畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-農(nóng)用噴霧機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、 xx大學(xué)高等教育自學(xué)考試畢 業(yè) 論 文論文題目: 農(nóng)用噴霧機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)湖 北 省 高 等 教 育 自 學(xué) 考 試 本 科 畢 業(yè) 生 論 文評(píng) 審 意 見 表論文題目：農(nóng)用噴霧機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)湖北省高等教育自學(xué)考試委員會(huì)辦公室制指導(dǎo)老師單位xx大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院職稱副教授指導(dǎo)教師評(píng)語： 指導(dǎo)老師： 年 月 日辯論小組評(píng)語： 組長(zhǎng)簽名： 年 月 日辯論委員會(huì)意見： 負(fù)責(zé)人簽名： 簽章 年 月 日畢業(yè)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體

2、已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要奉獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承當(dāng)。 論文作者簽名： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)說明本人完全了解學(xué)校關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽效勞；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡木植炕蛉?jī)?nèi)容。論文作者簽名： 年 月 日摘 要 根據(jù)噴霧機(jī)器人在田間成全自動(dòng)噴霧作業(yè)的要求，以單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及電機(jī)調(diào)速技術(shù)為核心，成功研制出了噴霧機(jī)器人單

3、片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含人機(jī)接口、A/D轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)采集等功能模塊。選用單片機(jī)控制方案，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。 針對(duì)噴霧機(jī)器人田間移動(dòng)位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性要求較高的特點(diǎn)，選擇磁傳感方式，自行研制了一種可以遠(yuǎn)距離檢測(cè)磁標(biāo)志的位置傳感器。 為使噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，選擇電動(dòng)缸和減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，提出了一種新的適合于低精度直流調(diào)速的H型PWM變換器功率晶體管基極驅(qū)動(dòng)方式，采用PWM方式成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人行走電機(jī)的速度控制。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用DC/DC隔離電源。所有輸出均進(jìn)行了光電隔離。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；單機(jī)片；磁傳感器 Abstract Ba

4、sed on the working requirement for spraying robot to complete field spraying task aunomatically totally. We successfully developed a set of single-chip measuring and controlling system for zhe spraying robot.the controlling system includes function modules such as man-machine interface A/D conversio

5、n ,electromotor driving,sensor signal collection and so on.Single-chip controlling precept makes the whole system has tight structure and high stabillty. To insure the spraying robot apperceiving position signs in field reliably and exactly while move in field,we select magnetic sensing mode and dev

6、elop a kind of position sensor that can apperceive magnetism signs from long distance. In order to make the spraying robots structure tight,we select linear actuator and decelerated electrotor as the driving device. We bring forward a new base-poll driving method for gigantic transistors in H-type P

7、WM converter and by adopting PWM method,successfully complete rotate speed controlling for the walking electromotor. During the development of single-chip system,for the sake of reliabillty ,we take a DC/DC converter as its power supply and allputput are light-eletricity insulated.Keywords: singlech

8、ip；robot；magnetism sensor目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc288007262 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc288007262 h 1 HYPERLINK l _Toc288007263 一 引言 PAGEREF _Toc288007263 h 1 HYPERLINK l _Toc288007264 二 設(shè)施農(nóng)業(yè)的開展 PAGEREF _Toc288007264 h 1 HYPERLINK l _Toc288007265 三 農(nóng)用噴霧機(jī)械的開展?fàn)顩r PAGEREF _Toc288007265 h 1 HYPERLINK

9、l _Toc288007266 四 課題研究的內(nèi)容和意義 PAGEREF _Toc288007266 h 2 HYPERLINK l _Toc288007267 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc288007267 h 3 HYPERLINK l _Toc288007268 一 噴霧機(jī)械人的作業(yè)環(huán)境 PAGEREF _Toc288007268 h 3 HYPERLINK l _Toc288007269 二 噴霧機(jī)器人的作業(yè)過程和整體功能 PAGEREF _Toc288007269 h 3 HYPERLINK l _Toc288007270 三 總體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _T

10、oc288007270 h 5 HYPERLINK l _Toc288007271 1、組成與結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc288007271 h 5 HYPERLINK l _Toc288007272 2、執(zhí)行局部的選取 PAGEREF _Toc288007272 h 5 HYPERLINK l _Toc288007273 3、傳動(dòng)方案 PAGEREF _Toc288007273 h 6 HYPERLINK l _Toc288007274 4、行走電機(jī)速度調(diào)節(jié)方式 PAGEREF _Toc288007274 h 7 HYPERLINK l _Toc288007275 5、田間標(biāo)志檢測(cè)方式 P

11、AGEREF _Toc288007275 h 8 HYPERLINK l _Toc288007276 四控制系統(tǒng)總體方案 PAGEREF _Toc288007276 h 9 HYPERLINK l _Toc288007277 1、控制系統(tǒng)的功能 PAGEREF _Toc288007277 h 9 HYPERLINK l _Toc288007278 2、控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc288007278 h 9 HYPERLINK l _Toc288007279 3、人機(jī)界面的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc288007279 h 10 HYPERLINK l _Toc28800728

12、0 第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc288007280 h 13 HYPERLINK l _Toc288007281 一單片機(jī)系統(tǒng)主板電路 PAGEREF _Toc288007281 h 13 HYPERLINK l _Toc288007282 1、輸入輸出信號(hào) PAGEREF _Toc288007282 h 13 HYPERLINK l _Toc288007283 2、單片機(jī)系統(tǒng)主板電路總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc288007283 h 14 HYPERLINK l _Toc288007284 3、主要元器件的選擇和電路的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc28800728

13、4 h 14 HYPERLINK l _Toc288007285 二轉(zhuǎn)向和升降電機(jī)及噴霧閥的驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc288007285 h 20 HYPERLINK l _Toc288007286 三行走電機(jī)PWM控制電路脈寬調(diào)制變換器 PAGEREF _Toc288007286 h 21 HYPERLINK l _Toc288007287 1、PWM變換電路的幾種形式 PAGEREF _Toc288007287 h 21 HYPERLINK l _Toc288007288 2、行走電機(jī)PWM控制方式確實(shí)定 PAGEREF _Toc288007288 h 23 HYPERLINK l

14、 _Toc288007289 3、行走電機(jī)PWM變換電路的實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc288007289 h 24 HYPERLINK l _Toc288007290 四磁傳感器設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc288007290 h 27 HYPERLINK l _Toc288007291 五電路板的劃分、制作和安裝 PAGEREF _Toc288007291 h 31 HYPERLINK l _Toc288007292 1、電路的模塊劃分 PAGEREF _Toc288007292 h 31 HYPERLINK l _Toc288007293 2、電路板的繪制 PAGEREF _Toc288

15、007293 h 31 HYPERLINK l _Toc288007294 3、電路板的安裝 PAGEREF _Toc288007294 h 32 HYPERLINK l _Toc288007295 結(jié) 論 PAGEREF _Toc288007295 h 33 HYPERLINK l _Toc288007296 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc288007296 h 34 HYPERLINK l _Toc288007297 致 謝 PAGEREF _Toc288007297 h 35第一章 緒 論一引言在中國(guó)，自古以來農(nóng)業(yè)一直是勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)條件差的行業(yè)。農(nóng)用機(jī)械化水平低、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)力

16、處于較低水平。隨著全社會(huì)生活水平的提高，農(nóng)民對(duì)自己的勞動(dòng)條件有了更高的要求，機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)代替手工勞動(dòng)是必然的趨勢(shì)。隨著我國(guó)參加世界貿(mào)易組織WTO，農(nóng)業(yè)也要參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化勢(shì)在必行，只有提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)的水平，才能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，在競(jìng)爭(zhēng)中求生存求開展1。二 設(shè)施農(nóng)業(yè)的開展 設(shè)施農(nóng)業(yè)又稱為可控農(nóng)業(yè)，它是用一定的設(shè)施和工程技術(shù)手段改變自然環(huán)境，在環(huán)境可控的條件下，按照作物生長(zhǎng)發(fā)育要求的最正確環(huán)境，以最少的資源投入進(jìn)行生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。溫室大棚農(nóng)業(yè)是典型的設(shè)施農(nóng)業(yè)，其具有高投入高產(chǎn)出、抗災(zāi)能力強(qiáng)、科技含量高等特點(diǎn)，效率和效益比傳統(tǒng)的露地自然農(nóng)業(yè)要提高幾倍甚至幾十

17、倍。 我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐步由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的具體表現(xiàn)，是高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的必然要求。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，我國(guó)的設(shè)施農(nóng)業(yè)開展迅速，特別是設(shè)施栽培的開展給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了無限生機(jī)。全國(guó)現(xiàn)在的溫室大棚的面積已到達(dá)156700公頃，位居世界第一。但我國(guó)的設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)也存在一些問題，其中一個(gè)非常突出的問題就是：設(shè)備不配套，作業(yè)主要依靠人工作業(yè)，缺乏設(shè)施栽培小型作業(yè)機(jī)具，除了在大棚內(nèi)采用小型拖拉機(jī)進(jìn)行耕整地作業(yè)外，根本上是依靠人工作業(yè)，且作業(yè)環(huán)境十分惡劣，這不僅限制了勞動(dòng)效率的提高和勞動(dòng)條件的改善，還阻礙了設(shè)施農(nóng)業(yè)朝精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和工廠化農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步開展。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)聲場(chǎng)方

18、式，其進(jìn)一步開展必然要求提高大棚作業(yè)的機(jī)械化啟動(dòng)化水平。 設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，有著重要的作用；噴灑殺菌劑或殺蟲劑防止作物病蟲害；噴灑除草劑消滅雜草；噴灑化學(xué)肥料；噴灑藥劑對(duì)土壤消毒、滅菌；噴灑生產(chǎn)激素促進(jìn)作為生長(zhǎng)等。但假設(shè)采用手工方式，大棚噴霧作業(yè)將是一種極其繁重和危險(xiǎn)的勞動(dòng)，所有一種高效、經(jīng)濟(jì)、平安的噴霧機(jī)械急待研究。三農(nóng)用噴霧機(jī)械的開展?fàn)顩r 目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)農(nóng)用噴霧機(jī)械的企業(yè)有很多，一些新型的噴霧方式也被采用，從而大大提高了噴霧的質(zhì)量和工作效率。但對(duì)噴霧機(jī)械的研制和改良大都集中和限制在對(duì)液壓泵和噴頭的研制和改良上，而噴霧機(jī)械本身在田間的移動(dòng)方式卻一直很落后。假設(shè)按移動(dòng)方式分類，現(xiàn)在又的產(chǎn)

19、品主要有以下幾種： = 1 * GB2 背負(fù)式全人工移動(dòng)，效率低而勞動(dòng)強(qiáng)度很大，而且很不平安。 = 2 * GB2 定點(diǎn)作業(yè)式依然靠人工移動(dòng)，只是比背負(fù)式噴霧機(jī)有更大的作業(yè)功率和射程，固定地點(diǎn)作業(yè)時(shí)效率較高。但在需要頻繁移動(dòng)的條件下效率顯著下降。 = 3 * GB2 手推車式實(shí)現(xiàn)了牽引機(jī)械化，但須有人跟隨手扶駕駛。 = 4 * GB2 動(dòng)力牽引式實(shí)現(xiàn)了行駛機(jī)械化，一次攜帶的藥液量大，但需要配備額外的牽引裝置，總體作業(yè)本錢較高。而且要專人駕駛，依然沒有解除藥液對(duì)人體的侵害。 這些類型的噴霧機(jī)械大局部都實(shí)現(xiàn)了泵液的機(jī)械化，很大程度上提高了噴霧作業(yè)的效率和減輕了作業(yè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。但由于作業(yè)的全過仍然

20、得有人參與，這樣使得操作者擺脫不了受有毒藥劑侵害的危險(xiǎn)，而且也限制了勞動(dòng)效率的進(jìn)一步提高。例如：使用背負(fù)式噴霧機(jī)，一人一天只能作業(yè)23畝左右。而比擬大型的動(dòng)力牽引式和車載式噴霧機(jī)又需要配備專門的牽引機(jī)械，總體本錢比擬高，也不適合我國(guó)分散小塊經(jīng)營(yíng)的現(xiàn)狀。 至于國(guó)外的情況，歐美和日本在噴霧機(jī)械的開展上形成了不同的風(fēng)格。歐美等國(guó)開展了大型的噴霧機(jī)械，最典型也是最先進(jìn)的是用于大棚作業(yè)的固定軌道式噴霧機(jī)。這種噴霧機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度和作業(yè)效率都很高。但其本錢也很高，就我國(guó)引進(jìn)的機(jī)型來看，價(jià)格在10萬元/套以上，主要用在高檔產(chǎn)值的溫室大棚內(nèi)，而我國(guó)的溫室大棚大多是土法上馬的，其本身的造價(jià)和產(chǎn)值比擬

21、低，所有這種噴霧機(jī)不適合我國(guó)的國(guó)情。 而日本研制的全自動(dòng)化的小型噴霧機(jī)械，不需要在田間安裝固定軌道，本錢低；全自動(dòng)運(yùn)行，工作效率高，完全不需要人工的干預(yù)，氣使人遠(yuǎn)離有毒藥劑，是一種清潔健康的產(chǎn)品。我們認(rèn)為，這樣的噴霧機(jī)械是比擬適合我國(guó)國(guó)情的。四 課題研究的內(nèi)容和意義 從噴霧機(jī)械開展?fàn)顩r來看，我國(guó)現(xiàn)有的噴霧機(jī)械的自動(dòng)化水平普遍很低，有的甚至根本沒有半點(diǎn)自動(dòng)化的成分，這是造成各種缺乏和限制噴霧機(jī)械進(jìn)一步開展的主要原因。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開展，各種自動(dòng)化的產(chǎn)品紛紛出現(xiàn)。而將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)引入到噴霧機(jī)械的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，是進(jìn)一步提高作業(yè)效率和改善勞動(dòng)條件的關(guān)鍵，也是設(shè)施農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開展的要求，。本課

22、題也就是在這樣的背景下產(chǎn)生。1997年，我國(guó)農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)了國(guó)際引進(jìn)工程(“948工程)。本課題作為農(nóng)業(yè)“948工程“植保機(jī)械農(nóng)藥防護(hù)技術(shù)及關(guān)鍵器械引進(jìn)的字課題，主要負(fù)責(zé)引進(jìn)農(nóng)藥噴霧機(jī)械人控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)研制工作。本課題所要研制的噴霧機(jī)器人既是在借鑒日本經(jīng)驗(yàn)的情況下產(chǎn)生的。 與現(xiàn)有的噴霧機(jī)械相比，自動(dòng)作業(yè)的噴霧機(jī)械人具備如下優(yōu)點(diǎn)： = 1 * GB2 全自動(dòng)化作業(yè)，不需要人工干預(yù)，改善勞動(dòng)條件。 = 2 * GB2 體積小，重量輕，本錢較低。 = 3 * GB2 田間各處的噴霧量更均勻，噴霧質(zhì)量好。 = 4 * GB2 作業(yè)效率高，適合大面積的大棚作業(yè)。 = 5 * GB2 易實(shí)現(xiàn)智能化。 可以預(yù)見

23、，隨著對(duì)農(nóng)業(yè)投入力度的加大，我國(guó)現(xiàn)代的農(nóng)機(jī)具將會(huì)有一個(gè)較大的開展。田間自動(dòng)噴霧機(jī)器人將大大提高生產(chǎn)率和保護(hù)操作者的健康。 此項(xiàng)研究第一次將自動(dòng)化的概念引進(jìn)到噴霧機(jī)械的研制中來，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，對(duì)此類研究具有一定的指導(dǎo)意義。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)一 噴霧機(jī)械人的作業(yè)環(huán)境 在進(jìn)行噴霧機(jī)器人自身的設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。我們本著工廠化精細(xì)農(nóng)業(yè)的宗旨對(duì)田間環(huán)境進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在作物間開辟出一些供機(jī)器人行駛的行道。行道的分布大致有如以下圖所示的四種情形： = 1 * GB3 ：主行道從中央只穿整個(gè)地塊，在主行道的左右兩旁均勻分布有橫向行道。這種劃分方式適合于較大的地塊。 =

24、2 * GB3 ：只在主行道的右邊分布有橫向行道。 = 3 * GB3 ：只在主行道的左邊分布有橫向行道。 = 4 * GB3 ：沒有任何的橫向行道，機(jī)器人在作業(yè)時(shí)不用拐彎，這種劃分方式只適合于比擬小的地塊。 由于其他地塊劃分方式都可以認(rèn)為是一種方式的特例，所以接下來只要以第一種方式討論噴霧機(jī)器人的工作過程2。二 噴霧機(jī)器人的作業(yè)過程和整體功能噴霧機(jī)器人的具體工作過程和在田間的行走路線如圖2-2所示。 噴霧機(jī)器人配套動(dòng)力噴霧機(jī)泵一起完成噴霧作業(yè)。動(dòng)力噴霧機(jī)加壓，噴霧機(jī)器人攜帶噴頭及管子一起順著田間行道行走，并隨時(shí)釋放往和卷緊返噴管。在動(dòng)力噴霧機(jī)附近和每行作物和行始端安裝有導(dǎo)管器。如圖中箭頭所示

25、，噴霧機(jī)器人從田間入口處進(jìn)入，沿著主行道前進(jìn)。遇到首行標(biāo)志后，拐彎90度走向主行道兩邊的橫向行道，遇到行尾標(biāo)志機(jī)器人反向行駛，在橫向道行駛過程中，機(jī)器人按設(shè)定的方式噴霧往噴或返噴。完成一橫向作業(yè)后，沿主行道返回，檢測(cè)行頭標(biāo)志，依次進(jìn)行以下各行的噴霧作業(yè)。最后噴霧機(jī)器人從入口處退出，遇到作業(yè)終止標(biāo)志后停止工作，作業(yè)完成。 為了完成上述自動(dòng)噴霧作業(yè)的任務(wù)，考慮到田間作業(yè)的其他因素，該噴霧機(jī)器人應(yīng)具備如下功能： = 1 * GB2 內(nèi)藏有幾種傳感器，能檢測(cè)放置于田間的首行、行頭、行尾、作業(yè)終止標(biāo)志，完成自動(dòng)轉(zhuǎn)向和啟停。 = 2 * GB2 裝備有升降和拐彎裝備，以上升拐彎90度下降的方式拐彎，這樣不

26、僅可以保證拐彎角度的準(zhǔn)確，而且減小了機(jī)器人的拐彎半徑，從而減小田間行道的寬度，充分利用耕地面積。 = 3 * GB2 0.17米/秒之間。 = 4 * GB2 前進(jìn)散步噴霧、后退散步和前進(jìn)后退散步方式可選，不散步時(shí)自動(dòng)以高速返回，以提高工作效率。 = 5 * GB2 適應(yīng)圖2-1中的4中地塊劃分方式的作業(yè)，工作方式可以分別通過控制面板設(shè)定為左右拐彎、右拐彎、坐拐彎、不拐彎。 = 6 * GB2 由于田間的地形不可防止地會(huì)有起伏，機(jī)器人走偏是有可能翻倒。所以應(yīng)有傾倒檢測(cè)裝置，機(jī)器人翻倒一定的角度時(shí)，給出警告，并由系統(tǒng)做出相應(yīng)的處理。 = 7 * GB2 具備手動(dòng)操作的功能，能完全由手功操作完成整

27、個(gè)田間作業(yè)。 = 8 * GB2 能對(duì)控制系統(tǒng)自身的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以LED和蜂鳴器予以指示。 = 9 * GB2 有自動(dòng)卷管機(jī)構(gòu)，保證停止制動(dòng)時(shí)卷管局部不滑動(dòng)3。三 總體設(shè)計(jì)方案1、組成與結(jié)構(gòu)從上述機(jī)器人應(yīng)具備的功能可以看出，其主要的組成局部應(yīng)有行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、卷管機(jī)構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)。圖2-3為機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的側(cè)面示意圖。 升降、轉(zhuǎn)向用的電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在傳動(dòng)箱內(nèi)，在圖中沒有畫出。 行走電機(jī)和卷管輪之間采用一級(jí)棘輪傳動(dòng)。機(jī)器人后退時(shí)，行走電機(jī)通過鏈條帶動(dòng)卷管輪順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，收卷噴霧管；而機(jī)器人前進(jìn)時(shí)卷管輪依靠噴霧管的自然拉力逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，釋放噴霧管。托板8在升降電機(jī)的

28、驅(qū)動(dòng)下相對(duì)機(jī)器人車身做上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車身相對(duì)地面的升降運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人升起后，整個(gè)車身都依靠托板8支撐，這時(shí)轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)車身相對(duì)于托板8左右轉(zhuǎn)，也就完成了機(jī)器人相對(duì)地面的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。2、執(zhí)行局部的選取常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)形式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)和電動(dòng)三種。液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)都需要配備液壓泵或氣泵，整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積比擬大，本錢高。而且一般氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的輸出力矩小，液壓驅(qū)動(dòng)雖然輸出的力矩可以很大，但在輸出較大力矩時(shí)對(duì)氣缸的密封性能要求提高，使本錢進(jìn)一步增加。而電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也就是電動(dòng)機(jī)那么體積小，采用電瓶供電比擬方便，相對(duì)來說本錢低的很多。 電動(dòng)機(jī)可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流供電的形式。而直流電動(dòng)機(jī)又分為勵(lì)磁式和他勵(lì)

29、式兩種，在一般的應(yīng)用場(chǎng)合，大多采用他勵(lì)式直流電機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)只需改變電樞電壓，便可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而且其機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較廣，完全可以滿足機(jī)器人行走的要求。所有我們選用它勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人的行走動(dòng)力，電機(jī)功率45W，額外電壓24伏。電機(jī)內(nèi)部包含減速器，其速比為25:1，這樣電機(jī)的輸出輪可直接和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪以鏈條相連，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)局部的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人的體積和重量大大減小。 至于轉(zhuǎn)向和升降用的電動(dòng)機(jī)，考慮到簡(jiǎn)化機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)，我們采用輸出為直線運(yùn)動(dòng)的直流線性馬達(dá)電動(dòng)缸。電動(dòng)缸主要由電動(dòng)機(jī)、減速裝置、保護(hù)裝置、絲杠螺桿結(jié)構(gòu)及杠殼組成，其外形如圖2-4所示。隨著電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，推桿順著

30、缸套做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。保護(hù)裝置限定推桿行程，防止發(fā)生過沖事故。其工作原理如圖2-5所示： 圖中K1、K2為常閉的行程開關(guān)。當(dāng)凸臺(tái)位于K1、K2之間時(shí)，K1、K2都閉合，隨著A、B亮點(diǎn)間電壓方向的不同，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)推桿相對(duì)缸套做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在圖2-5中，我們假設(shè)A接電源正極，B接電源負(fù)極時(shí)推桿向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)推桿向右運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，固定于推桿上的凸臺(tái)碰到行程開關(guān)K2，使K2斷開，電流被切斷，電機(jī)停止。此時(shí)可以將A、B間的電壓反向，電流通過二極管D2，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，推桿向左運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)到左極限位置后，凸臺(tái)碰到開關(guān)K1，電動(dòng)機(jī)線圈電流又被切斷。使推桿的凸臺(tái)不可能超出K1、K2這兩個(gè)位置，從而起到限定行

31、程保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用4。3、傳動(dòng)方案行走電動(dòng)機(jī)內(nèi)部配備有減速器，所以在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間采用簡(jiǎn)單的鏈條傳動(dòng)，在此不予詳述。以下只對(duì)升降機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行闡述。 = 1 * GB2 升降機(jī)構(gòu) 采用一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的升降運(yùn)動(dòng)，如以下圖所示： 導(dǎo)槽固定于機(jī)器人車身上，銷子1和銷子2可以在導(dǎo)槽中滑動(dòng)，電動(dòng)缸推桿和銷子2緊固在一起，缸套那么固定在車身上。電動(dòng)缸推桿向外伸出時(shí)，托板相對(duì)車身向下運(yùn)動(dòng)，依靠地面的反推力迫使機(jī)器人升起，反之那么機(jī)械人下降。 = 2 * GB2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 圖中軸和電動(dòng)缸缸套固定在機(jī)器人車身上，推桿通過銷子和套筒連接在一起，而套筒那么緊固在圖2-6所示的托板上。當(dāng)電動(dòng)缸推桿向

32、外伸出時(shí)，車身相對(duì)于托板旋轉(zhuǎn)。假設(shè)此時(shí)機(jī)器人已經(jīng)升起，那么托板相對(duì)地面不動(dòng)，機(jī)器人車身相對(duì)于托板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也就是機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。適當(dāng)調(diào)節(jié)電動(dòng)缸行程的長(zhǎng)度，就可以使機(jī)器人每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為90度。4、行走電機(jī)速度調(diào)節(jié)方式1、直流電機(jī)的調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和各參量的關(guān)系可用下式表示： N=(U-IR)/(Ke)式中，n為轉(zhuǎn)速，單位是rpm轉(zhuǎn)/分鐘；U為電樞電壓，單位是V伏；為勵(lì)磁磁通，單位是Wb；R為電樞電路電阻，單位為； I為電樞電流，單位是A安；ke為電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 由上式可以看出，要想改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可有三種不同的方式，調(diào)節(jié)電樞供電電壓U，改變電樞回路電阻R，調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁

33、通。 因?yàn)楦淖冸娮枵{(diào)速會(huì)在電阻上消耗較多的電能，使電機(jī)工作效率不高；而調(diào)節(jié)磁通范圍很小，不然將造成飛車事故，所以直流電機(jī)以變壓調(diào)速為主。 變壓的方式也有多種，目前廣泛采用的利用晶閘管的可控整流器和采用全控型電力電子器件組成的直流斬波器或脈沖寬度調(diào)制PWM變換器。PWM變換器一般具有消耗小，效率高的特點(diǎn)。PWM脈寬調(diào)制調(diào)速的原理如圖2-8所示： 當(dāng)開關(guān)SW接通時(shí)電源E加在電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，電機(jī)兩端近似為零。如此反復(fù)循環(huán)，電機(jī)兩端的電壓波形如圖2-8b所示。而當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端將得到幾乎連續(xù)穩(wěn)定的平均電壓，該平均電壓為： Vd= /T=&

34、E式中，T為開關(guān)元件的開關(guān)周期：為開通時(shí)間；&=ton/T為開通占空比。改變開通占空比，平均電壓也隨之改變，如果將該電壓加在電流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，就可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就是通過改變開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來控制平均輸出電壓大小的脈沖寬度調(diào)制方法PWM。 PWM調(diào)速系統(tǒng)與可控整式調(diào)速系統(tǒng)相比由以下優(yōu)點(diǎn)：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高。而且，隨著電子技術(shù)的開展，出現(xiàn)了新一代的電力電子器件。這樣的電力電子器件本錢低，控制方便，大大促進(jìn)了PWM調(diào)速系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用。 本系統(tǒng)中的行走電機(jī)對(duì)調(diào)速精

35、度要求不高20%，只要求有幾種速度可選。考慮到PWM調(diào)速上的優(yōu)點(diǎn)，我們采用開環(huán)式的PWM調(diào)速。 另外，由于在本系統(tǒng)中采用的控制器為單片機(jī)，完全可以以軟硬件相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，減小硬件的復(fù)雜程度，降低本錢。5、田間標(biāo)志檢測(cè)方式機(jī)器人要完成自動(dòng)拐彎、啟停等操作，首先必須識(shí)別田間的位置標(biāo)志，所以選擇適宜的田間標(biāo)志檢測(cè)方式很重要，這也就是一個(gè)傳感器的選擇問題。 傳感器的種類很多，可分為接觸式和非接觸式的。而非接觸式式傳感器又有光傳感器、電感式傳感器和磁傳感器等很多種。 首先，由于機(jī)器人的移開工作，要求檢測(cè)方式是非接觸的。為了可靠地檢測(cè)到田間標(biāo)志，要求檢測(cè)距離要求大于1.5倍的車輪半徑10以上

36、。 可以考慮選取紅外傳感器，但由于田間的作業(yè)環(huán)境比擬復(fù)雜，容易對(duì)紅外傳感器造成干擾。磁傳感器的工作只受鐵磁質(zhì)物質(zhì)的影響，而不會(huì)被田間的雜物所干擾。所以選用磁傳感器是一個(gè)好的方案。如圖2-9所示，傳感器安裝于機(jī)器人上，而磁標(biāo)志磁塊放置于田間。首行標(biāo)志、作業(yè)終止都由同一種傳感器檢測(cè)，其區(qū)別是對(duì)應(yīng)的傳感器安裝的位置不同首行傳感器置于機(jī)器人的前方，朝前；行頭和行尾的傳感器置于機(jī)器人的下方，朝下；作業(yè)終止傳感器置于機(jī)器人的前方，朝后。 四控制系統(tǒng)總體方案1、控制系統(tǒng)的功能 因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是噴霧機(jī)器人的關(guān)鍵局部，以上機(jī)器人整體功能的實(shí)現(xiàn)很大程度上都依賴于控制系統(tǒng)的功能，所以明確機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能非常重要。

37、以下便是機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具備的具體功能： = 1 * GB2 控制機(jī)器人整機(jī)的升/降，啟/停，轉(zhuǎn)向，行走。噴霧閥的啟閉，讓機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件協(xié)調(diào)地工作。且有一定的保護(hù)措施，防止各運(yùn)動(dòng)部件之間的干預(yù)。 = 2 * GB2 能對(duì)機(jī)器人的行走速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，有幾種速度可選。采用一定的措施保證行走速度穩(wěn)定在額定速度的20%。 = 3 * GB2 安裝適宜的磁標(biāo)志傳感器，能檢知田間的位置標(biāo)志，控制機(jī)器人按預(yù)定的工作方式和行走路線作業(yè)。 = 4 * GB2 對(duì)噴霧機(jī)器人所用的電源進(jìn)行檢測(cè)，在面板上予以顯示。電壓低于一定值時(shí)應(yīng)給出警告，提升充電。 = 5 * GB2 選用適宜的傾倒傳感器，采用傾倒傳感器的信

38、號(hào)，噴霧機(jī)器人傾倒時(shí)給出警告及做停機(jī)等處理，以防事故的發(fā)生。 = 6 * GB2 提供用戶操作接口按鍵和顯示，能讓用戶方便地了解系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)定噴霧機(jī)器人的工作方式。 = 7 * GB2 應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，適應(yīng)各種氣候的田間作業(yè)5。2、控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)從噴霧機(jī)器人控制系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的功能可以看出，該系統(tǒng)應(yīng)具有前向通道傳感器、后向通道電機(jī)及噴霧閥等的控制和邏輯運(yùn)算局部決定控制時(shí)機(jī)和方式及人機(jī)界面，是一個(gè)典型的測(cè)控系統(tǒng)。由于單片機(jī)系統(tǒng)的檢測(cè)功能強(qiáng)，可靠性高，體積小，有專門的開發(fā)平臺(tái)，調(diào)試方便，且本錢低，所以優(yōu)先考慮用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。 以單片機(jī)為中心，那么該控制系統(tǒng)的控制過程如下： 設(shè)定工作模

39、式采集傳感器信號(hào)/接受鍵盤輸入邏輯運(yùn)算控制和狀態(tài)信號(hào)輸出。這樣。整個(gè)控制系統(tǒng)也就可以劃分為單片機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器、電源、和控制面板幾局部，以下便是控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖： 3、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)人機(jī)界面分為兩局部：鍵盤和顯示。鍵盤用于完成電源的開關(guān)。系統(tǒng)工作方式設(shè)定、手動(dòng)操作和自動(dòng)操作的啟停；顯示局部采用LED指示，用于指示用戶設(shè)定的系統(tǒng)工作方式、當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)等信息。 由于田間作業(yè)環(huán)境的雨水較多，控制面板被設(shè)計(jì)成密封的防水安裝形式。 以下是控制面板的外觀圖不按比例： 面板中各按鍵的含義與功能如下： “開：按下后翻開電源，并指示各種初始狀態(tài)； “關(guān)：按下那么關(guān)閉電源； “左/右：循環(huán)設(shè)

40、定與地塊劃分方式有關(guān)的機(jī)器人左右旋轉(zhuǎn)方式右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)左右轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，停車時(shí)有效； “往/返：循環(huán)設(shè)定機(jī)器人往返噴霧方式往返噴霧往噴返噴不噴霧往返噴，停車時(shí)有效。 “當(dāng)前位置：設(shè)定和指示機(jī)器人的當(dāng)前方位和行走方向，停車時(shí)可設(shè)定。 “行走速度：循環(huán)設(shè)定機(jī)器人的行走速度高低高。 “運(yùn)轉(zhuǎn)：停車時(shí)，按下此鍵即開始自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；機(jī)器人正在執(zhí)行手動(dòng)操作且手動(dòng)操作中停機(jī)器人已經(jīng)升起時(shí)，按下此鍵那么繼續(xù)未完的手動(dòng)操作，否那么不予反響。 “停止：機(jī)器人正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，按下此鍵那么停止自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)操作；當(dāng)機(jī)器人正在進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，按下此鍵那么暫停正在進(jìn)行的手動(dòng)操作；機(jī)器人已經(jīng)停止時(shí)按下次鍵那么顯示電瓶電壓的滿度

41、，釋放后又恢復(fù)為速度指示。 “左轉(zhuǎn)：機(jī)器人處于升起狀態(tài)時(shí)，按一次機(jī)器人左轉(zhuǎn)90度，然后停止轉(zhuǎn)動(dòng)；假設(shè)機(jī)器人沒有升到頂端，那么先升起再左轉(zhuǎn)90度，下降，最后停止；機(jī)器人不能左轉(zhuǎn)時(shí)正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng)在左邊了該按鍵無效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “右轉(zhuǎn)：機(jī)器人處于升起狀態(tài)時(shí)，按一次機(jī)器人右轉(zhuǎn)90度，然后停止轉(zhuǎn)動(dòng)；假設(shè)機(jī)器人沒有升到頂端，那么先升起再右轉(zhuǎn)90度，下降，最后停止；機(jī)器人不能右轉(zhuǎn)時(shí)正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng)在右邊了該按鍵無效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “上升：按機(jī)器人開始上升，上升到頂端后停止。機(jī)器人不能上升時(shí)正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng)在頂端了該按鍵無效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “下降：按機(jī)器人開始下降，下降到底端后停止。機(jī)器人不能

42、下降時(shí)正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng)在底端了該按鍵無效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “前進(jìn)：點(diǎn)動(dòng)按鍵，按下時(shí)機(jī)器人前進(jìn)，松動(dòng)后制動(dòng)停車且非手動(dòng)操作時(shí)有效。 “后退：點(diǎn)動(dòng)按鍵，按下時(shí)機(jī)器人后退，松動(dòng)后制動(dòng)停車且非手動(dòng)操作時(shí)有效。 “噴霧：手動(dòng)鍵，按下翻開噴霧閥，再次按下關(guān)閉噴霧閥。 面板中的各指示燈的含義如下： “電源指示燈：位于“開按鍵上方。系統(tǒng)接通電源時(shí)亮，切斷電源時(shí)熄滅；當(dāng)電瓶需要充電時(shí)在蜂鳴器發(fā)出“嘀、“嘀聲的同時(shí)電源指示燈閃爍。 系統(tǒng)“狀態(tài)指示燈：位于“關(guān)按鍵上方。當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，系統(tǒng)指示點(diǎn)亮，否那么熄滅。 速度/電壓指示燈：六個(gè)，位于“關(guān)按鍵和“左右按鍵中間。平時(shí)指示電瓶電壓的滿度，釋放按鍵后又恢復(fù)為行走速度

43、指示。行走速度或電瓶電壓滿度由小到大時(shí)，對(duì)應(yīng)依次從上到下點(diǎn)亮不同的指示燈。 左右拐彎設(shè)定指示燈：兩個(gè)位于“左/右按鍵上方。機(jī)器人設(shè)定為左右拐彎時(shí)，左右邊指示燈亮，右左邊指示燈；機(jī)器人設(shè)定為左右拐彎時(shí)，兩個(gè)指示燈都亮；機(jī)器人設(shè)定為不拐彎時(shí)，兩個(gè)指示燈都熄滅。 “當(dāng)前位置指示燈：四個(gè)，位于“當(dāng)前位置按鍵上方。上方指示燈點(diǎn)亮?xí)r表示機(jī)器人的當(dāng)前位置在主工作道上前進(jìn)；下方指示燈點(diǎn)亮?xí)r表示機(jī)器人的起始位置在主工作道上返回；右邊指示燈點(diǎn)亮機(jī)器人的當(dāng)前位置在橫向行道上前進(jìn)；左邊指示燈亮表示機(jī)器人當(dāng)前位置在橫向行道上返回。 運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈：機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)點(diǎn)亮，停車時(shí)熄滅。機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)過程中傾倒時(shí)閃爍同時(shí)蜂

44、鳴器發(fā)出“嘀、“嘀聲。人機(jī)界面中還包括蜂鳴器，當(dāng)出現(xiàn)以下幾種情況時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，給出警告或提示： = 1 * GB2 按鍵無效。 = 2 * GB2 機(jī)器人傾倒。 = 3 * GB2 電瓶電壓嚴(yán)重缺乏，需要充電。另外，用戶每次按下按鍵時(shí)，蜂鳴器發(fā)出短促的滴答聲，給出提示6。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)功能劃分，整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)局部：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)主板電路、外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器電路，以下就分這三個(gè)方面予以介紹。一 單片機(jī)系統(tǒng)主板電路1、輸入輸出信號(hào) 任何一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先得搞清楚它與外界的關(guān)系，而單片機(jī)系統(tǒng)主板電路與外界關(guān)系無非假設(shè)干路輸入輸出信號(hào)。由控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可知，該主板電路的輸入輸

45、出信號(hào)如下表所示： 表3-1 單片機(jī)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)： 名稱 方向 形式I/0數(shù)量隔離備注首行傳感器信號(hào)入正脈沖1否脈沖上升沿有效行頭傳感器信號(hào)入正脈沖1否脈沖上升沿有效作業(yè)終止傳感器信號(hào)入1否脈沖上升沿有效轉(zhuǎn)向行程開關(guān)信號(hào)入正脈沖2否分別表左右兩個(gè)位置升降行程開關(guān)信號(hào)入開關(guān)量2否分別表示上下兩個(gè)位置傾倒傳感器入開關(guān)量1否高點(diǎn)平表示機(jī)器人傾倒行走電機(jī)PWM出開關(guān)量2是脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)向電機(jī)啟停信號(hào)出開關(guān)量1是高電平啟動(dòng)，低電平停止升降電機(jī)啟停信號(hào)出開關(guān)量1是高電平左轉(zhuǎn)，低電平右轉(zhuǎn)升降電機(jī)方向信號(hào)出開關(guān)量1是高電平上升，低電平下降噴霧閥開關(guān)信號(hào)出開關(guān)量1是高電平翻開，低電平關(guān)閉轉(zhuǎn)向設(shè)定指示出開關(guān)量2否

46、左10、右01、左右11、不轉(zhuǎn)00往返噴霧設(shè)定指示出開關(guān)量2否往01、返10、往返11、不噴00行走速度、電源電壓指示出開關(guān)量3否譯碼后完成六種速度和六種電源電壓的指示當(dāng)前位置設(shè)置指示出開關(guān)量2否蜂鳴器信號(hào)出開關(guān)量1是高電平有效鳴叫系統(tǒng)狀態(tài)指示信號(hào)出開關(guān)量1否低電平表示系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)指示信號(hào)出開關(guān)量1否 合計(jì)占用I/O口線27根。其中輸入口線8根，輸出口線19根；需要電氣隔離的輸入口線0根，需要電氣隔離的輸出口線8根。2、片機(jī)系統(tǒng)主板電路總體結(jié)構(gòu)從表3-1可以看出，該單片機(jī)系統(tǒng)主板電路的輸入輸出信號(hào)主要分為以下幾類： = 1 * GB2 傳感器包括升降、轉(zhuǎn)向行程開關(guān)和磁傳感器及傾倒傳感器輸入信號(hào)

47、； = 2 * GB2 需要隔離的外設(shè)電機(jī)、噴霧閥、蜂鳴器等驅(qū)動(dòng)信號(hào)； = 3 * GB2 面板指示LED信號(hào)； = 4 * GB2 電瓶電壓信號(hào)。 對(duì)不同種類的信號(hào)采用相對(duì)應(yīng)得外圍電路予以處理，可得出該單片機(jī)系統(tǒng)得原理框圖如下：3、要元器件的選擇和電路的實(shí)現(xiàn) = 1 * GB2 單片機(jī)：該單片機(jī)系統(tǒng)主要涉及開關(guān)量的輸入輸出及邏輯運(yùn)算，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高。而8031單片機(jī)，具備兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)器和256字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，經(jīng)擴(kuò)展后資源方面完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。而且該芯片本錢低，技術(shù)成熟，是本系統(tǒng)的最好選擇。 = 2 * GB2 程序存儲(chǔ)器：?jiǎn)纹瑱C(jī)的程序量比擬小，考慮系統(tǒng)可擴(kuò)展性，采

48、用8K字節(jié)的可擦寫程序存儲(chǔ)器2764。 = 3 * GB2 I/0口擴(kuò)展：采用具有24路輸入輸出口線的I/0芯片8255，在加上單片機(jī)本身具有的一些I/0口線，完全可以滿足表3-1的I/0口數(shù)量要求。PA口作為傳感器信號(hào)輸入口，PB口為外設(shè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出口，PC口為面板指示信號(hào)輸出口。用第15根地址線作為其片選線，那么8255控制狀態(tài)口地址為#0BFFFH，各I/0口地址為：PA口，#0BFFDH；PC口，#0BFFEH。 = 4 * GB2 鍵盤管理：擴(kuò)展一片8279鍵盤顯示控制芯片，用于鍵盤管理。8279命令口地址#0DFFFH，數(shù)據(jù)口地址為#0DFFEH。 8279是一種通用的可編程的鍵盤

49、、顯示接口器件，能完成按鍵的識(shí)別和消抖，比用戶自行開發(fā)鍵盤管理電路來得方便。但在本控制系統(tǒng)中，點(diǎn)動(dòng)鍵“前進(jìn)、“后退要求能夠識(shí)別按鍵釋放的動(dòng)作按下時(shí)前進(jìn)或后退，釋放時(shí)停止，這是8279所不能完成的，筆者設(shè)計(jì)了一附加電路以實(shí)現(xiàn)功能。以下便是該電路的工作原理： 如圖3-2所示，SLO-SL3為8279的掃描線，RLO-RL3為8279的回復(fù)線8279有8根回復(fù)線，這里只畫出了其中的4根。 8279以編碼方式掃描鍵盤時(shí)，按照一定的頻率依次在掃描線SL0-SL3上輸出低電平。當(dāng)某鍵被按下時(shí)，該鍵所處的行線回復(fù)線上的電平將與其所處的列線掃描線上的電平保持一致，行線將恢復(fù)為高電平。例如，按下SL0和RL0交

50、匯處的鍵1時(shí)，回復(fù)線RL0上就會(huì)隨SL0的電平變化而產(chǎn)生如圖3-3所示的脈沖，圖中即為8279的掃描周期： 如果將所有的回復(fù)線接到一個(gè)與門的輸入端，那么只要有鍵按下，與門就會(huì)輸出圖3-3-所示的脈沖信號(hào)，所有按鍵釋放后，其輸出才又恢復(fù)為恒定的高水平。這樣，要實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵釋放動(dòng)作的識(shí)別，只需對(duì)與輸出的脈沖信號(hào)予以識(shí)別。筆者采用了軟硬件相結(jié)合的方式來識(shí)別該脈沖信號(hào)。將與門的輸出引入到單片機(jī)8031的外部中斷0，那么在按鍵被按下期間，將連續(xù)產(chǎn)生假設(shè)干次中斷請(qǐng)求。在中斷效勞程序中，只需反復(fù)地將以標(biāo)志位標(biāo)志著脈沖信號(hào)的存在置1。在等待按鍵釋放的程 序中，首先去除該標(biāo)志位，延遲一段時(shí)間后在檢查該標(biāo)志位，假設(shè)

51、標(biāo)志位變?yōu)?那么認(rèn)為仍有鍵已經(jīng)釋放在延遲期間沒有外部中斷0產(chǎn)生。具體的中斷效勞器程序和等待按鍵釋放程序如下：中斷效勞程序： Int0: Setb Key_Yet_Down_Flag Reti 等待按鍵釋放程序： Wait_for_key_up: Clr Key_Yet_Dowm_Flag Setb et0 Lcall delay Jb Key_Yet_Down_Flag，wait_for_key_up 在這里，最重要的是選擇好等待按鍵釋放程序中的延遲時(shí)間，太長(zhǎng)了釋放動(dòng)作得不到及時(shí)得響應(yīng)，而太短小于中斷0的周期了又會(huì)在按鍵沒有釋放時(shí)誤認(rèn)為已經(jīng)釋放。經(jīng)過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定8279的掃描周期大概為2ms

52、左右，所以在等待按鍵釋放程序中設(shè)定延遲時(shí)間為4ms完全可以滿足要求。 = 5 * GB2 電源電壓A/D轉(zhuǎn)換：對(duì)電源電壓的檢測(cè)采用8位的A/D轉(zhuǎn)化芯片ADC0809，其讀寫地址為#7FFPH。外加放大電路由通過運(yùn)放自搭建的測(cè)量放大器 將電源電壓轉(zhuǎn)換ADC0809量程0-5V內(nèi)的電壓值。ADC0809的輸入時(shí)鐘頻率由8031的ALE信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器4分頻后得到。單片機(jī)晶頻率為12MHz，那么ALE脈沖頻率為2MHz，而0809的輸入時(shí)鐘頻率為500KHz。 = 6 * GB2 單片機(jī)電源模塊：在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了防止各種電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的損害，提高系統(tǒng)工作可靠性，采用隔離技術(shù)，將系統(tǒng)輸入單

53、元。輸出單元以及與系統(tǒng)互聯(lián)的單元隔離開來。從技術(shù)角度來分析，通過電源引入干擾是造成系統(tǒng)受損或工作不可靠的主要因素，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要使容易相互干擾的各個(gè)局部具有獨(dú)立的隔離電源電瓶的情況小單片機(jī)很容易受到電動(dòng)機(jī)等感性或容性強(qiáng)電電路的干擾，所以應(yīng)該將單片機(jī)所用電源與電動(dòng)機(jī)等具有強(qiáng)電磁干擾的電路隔離開來。另外，在本系統(tǒng)中電瓶電壓為24V，而單片機(jī)所需電壓為5V，我們要求電源隔離電路還具有電壓轉(zhuǎn)換的功能。這通常采用具有直流隔離功能的DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)7。 雙路輸出在正負(fù)電壓輸出的DC/DC變換器外線如圖3-4所示。 不同的DC/DC變換器，其輸入電壓和輸出電壓各不相同，或驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力不同。選

54、擇適宜的DC/DC變換器，也就是要選擇以下三個(gè)指標(biāo)： = 1 * GB3 輸入電壓； = 2 * GB3 輸出電壓； = 3 * GB3 輸出電流負(fù)載能力。本系統(tǒng)中其輸出電壓已經(jīng)確定給5V；根據(jù)單機(jī)片系統(tǒng)的功耗，我們選擇DC/DC變換器的輸出電流給2A，雙路平分后，每路輸出可得1A的電流；輸入電壓也就是電瓶電壓，額定值為24V，但在使用過程中電瓶電壓會(huì)有所變換，這就要求DC/DC變換器在輸入電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)輸出電壓穩(wěn)定，最后我們選擇DC/DC變換器的輸入電壓變化范圍為1836V。 = 7 * GB2 I/0口線的電氣隔離：通過使用帶直流隔離的DC/DC電源模塊，單機(jī)片系統(tǒng)解除了受電源干擾

55、的影響，但強(qiáng)電局部的干擾還會(huì)從單機(jī)片的輸入口線引入。而且在本系統(tǒng)中，經(jīng)DC/DC做轉(zhuǎn)換后，弱電局部和強(qiáng)電局部的電位不是一致的，弱不采取隔離措施將會(huì)造成嚴(yán)重的地電位差干擾。所以，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電磁閥的口線實(shí)行電氣隔離。 目前采用的電氣隔離期間大都采用光電隔離的方法，也就是光電偶合器。光電偶合器不僅使信息發(fā)出端一次側(cè)和信息輸出端二次側(cè)是電絕緣的，從而對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，而且有很強(qiáng)的抑制電磁干擾的能力。 光電偶合器的種類很多，轉(zhuǎn)換速度、電壓等級(jí)、電流大小都各不一樣。4N25和TPL521是常用的兩種光電偶合器，他們的性能參數(shù)如表3-2所示：表3-2 光電偶合器參數(shù) 從電壓和電流等級(jí)看，

56、TPL521和4N25都可以用TTL電平驅(qū)動(dòng)，而且二次側(cè)電流足夠驅(qū)動(dòng)中小功率的晶體管。TPL521的轉(zhuǎn)換速度不高，但其有4路封裝的形式TPL521-4，需多路隔離時(shí)使用方便，相對(duì)4N25來說價(jià)格也低一些，適合于要求不高的場(chǎng)合，因此轉(zhuǎn)向電機(jī)、升降電機(jī)、噴霧閥等的驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)電路之間用TPL521-4予以隔離。行走電機(jī)采用PWM調(diào)速，而PWM信號(hào)為頻率較高的脈沖信號(hào)，對(duì)隔離器件的要求要高一些，特別是光耦二次側(cè)輸出側(cè)的建立和下降的時(shí)間不能太長(zhǎng)。在光耦一次側(cè)輸入一正脈沖，二次側(cè)的脈沖波形將如圖3-5所示。圖中Ton即為建立時(shí)間，Toff為下降時(shí)間。如果上升或下降時(shí)間太長(zhǎng)，就會(huì)使輸出脈沖相對(duì)輸入脈沖

57、在寬度和形狀上發(fā)生嚴(yán)重的畸變。在這里就會(huì)使電流斬波電路行走電機(jī)調(diào)速電路中的功率晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的過渡時(shí)間過長(zhǎng)，發(fā)熱量增加，效率降低，甚至發(fā)生驅(qū)動(dòng)電路上下橋臂功率晶體管直通，燒壞功率晶體管的事故。當(dāng)脈沖頻率較高時(shí)還會(huì)出現(xiàn)二次側(cè)根本就沒有脈沖輸出，無法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的情況。從表3-2中可以看出4N25比TPL521轉(zhuǎn)換速度高，其建立時(shí)間和下降時(shí)間都比TPL521短，所以行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)電路的隔離采用4N25。通過實(shí)驗(yàn)說明TPL521確實(shí)不符合要求行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱嚴(yán)重，最后導(dǎo)致晶體管燒毀，4N25那么可以正常工作。 = 8 * GB2 PWM信號(hào)互鎖保護(hù)電路系統(tǒng)中兩路脈寬調(diào)制信號(hào)必須保證

58、不同時(shí)為高電平，否那么將發(fā)生行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路上下橋臂直通的事故，在硬件上應(yīng)該提供保護(hù)機(jī)制，以防止事故的發(fā)生。以邏輯門電路實(shí)現(xiàn)互鎖保護(hù)，體積小而且造價(jià)低，應(yīng)該是一種比擬好的方式。我們所采用的電路如以下圖所示：圖中X1、X2為輸入信號(hào)，Y1、Y2為輸出信號(hào)，容易得出以上電路的邏輯等式如下： Y1=X1X2 Y2=X2X1從等式中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)X1、X2不同時(shí)為高電平，輸出信號(hào)Y1、Y2和輸入信號(hào)是一樣的，PWM脈沖信號(hào)順利通過；假設(shè)兩路輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，那么兩路輸出端都會(huì)輸出低電平，從而關(guān)閉行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中所有的功率晶體管，防止了事故的發(fā)生。 = 9 * GB2 轉(zhuǎn)向電機(jī)與升降電機(jī)的保

59、護(hù)電路仍然是采用邏輯門電路互鎖保護(hù)的方式，在轉(zhuǎn)向電機(jī)和升降電機(jī)運(yùn)行到極限位置時(shí)切斷其電源，使電機(jī)不至于由于過流而損壞，或發(fā)生碰撞事故。下面以轉(zhuǎn)向電機(jī)保護(hù)電路為例，說明保護(hù)電路的工作原理：該電路的輸入信號(hào)為SENSOR5右極限位置傳感器信號(hào)、SENSOR4左極限位置傳感器信號(hào)、PB2啟停信號(hào)和PB3方向信號(hào)。以Y0、Y1分別代表輸出的啟停和方向信號(hào)，那么可列出其真值表如下8。表3-3轉(zhuǎn)向電機(jī)保護(hù)電路真值表SENSOR4SENSOR5PB2PB3Y0Y1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0

60、0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向左運(yùn)轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，左邊傳感器觸發(fā)，SENSOR4將變?yōu)楦唠娖剑古c非門U25B輸出高電平，與門U26A輸出低電平、非門U20C輸出高電平。從而關(guān)閉電機(jī)開啟信號(hào)，切斷電機(jī)電源。此時(shí)可以將PB3方向信號(hào)反向，使電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人向右運(yùn)轉(zhuǎn)。同樣，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人向右運(yùn)轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，右邊傳感器觸發(fā)，SENSOR5將變?yōu)楦唠娖?，使與非門U25A輸出高電