【文章內(nèi)容簡介】 振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 總結(jié)：番茄采摘機械系統(tǒng)部分電路運動系統(tǒng)障礙物檢測模塊運動系統(tǒng)控制器電機驅(qū)動模塊聲光報警模塊顯示模塊 運動控制系統(tǒng)的總框圖本設(shè)計的主控制器是AT89C52單片機。它是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。功能包括對會聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。功能強大的微型計算機的AT89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。，其由時鐘電路和復(fù)位電路組成。時鐘電路。MCS51單片機芯片內(nèi)部設(shè)有一個反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時鐘可以由內(nèi)部或外部產(chǎn)生。，CC2電容值取530pF，電容的大小可以起頻率微調(diào)作用，外部時鐘電路的XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器，一般頻率低于12MHz的方波信號。復(fù)位電路。通過某種方式，使單片機內(nèi)的寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。在時鐘電路工作后，在RESET端持續(xù)給出2個機器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作。 最小系統(tǒng)電路原理圖 本設(shè)計中電機的控制方式是PWM波控制方式?？刂苾蓚€電機：前輪控制車體轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機；后輪控制電機前進(jìn)后退的直流電機。（1） 前輪控制電機轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機的電路設(shè)計前輪電機用ULN2003A作為電機驅(qū)動器，用于完成電機的正反轉(zhuǎn)。 前輪步進(jìn)電機的電路圖（2）后輪控制車體的前進(jìn)后退的電機的電路設(shè)計 直流電機用Ｈ橋驅(qū)動的電路圖 報警模塊電路設(shè)計本模塊硬件分為兩個部分：。LED燈與電阻組成光報警；蜂鳴器與驅(qū)動電路組成的聲報警。聲報警部分的驅(qū)動是由8050構(gòu)成的放大電路。報警模塊是依據(jù)避障部分提供的信號而動作的。當(dāng)機器人正常運行時，報警模塊不產(chǎn)生動作；當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到障礙物時，報警模塊動作，LED等閃光，同時蜂鳴器發(fā)出報警，起到提示作用。 LED燈光報警 聲報警，是將番茄采摘機器人的運動狀態(tài)用直觀的方法顯示出來。 顯示模塊本設(shè)計采用T/R4012小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為40Hz，由80C52發(fā)出的40KHz脈沖信號驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如機器人運動時前方遇到有障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng)LM318兩級放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當(dāng)LM567的輸入信號大于25mV時，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，?0C52單片機處理。（1）超聲波發(fā)射電路超聲波換能器兩端的震蕩脈沖是由單片機 I/O口產(chǎn)生的 40kHz 方波提供的。為了增加超聲波的探測距離，就需要增加超聲波換能器的功率。為此設(shè)計中采用了 CD4069 六非門反相器來增強超聲波的發(fā)射功率，由于非門實質(zhì)上是放大倍數(shù)很大的反相放大器，如果給非門加上合適的負(fù)反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)。單片機I/O產(chǎn)生的 40KHz 方波信號一路經(jīng)以及反向器反相后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反相器反向后送入超聲波換能器。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高的另一個電極。超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻 R23,R24 一方面可以提高反相器的高電平驅(qū)動能力，另一方面可以增強超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時間。Q10 的作用是提高單片機 I/O 口的輸出電壓，目的也是提高超聲波發(fā)射的功率。 超聲波發(fā)射驅(qū)動電路（2）超聲波接收電路集成芯片 CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用電視機遙控器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz與本設(shè)計中超聲波頻率 40KHz較為接近，所以利用它來制作超聲波檢測接收電路。實驗證明 CX20106A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖。 CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖使用CX20106A 集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋∶1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ 。2腳：該腳與地之間連接RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1 或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，典型參數(shù)R1= ，C1=1μF。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率F0，阻值越大，中心頻率越低。取F例如， R=200kΩ 時， 0≈42kHz，若取 R=220kΩ ，則中心頻率 F0 ≈38kHz。6腳：該腳與地之間接一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，～5V。第四章 運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的軟件主要由等五大部分組成，每一部分都針對相應(yīng)的硬件路。首先小車進(jìn)行上電初始化程序，屏幕顯示小車初始狀態(tài)，后小車開始前進(jìn)，前進(jìn)過程中單片機通過超聲波模塊不斷檢測距前方障礙物。當(dāng)檢測距離小于程序設(shè)定的避障安全距離時判定前方有障礙物，此時小車停止前進(jìn)，與此同時聲光報警器動作，發(fā)光 LED不斷閃爍與此同時單片機控制電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機完成避障操作完，避障動作完成后小車?yán)^續(xù)前進(jìn)并檢測前方障礙物。是否有采摘任務(wù)開始初始化信息顯示調(diào)用采摘程序N小車前進(jìn)小車停止前進(jìn)Y 運動控制系統(tǒng)總程序流程圖開始比較避障并處理計算距離發(fā)射超聲波脈沖接受超聲波脈沖 超聲波測距模塊流程圖主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化之后，超聲波測距程序設(shè)置定時器 T0 為 16位定時器，開中斷允許位 EA，清零顯示端口 P0 和 P2。之后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免信號直接耦合干擾需要延時 （這也就是超聲波測距會有一個最小可測距離的原因）。由于系統(tǒng)采用的是 12M 晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是一微秒，當(dāng)主程序檢測到接收成功標(biāo)志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)按公式d=(c*t)/2=172*T0/10000計算。在室溫下測試聲速為 344m/s，超聲波每發(fā)射，接收一次所走距離為被測距離 L 的 2 倍，L便是被測物體和超聲波傳感器之間的距離，L式中t為計數(shù)器 T0 中的計數(shù)值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送入累加器 A 與安全距離進(jìn)行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量過程。避障系統(tǒng)的程序思路是：發(fā)現(xiàn)障礙物后，番茄采摘機器人停止動作，等待排除障礙再運動。是否有障礙物入口停止前進(jìn)聲光報警等候返回YN 避障系統(tǒng)程序流程圖本設(shè)計用了兩個電機：前輪控制車體轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機；后輪控制車體前進(jìn)的直流電機。本運動系統(tǒng)對速度的精度無特殊要求，控制直流電機方法相對簡單。對于步進(jìn)電機，由于相對復(fù)雜所以以下做詳細(xì)介紹。四相步進(jìn)電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。單四拍雙四拍八拍 電源通電時序與波形圖步進(jìn)電機的驅(qū)動電路依據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生，具體如下：如果按給定方向的正序換相通電，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)；如果按反序通電換相，步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)。下面為八拍模式下以單片機的P0口的低四位為控制端口的正序和反序的控制碼。正序：0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0c，0x08，0x09； 反序：0x09，0x08，0x0c，0x04，0x06，0x02，0x03，0x01。顯示模塊的關(guān)鍵之處是了解顯示的指令。本設(shè)計使用的是128X64LCD。編寫程序時只要按照時序嚴(yán)格編寫就可以實現(xiàn)車體運動狀態(tài)的顯示功能。第五章 系統(tǒng)仿真本設(shè)計是最后借助于仿真，完成的。簡要步驟如下：在使用時先在Keil uVision環(huán)境下編輯程序，然后保存程序、建立新項目、設(shè)置項目，接著編譯程序并生成HEX文件，最后在Proteus上調(diào)試和執(zhí)行。仿真結(jié)果驗證本設(shè)計的方法正確，結(jié)果正確。仿真采用按鍵代替番茄采摘機器人采摘結(jié)構(gòu)提供的信號，用于控制后輪電機的轉(zhuǎn)動，并將電機的狀態(tài)信息顯示出去。前輪電機的轉(zhuǎn)動，也是通過按鍵來模擬采摘機構(gòu)提供的信號來完成。，顯示的是后輪電機處于停止?fàn)顟B(tài)，顯示屏顯示為“停止”。此時LED點亮，蜂鳴器發(fā)出警報，車體停止運動。，顯示的是后輪電機處在正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在顯示屏中顯示為“前進(jìn)”。此時無采摘任務(wù)，且前方無障礙物番茄采摘，機器人處于前進(jìn)狀態(tài)。 仿真效果圖（后輪電機停止?fàn)顟B(tài)） 仿真效果圖（后輪電機正轉(zhuǎn)狀態(tài)）結(jié)束語本文介紹了番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，闡述了番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的整體機械結(jié)構(gòu)與運動控制系統(tǒng)的組成，并對基于AT89C52的控制策略進(jìn)行了研究，設(shè)計了避障系統(tǒng)，并最終借助于Proteus完成了實驗的驗證。本設(shè)計簡單，軟件編程易實現(xiàn)，實時性好且成本低，通過試驗，成功實現(xiàn)了避障、顯示、報警等功能。一番風(fēng)雨路三千，通過近一個學(xué)期的努力，終于在曲折中的完成了番茄采摘運動控制設(shè)計與實現(xiàn)這一畢業(yè)設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較完整的系統(tǒng)設(shè)計，感受到實踐結(jié)合理論的重要性。在整個完成過程中，不僅提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、CAD制圖、Proteus仿真等知識，并且使我的抗壓能力、思維分析能力都有了很大提高，這必將成為我今后生活中不可多得的經(jīng)驗。同時在設(shè)計過程我也遇到了很多不懂的地方，比如如何選擇電機的整體控制策略、避障系統(tǒng)的選擇依據(jù)等問題。好在得到了王老師的耐心解惑，給我的畢業(yè)設(shè)計指明了方向。參考文獻(xiàn)[1] IllWoo Park, JungYup Kim, Jungho Lee, JunHo Oh. 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