1所示。STC89C51RC是Atmel公司生产的AT89系列单片机，MCS51内核指令完全兼容，8K字节可编程FLASH存储器，全静态工作，时钟频率最高可达33MHZ。3个16位定时器/计数器、6个中断源、可编程串行通信、256M*8位内部RAM.当接到黑白传感器以及红外传感器的信号时，能迅速的进行判断并发出控制电机和舵机的pwm波。Pwm波是利用单片机定时的功能将稳定的直流信号转化为占空比不同的矩形波，从而控制电机速度及舵机旋转地角度。红外反射传感器U3的供电电压为5伏，集电极开路输出。当无障碍物时，U3的1脚输出高电平，V1导通，IR_DATA为低电平；当有障碍物时，U3的1脚输出低电平，V1截止，IR_DATA为高电平。通过单片机读取IR_DATA的高低电平状态，即可获知是否探测到障碍物。SG90迷你舵机构成了机械臂组装的塑料板采用CAD制图与3D打印制作，通过单片机控制系统输出不同占空比的矩形波来控制舵机旋转角度。舵机包含3个主要部分：电动机、减速齿轮和控制电路。电动机为直流电机构成舵机的心脏，高速电动机的转速通过一个齿轮系统进行降低，输出齿轮连接着一个电位器，电位器的位置标示者输出齿轮的位置，电动机和电位器连接在控制电路上，这3部分构成了一个闭环反馈系统。

1.3软件设计

智能采摘草莓分为三大模块，第一个模块：智能检测。检测又分为黑白轨道的检测以及草莓位置信息的探测，我们用到的是黑白传感器和红外传感器。第二个模块：黑白循迹模块。利用51单片机对黑白传感器采集的信息进行处理后，相应的产生控制直流电机的信号，进而控制直流电机得正转和反转。第三个模块：智能抓取草莓。根据事先定义好的距离来调整舵机角度，其中也是利用单片机对红外传感器采集的信息进行处理后产生一系列控制舵机的pwm波。

软件调试.在整个实验中我们用到的是Protel 99SE仿真软件.在该系统中我们通过手动置黑白传感器以及红外传感器的参数来模拟实际应用中的情况，通过这种方法可以很好地排除测试当中程序的不正确性。我们的实验结果表明程序舵机部分延时不能太大。硬件调试.在软件调试无错误时我们进行硬件调试，其中通过调试我们在实验中得知。1.舵机的信号引脚必须插在51芯片的P2端口。2.在实际检测中调整黑白传感器以及红外传感器的探测范围。3.舵机部分以及直流电机应该分开供电，因此整个实验过程我们选用可充电式电池。

2　结束语

本文主要研究单片机控制的智能小车采摘草莓。对智能小车的性能进行分析和调试，并建立智能小车控制系统模型，采用单片机产生不同pwm矩形波来驱动直流电机和舵机中的角度电机转动的原理来控制整个系统的机械动作部分。并且学习了智能小车车身结构和硬件电路，实验表明所设计的智能小车针对性功能性能良好。本文研究成果和主要工作是根据周围环境变化做出相应的机械运动，采用了模块化设计，掌握了各个模块的硬件电路设计，编程实现了模块的功能，并进行了调试试验验证，经测试各个模块工作状态良好，算法正确有效。在未来的设计系统中我们将采用数字图像处理的方式采集草莓图像信息以及道路状况并用DPS相应芯片处理以更好地提升智能小车的性能。

［1］邓磊，肖琼.单片机技术［J］.武汉大学2014.3-4

［2］熊昕.无线传感器网络技术及应用［K］.西安电子科技大学