手持级速采果机械臂的设计探索

2019-03-03何雨龙

冶金与材料 2019年2期

何雨龙

（四川农业大学，重庆 402260）

中国是世界上最大的水果生产国和世界上最大的水果消费国。果树种植业的快速发展，增加了果园机械的市场需求。目前市场上还没有具有称重功能的水果采果机械。传统的人工采摘并分步称重，不仅效率低、劳动强度大，且容易造成果实损害。因此，研制具有称重功能的采果机械具有十分重要的意义。

1 采果机械臂设计方案

1.1 采果机械臂工作流程

当采果机系统启动时，通过摄像头将伸缩杆伸向目标果实，机械爪抓取果实，同时通过称重感应平台单片机完成称重，及时在显示屏上显示出目标果实重量。

1.2 机械臂组成及工作原理

采果机的硬件主要由机械爪、显示屏、摄像机镜头、电子感应平台、伸缩杆等组成。机械爪有闭合爪和钳爪，通过单片机控制舵机通电实现机械爪角度增减变化，张合角度0～180可实现对任何果实的抓取与释放。其原理是：舵机控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，脉冲宽度从0.5～2.5ms呈线性变化。也就是说，一定的脉冲宽度决定了其输出轴保持的相应角度。同样，舵机内有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，由比较器将外部信号和基准信号加以比较，判断出信号的方向和大小，实现电机任意方向旋转。

2 晶体振动电路设计

2.1 晶体振荡器电路

设计STC89C52中有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器，晶振电路由晶体振荡器y1和电容器C1和C2组成（为了便于叙述，用字母数字加以指代，下同）。单片机u1的引脚XTAL1脚和XTAL2脚用于连接晶体振荡器。为了计算单片机的时钟周期，文章选用y1为11.0592MHz的陶瓷无源晶体振荡器，C3和C4为辅助晶振起振的电容器。这种电容一般是陶瓷片电容，C3和C4只用一个也可接入电路，也可以同时连接，这样振荡效果更好。文章选用30pF陶瓷片电容器。

复位电路是单片机运行中硬件不可缺少的一部分。单片机的复位功能相当于计算机的重启功能。当单片机死机或程序运行进入死循环时，需要单片机复位电路帮助单片机重启或跳出死循环。本单片机复位电路主要有两种复位方式：按键开关复位和电源重启复位。

2.2 电阻应变片结构

文章采用悬臂梁固定电阻应变片。应变片电阻R1和R2固定在力敏型悬臂梁的顶部，R3和R4固定在悬臂梁的下侧。当悬臂梁上端受力时，弹性悬臂梁发生变形。应变片应变进而引起应变电阻阻值的变化，最后信号输出导线的S+和S-之间的电压值发生变化，如此实现将电路物理参数转换成电参量加以处理。

2.3 电阻应变片和悬臂梁的固定

电阻应变片密封固定完成后，悬臂梁的安装固定就是应变片设计的最后一步工序了：要注意受力端一定要悬空，下侧不能接触地面，否则会影响悬臂梁的正常变形，使应变片的应变会出现误差。此外，受力物体必须垂直作用在悬臂梁的受力面上。

3 电路及软件

将系统电路绘制完成的硬件电路图，采用模块化电路设计，便于各部分的电路分析和标注。电路设计完成后，需要检查电路的电气连接。由Protel99SE绘图软件自带的ERC电气检测功能进行检测，直到ERC错误为零，方可开始下一步设计工作。

3.1 信号放大及AD转换电路设计

系统信号放大和模数转换采用HX71AD模块实现。AVDD外控电源输出，为应变电阻传感器提供励磁调节电源。AVDD电压的调节输出值由电阻器R5和R6共同来确定。

3.2 LCD1602LCD电路设计

本系统设计采用LCD1602液晶作为显示器。LCD1602液晶最多可显示2行32个字符。文章LCD接口电路采用并行通信模式加以实现。

3.3 工作电压和功耗

功耗是电子产品的一个重要参数。在设计之初，应充分考虑功耗。通过查阅主要电子器件的手册，通过对主要有源器件功耗的统计，发现系统的最小功耗需要满足500MA的要求。系统的单片机、液晶显示器和AD转换模块均在直流5V电压下工作，因此文章最后采用DC5V-1A电源为系统供电（计算机USB接口供电也可以），从而保证系统对工作电压和功耗的要求。