毕业设计（论文）-农用喷雾机器人控制系统硬件设计

1、 xx大学高等教育自学考试毕 业 论 文论文题目: 农用喷雾机器人控制系统硬件设计湖 北 省 高 等 教 育 自 学 考 试 本 科 毕 业 生 论 文评 审 意 见 表论文题目：农用喷雾机器人控制系统硬件设计湖北省高等教育自学考试委员会办公室制指导老师单位xx大学机电工程学院职称副教授指导教师评语： 指导老师： 年 月 日辩论小组评语： 组长签名： 年 月 日辩论委员会意见： 负责人签名： 签章 年 月 日毕业学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体

2、已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承当。 论文作者签名： 年 月 日学位论文使用授权说明本人完全了解学校关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览效劳；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的局部或全部内容。论文作者签名： 年 月 日摘 要 根据喷雾机器人在田间成全自动喷雾作业的要求，以单片机控制技术、传感器技术及电机调速技术为核心，成功研制出了喷雾机器人单

3、片机测控系统。该系统包含人机接口、A/D转换、电机驱动、传感器信号采集等功能模块。选用单片机控制方案，具有结构紧凑、稳定性高的特点。 针对喷雾机器人田间移动位置检测的准确性和可靠性要求较高的特点，选择磁传感方式，自行研制了一种可以远距离检测磁标志的位置传感器。 为使喷雾机器人结构紧凑，选择电动缸和减速电机作为驱动装置，提出了一种新的适合于低精度直流调速的H型PWM变换器功率晶体管基极驱动方式，采用PWM方式成功实现了对机器人行走电机的速度控制。 单片机系统设计过程中，为提高系统的可靠性，采用DC/DC隔离电源。所有输出均进行了光电隔离。 关键词：机器人；单机片；磁传感器 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 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc288007262 第一章 绪 论 PAGEREF _Toc288007262 h 1 HYPERLINK l _Toc288007263 一 引言 PAGEREF _Toc288007263 h 1 HYPERLINK l _Toc288007264 二 设施农业的开展 PAGEREF _Toc288007264 h 1 HYPERLINK l _Toc288007265 三 农用喷雾机械的开展状况 PAGEREF _Toc288007265 h 1 HYPERLINK

9、l _Toc288007266 四 课题研究的内容和意义 PAGEREF _Toc288007266 h 2 HYPERLINK l _Toc288007267 第二章 系统总体方案设计 PAGEREF _Toc288007267 h 3 HYPERLINK l _Toc288007268 一 喷雾机械人的作业环境 PAGEREF _Toc288007268 h 3 HYPERLINK l _Toc288007269 二 喷雾机器人的作业过程和整体功能 PAGEREF _Toc288007269 h 3 HYPERLINK l _Toc288007270 三 总体设计方案 PAGEREF _T

10、oc288007270 h 5 HYPERLINK l _Toc288007271 1、组成与结构 PAGEREF _Toc288007271 h 5 HYPERLINK l _Toc288007272 2、执行局部的选取 PAGEREF _Toc288007272 h 5 HYPERLINK l _Toc288007273 3、传动方案 PAGEREF _Toc288007273 h 6 HYPERLINK l _Toc288007274 4、行走电机速度调节方式 PAGEREF _Toc288007274 h 7 HYPERLINK l _Toc288007275 5、田间标志检测方式 P

11、AGEREF _Toc288007275 h 8 HYPERLINK l _Toc288007276 四控制系统总体方案 PAGEREF _Toc288007276 h 9 HYPERLINK l _Toc288007277 1、控制系统的功能 PAGEREF _Toc288007277 h 9 HYPERLINK l _Toc288007278 2、控制系统的总体结构 PAGEREF _Toc288007278 h 9 HYPERLINK l _Toc288007279 3、人机界面的设计 PAGEREF _Toc288007279 h 10 HYPERLINK l _Toc28800728

12、0 第三章 控制系统硬件设计 PAGEREF _Toc288007280 h 13 HYPERLINK l _Toc288007281 一单片机系统主板电路 PAGEREF _Toc288007281 h 13 HYPERLINK l _Toc288007282 1、输入输出信号 PAGEREF _Toc288007282 h 13 HYPERLINK l _Toc288007283 2、单片机系统主板电路总体结构 PAGEREF _Toc288007283 h 14 HYPERLINK l _Toc288007284 3、主要元器件的选择和电路的实现 PAGEREF _Toc28800728

13、4 h 14 HYPERLINK l _Toc288007285 二转向和升降电机及喷雾阀的驱动电路 PAGEREF _Toc288007285 h 20 HYPERLINK l _Toc288007286 三行走电机PWM控制电路脉宽调制变换器 PAGEREF _Toc288007286 h 21 HYPERLINK l _Toc288007287 1、PWM变换电路的几种形式 PAGEREF _Toc288007287 h 21 HYPERLINK l _Toc288007288 2、行走电机PWM控制方式确实定 PAGEREF _Toc288007288 h 23 HYPERLINK l

14、 _Toc288007289 3、行走电机PWM变换电路的实现 PAGEREF _Toc288007289 h 24 HYPERLINK l _Toc288007290 四磁传感器设计 PAGEREF _Toc288007290 h 27 HYPERLINK l _Toc288007291 五电路板的划分、制作和安装 PAGEREF _Toc288007291 h 31 HYPERLINK l _Toc288007292 1、电路的模块划分 PAGEREF _Toc288007292 h 31 HYPERLINK l _Toc288007293 2、电路板的绘制 PAGEREF _Toc288

15、007293 h 31 HYPERLINK l _Toc288007294 3、电路板的安装 PAGEREF _Toc288007294 h 32 HYPERLINK l _Toc288007295 结 论 PAGEREF _Toc288007295 h 33 HYPERLINK l _Toc288007296 参考文献 PAGEREF _Toc288007296 h 34 HYPERLINK l _Toc288007297 致 谢 PAGEREF _Toc288007297 h 35第一章 绪 论一引言在中国，自古以来农业一直是劳动强度大，劳动条件差的行业。农用机械化水平低、农业领域的生产力

16、处于较低水平。随着全社会生活水平的提高，农民对自己的劳动条件有了更高的要求，机械化自动化生产代替手工劳动是必然的趋势。随着我国参加世界贸易组织WTO，农业也要参与国际竞争，农业生产的产业化和现代化势在必行，只有提高我国农业机械化和自动化技术的水平，才能提高农业生产效率，在竞争中求生存求开展1。二 设施农业的开展 设施农业又称为可控农业，它是用一定的设施和工程技术手段改变自然环境，在环境可控的条件下，按照作物生长发育要求的最正确环境，以最少的资源投入进行生产的现代农业。温室大棚农业是典型的设施农业，其具有高投入高产出、抗灾能力强、科技含量高等特点，效率和效益比传统的露地自然农业要提高几倍甚至几十

17、倍。 我国的农业生产正逐步由传统农业向现代农业转变。设施农业是现代农业的具体表现，是高产优质农业的必然要求。进入20世纪90年代后，我国的设施农业开展迅速，特别是设施栽培的开展给农业生产带来了无限生机。全国现在的温室大棚的面积已到达156700公顷，位居世界第一。但我国的设施栽培农业也存在一些问题，其中一个非常突出的问题就是：设备不配套，作业主要依靠人工作业，缺乏设施栽培小型作业机具，除了在大棚内采用小型拖拉机进行耕整地作业外，根本上是依靠人工作业，且作业环境十分恶劣，这不仅限制了劳动效率的提高和劳动条件的改善，还阻碍了设施农业朝精准农业和工厂化农业的进一步开展。设施农业作为一种现代农业声场方

18、式，其进一步开展必然要求提高大棚作业的机械化启动化水平。 设施栽培农业的重要环节，有着重要的作用；喷洒杀菌剂或杀虫剂防止作物病虫害；喷洒除草剂消灭杂草；喷洒化学肥料；喷洒药剂对土壤消毒、灭菌；喷洒生产激素促进作为生长等。但假设采用手工方式，大棚喷雾作业将是一种极其繁重和危险的劳动，所有一种高效、经济、平安的喷雾机械急待研究。三农用喷雾机械的开展状况 目前，国内生产农用喷雾机械的企业有很多，一些新型的喷雾方式也被采用，从而大大提高了喷雾的质量和工作效率。但对喷雾机械的研制和改良大都集中和限制在对液压泵和喷头的研制和改良上，而喷雾机械本身在田间的移动方式却一直很落后。假设按移动方式分类，现在又的产

19、品主要有以下几种： = 1 * GB2 背负式全人工移动，效率低而劳动强度很大，而且很不平安。 = 2 * GB2 定点作业式依然靠人工移动，只是比背负式喷雾机有更大的作业功率和射程，固定地点作业时效率较高。但在需要频繁移动的条件下效率显著下降。 = 3 * GB2 手推车式实现了牵引机械化，但须有人跟随手扶驾驶。 = 4 * GB2 动力牵引式实现了行驶机械化，一次携带的药液量大，但需要配备额外的牵引装置，总体作业本钱较高。而且要专人驾驶，依然没有解除药液对人体的侵害。 这些类型的喷雾机械大局部都实现了泵液的机械化，很大程度上提高了喷雾作业的效率和减轻了作业者的劳动强度。但由于作业的全过仍然

20、得有人参与，这样使得操作者摆脱不了受有毒药剂侵害的危险，而且也限制了劳动效率的进一步提高。例如：使用背负式喷雾机，一人一天只能作业23亩左右。而比拟大型的动力牵引式和车载式喷雾机又需要配备专门的牵引机械，总体本钱比拟高，也不适合我国分散小块经营的现状。 至于国外的情况，欧美和日本在喷雾机械的开展上形成了不同的风格。欧美等国开展了大型的喷雾机械，最典型也是最先进的是用于大棚作业的固定轨道式喷雾机。这种喷雾机采用计算机控制，自动化程度和作业效率都很高。但其本钱也很高，就我国引进的机型来看，价格在10万元/套以上，主要用在高档产值的温室大棚内，而我国的温室大棚大多是土法上马的，其本身的造价和产值比拟

21、低，所有这种喷雾机不适合我国的国情。 而日本研制的全自动化的小型喷雾机械，不需要在田间安装固定轨道，本钱低；全自动运行，工作效率高，完全不需要人工的干预，气使人远离有毒药剂，是一种清洁健康的产品。我们认为，这样的喷雾机械是比拟适合我国国情的。四 课题研究的内容和意义 从喷雾机械开展状况来看，我国现有的喷雾机械的自动化水平普遍很低，有的甚至根本没有半点自动化的成分，这是造成各种缺乏和限制喷雾机械进一步开展的主要原因。 随着计算机控制技术的开展，各种自动化的产品纷纷出现。而将计算机控制技术引入到喷雾机械的设计和生产，是进一步提高作业效率和改善劳动条件的关键，也是设施农业和精准农业开展的要求，。本课

22、题也就是在这样的背景下产生。1997年，我国农业部启动了国际引进工程(“948工程)。本课题作为农业“948工程“植保机械农药防护技术及关键器械引进的字课题，主要负责引进农药喷雾机械人控制系统的国产研制工作。本课题所要研制的喷雾机器人既是在借鉴日本经验的情况下产生的。 与现有的喷雾机械相比，自动作业的喷雾机械人具备如下优点： = 1 * GB2 全自动化作业，不需要人工干预，改善劳动条件。 = 2 * GB2 体积小，重量轻，本钱较低。 = 3 * GB2 田间各处的喷雾量更均匀，喷雾质量好。 = 4 * GB2 作业效率高，适合大面积的大棚作业。 = 5 * GB2 易实现智能化。 可以预见

23、，随着对农业投入力度的加大，我国现代的农机具将会有一个较大的开展。田间自动喷雾机器人将大大提高生产率和保护操作者的健康。 此项研究第一次将自动化的概念引进到喷雾机械的研制中来，填补了国内空白，对此类研究具有一定的指导意义。第二章 系统总体方案设计一 喷雾机械人的作业环境 在进行喷雾机器人自身的设计之前，必须对机器人的作业环境有一个清楚的认识。我们本着工厂化精细农业的宗旨对田间环境进行标准化处理，在作物间开辟出一些供机器人行驶的行道。行道的分布大致有如以下图所示的四种情形： = 1 * GB3 ：主行道从中央只穿整个地块，在主行道的左右两旁均匀分布有横向行道。这种划分方式适合于较大的地块。 =

24、2 * GB3 ：只在主行道的右边分布有横向行道。 = 3 * GB3 ：只在主行道的左边分布有横向行道。 = 4 * GB3 ：没有任何的横向行道，机器人在作业时不用拐弯，这种划分方式只适合于比拟小的地块。 由于其他地块划分方式都可以认为是一种方式的特例，所以接下来只要以第一种方式讨论喷雾机器人的工作过程2。二 喷雾机器人的作业过程和整体功能喷雾机器人的具体工作过程和在田间的行走路线如图2-2所示。 喷雾机器人配套动力喷雾机泵一起完成喷雾作业。动力喷雾机加压，喷雾机器人携带喷头及管子一起顺着田间行道行走，并随时释放往和卷紧返喷管。在动力喷雾机附近和每行作物和行始端安装有导管器。如图中箭头所示

25、，喷雾机器人从田间入口处进入，沿着主行道前进。遇到首行标志后，拐弯90度走向主行道两边的横向行道，遇到行尾标志机器人反向行驶，在横向道行驶过程中，机器人按设定的方式喷雾往喷或返喷。完成一横向作业后，沿主行道返回，检测行头标志，依次进行以下各行的喷雾作业。最后喷雾机器人从入口处退出，遇到作业终止标志后停止工作，作业完成。 为了完成上述自动喷雾作业的任务，考虑到田间作业的其他因素，该喷雾机器人应具备如下功能： = 1 * GB2 内藏有几种传感器，能检测放置于田间的首行、行头、行尾、作业终止标志，完成自动转向和启停。 = 2 * GB2 装备有升降和拐弯装备，以上升拐弯90度下降的方式拐弯，这样不

26、仅可以保证拐弯角度的准确，而且减小了机器人的拐弯半径，从而减小田间行道的宽度，充分利用耕地面积。 = 3 * GB2 0.17米/秒之间。 = 4 * GB2 前进散步喷雾、后退散步和前进后退散步方式可选，不散步时自动以高速返回，以提高工作效率。 = 5 * GB2 适应图2-1中的4中地块划分方式的作业，工作方式可以分别通过控制面板设定为左右拐弯、右拐弯、坐拐弯、不拐弯。 = 6 * GB2 由于田间的地形不可防止地会有起伏，机器人走偏是有可能翻倒。所以应有倾倒检测装置，机器人翻倒一定的角度时，给出警告，并由系统做出相应的处理。 = 7 * GB2 具备手动操作的功能，能完全由手功操作完成整

27、个田间作业。 = 8 * GB2 能对控制系统自身的状态进行检测，以LED和蜂鸣器予以指示。 = 9 * GB2 有自动卷管机构，保证停止制动时卷管局部不滑动3。三 总体设计方案1、组成与结构从上述机器人应具备的功能可以看出，其主要的组成局部应有行走机构、升降机构、转向机构、卷管机构、传感器和控制系统。图2-3为机器人总体结构的侧面示意图。 升降、转向用的电动机和机械传动机构安装在传动箱内，在图中没有画出。 行走电机和卷管轮之间采用一级棘轮传动。机器人后退时，行走电机通过链条带动卷管轮顺时针方向旋转，收卷喷雾管；而机器人前进时卷管轮依靠喷雾管的自然拉力逆时针旋转，释放喷雾管。托板8在升降电机的

28、驱动下相对机器人车身做上下运动，从而实现车身相对地面的升降运动。机器人升起后，整个车身都依靠托板8支撑，这时转向电机驱动车身相对于托板8左右转，也就完成了机器人相对地面的左右转动。2、执行局部的选取常用执行机构的驱动形式有液压驱动、气动和电动三种。液压和气动驱动都需要配备液压泵或气泵，整个机构的体积比拟大，本钱高。而且一般气动驱动的输出力矩小，液压驱动虽然输出的力矩可以很大，但在输出较大力矩时对气缸的密封性能要求提高，使本钱进一步增加。而电动驱动的执行机构也就是电动机那么体积小，采用电瓶供电比拟方便，相对来说本钱低的很多。 电动机可分为交流电动机和直流供电的形式。而直流电动机又分为励磁式和他励

29、式两种，在一般的应用场合，大多采用他励式直流电机，这种电动机只需改变电枢电压，便可实现恒转矩调速，而且其机械特性较硬，调速范围较广，完全可以满足机器人行走的要求。所有我们选用它励式直流电动机作为机器人的行走动力，电机功率45W，额外电压24伏。电机内部包含减速器，其速比为25:1，这样电机的输出轮可直接和机器人驱动轮以链条相连，简化了机械传动局部的设计，使机器人的体积和重量大大减小。 至于转向和升降用的电动机，考虑到简化机器人的机械机构，我们采用输出为直线运动的直流线性马达电动缸。电动缸主要由电动机、减速装置、保护装置、丝杠螺杆结构及杠壳组成，其外形如图2-4所示。随着电动机的正反转，推杆顺着

30、缸套做往复运动。保护装置限定推杆行程，防止发生过冲事故。其工作原理如图2-5所示： 图中K1、K2为常闭的行程开关。当凸台位于K1、K2之间时，K1、K2都闭合，随着A、B亮点间电压方向的不同，电机正转或反转，从而带动推杆相对缸套做往复运动。在图2-5中，我们假设A接电源正极，B接电源负极时推杆向右运动。当推杆向右运动到极限位置时，固定于推杆上的凸台碰到行程开关K2，使K2断开，电流被切断，电机停止。此时可以将A、B间的电压反向，电流通过二极管D2，电动机反转，推杆向左运动。运动到左极限位置后，凸台碰到开关K1，电动机线圈电流又被切断。使推杆的凸台不可能超出K1、K2这两个位置，从而起到限定行

31、程保护电动机的作用4。3、传动方案行走电动机内部配备有减速器，所以在电机和驱动轮之间采用简单的链条传动，在此不予详述。以下只对升降机构和转向机构进行阐述。 = 1 * GB2 升降机构 采用一个四连杆机构以实现机器人的升降运动，如以下图所示： 导槽固定于机器人车身上，销子1和销子2可以在导槽中滑动，电动缸推杆和销子2紧固在一起，缸套那么固定在车身上。电动缸推杆向外伸出时，托板相对车身向下运动，依靠地面的反推力迫使机器人升起，反之那么机械人下降。 = 2 * GB2 转向机构 图中轴和电动缸缸套固定在机器人车身上，推杆通过销子和套筒连接在一起，而套筒那么紧固在图2-6所示的托板上。当电动缸推杆向

32、外伸出时，车身相对于托板旋转。假设此时机器人已经升起，那么托板相对地面不动，机器人车身相对于托板的旋转运动也就是机器人的左右转运动。适当调节电动缸行程的长度，就可以使机器人每次转动的角度为90度。4、行走电机速度调节方式1、直流电机的调速原理直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示： N=(U-IR)/(Ke)式中，n为转速，单位是rpm转/分钟；U为电枢电压，单位是V伏；为励磁磁通，单位是Wb；R为电枢电路电阻，单位为； I为电枢电流，单位是A安；ke为电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，可有三种不同的方式，调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁

33、通。 因为改变电阻调速会在电阻上消耗较多的电能，使电机工作效率不高；而调节磁通范围很小，不然将造成飞车事故，所以直流电机以变压调速为主。 变压的方式也有多种，目前广泛采用的利用晶闸管的可控整流器和采用全控型电力电子器件组成的直流斩波器或脉冲宽度调制PWM变换器。PWM变换器一般具有消耗小，效率高的特点。PWM脉宽调制调速的原理如图2-8所示： 当开关SW接通时电源E加在电动机上；当开关关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，电机两端近似为零。如此反复循环，电机两端的电压波形如图2-8b所示。而当开关频率足够高时，电动机两端将得到几乎连续稳定的平均电压，该平均电压为： Vd= /T=&

34、E式中，T为开关元件的开关周期：为开通时间；&=ton/T为开通占空比。改变开通占空比，平均电压也随之改变，如果将该电压加在电流电动机的电枢两端，就可以控制电动机的转速。这就是通过改变开关的导通时间来控制平均输出电压大小的脉冲宽度调制方法PWM。 PWM调速系统与可控整式调速系统相比由以下优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平稳的直流电流，低速特性好；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。而且，随着电子技术的开展，出现了新一代的电力电子器件。这样的电力电子器件本钱低，控制方便，大大促进了PWM调速系统在工程上的应用。 本系统中的行走电机对调速精

35、度要求不高20%，只要求有几种速度可选。考虑到PWM调速上的优点，我们采用开环式的PWM调速。 另外，由于在本系统中采用的控制器为单片机，完全可以以软硬件相结合的方式来实现PWM调速，减小硬件的复杂程度，降低本钱。5、田间标志检测方式机器人要完成自动拐弯、启停等操作，首先必须识别田间的位置标志，所以选择适宜的田间标志检测方式很重要，这也就是一个传感器的选择问题。 传感器的种类很多，可分为接触式和非接触式的。而非接触式式传感器又有光传感器、电感式传感器和磁传感器等很多种。 首先，由于机器人的移开工作，要求检测方式是非接触的。为了可靠地检测到田间标志，要求检测距离要求大于1.5倍的车轮半径10以上

36、。 可以考虑选取红外传感器，但由于田间的作业环境比拟复杂，容易对红外传感器造成干扰。磁传感器的工作只受铁磁质物质的影响，而不会被田间的杂物所干扰。所以选用磁传感器是一个好的方案。如图2-9所示，传感器安装于机器人上，而磁标志磁块放置于田间。首行标志、作业终止都由同一种传感器检测，其区别是对应的传感器安装的位置不同首行传感器置于机器人的前方，朝前；行头和行尾的传感器置于机器人的下方，朝下；作业终止传感器置于机器人的前方，朝后。 四控制系统总体方案1、控制系统的功能 因为控制系统是喷雾机器人的关键局部，以上机器人整体功能的实现很大程度上都依赖于控制系统的功能，所以明确机器人控制系统的功能非常重要。

37、以下便是机器人控制系统应具备的具体功能： = 1 * GB2 控制机器人整机的升/降，启/停，转向，行走。喷雾阀的启闭，让机器人的各个运动部件协调地工作。且有一定的保护措施，防止各运动部件之间的干预。 = 2 * GB2 能对机器人的行走速度进行调节，有几种速度可选。采用一定的措施保证行走速度稳定在额定速度的20%。 = 3 * GB2 安装适宜的磁标志传感器，能检知田间的位置标志，控制机器人按预定的工作方式和行走路线作业。 = 4 * GB2 对喷雾机器人所用的电源进行检测，在面板上予以显示。电压低于一定值时应给出警告，提升充电。 = 5 * GB2 选用适宜的倾倒传感器，采用倾倒传感器的信

38、号，喷雾机器人倾倒时给出警告及做停机等处理，以防事故的发生。 = 6 * GB2 提供用户操作接口按键和显示，能让用户方便地了解系统状态和设定喷雾机器人的工作方式。 = 7 * GB2 应具备较强的抗干扰能力，适应各种气候的田间作业5。2、控制系统的总体结构从喷雾机器人控制系统拟实现的功能可以看出，该系统应具有前向通道传感器、后向通道电机及喷雾阀等的控制和逻辑运算局部决定控制时机和方式及人机界面，是一个典型的测控系统。由于单片机系统的检测功能强，可靠性高，体积小，有专门的开发平台，调试方便，且本钱低，所以优先考虑用单片机来实现该系统。 以单片机为中心，那么该控制系统的控制过程如下： 设定工作模

39、式采集传感器信号/接受键盘输入逻辑运算控制和状态信号输出。这样。整个控制系统也就可以划分为单片机系统、执行机构驱动电路、传感器、电源、和控制面板几局部，以下便是控制系统的总体结构图： 3、人机界面的设计人机界面分为两局部：键盘和显示。键盘用于完成电源的开关。系统工作方式设定、手动操作和自动操作的启停；显示局部采用LED指示，用于指示用户设定的系统工作方式、当前的系统状态等信息。 由于田间作业环境的雨水较多，控制面板被设计成密封的防水安装形式。 以下是控制面板的外观图不按比例： 面板中各按键的含义与功能如下： “开：按下后翻开电源，并指示各种初始状态； “关：按下那么关闭电源； “左/右：循环设

40、定与地块划分方式有关的机器人左右旋转方式右转左转左右转不转右转，停车时有效； “往/返：循环设定机器人往返喷雾方式往返喷雾往喷返喷不喷雾往返喷，停车时有效。 “当前位置：设定和指示机器人的当前方位和行走方向，停车时可设定。 “行走速度：循环设定机器人的行走速度高低高。 “运转：停车时，按下此键即开始自动运转；机器人正在执行手动操作且手动操作中停机器人已经升起时，按下此键那么继续未完的手动操作，否那么不予反响。 “停止：机器人正自动运转时，按下此键那么停止自动运转，此时可以进行手动操作；当机器人正在进行手动操作时，按下此键那么暂停正在进行的手动操作；机器人已经停止时按下次键那么显示电瓶电压的满度

41、，释放后又恢复为速度指示。 “左转：机器人处于升起状态时，按一次机器人左转90度，然后停止转动；假设机器人没有升到顶端，那么先升起再左转90度，下降，最后停止；机器人不能左转时正自动运转或已经在左边了该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “右转：机器人处于升起状态时，按一次机器人右转90度，然后停止转动；假设机器人没有升到顶端，那么先升起再右转90度，下降，最后停止；机器人不能右转时正自动运转或已经在右边了该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “上升：按机器人开始上升，上升到顶端后停止。机器人不能上升时正自动运转或已经在顶端了该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “下降：按机器人开始下降，下降到底端后停止。机器人不能

42、下降时正自动运转或已经在底端了该按键无效，按下时蜂鸣器响。 “前进：点动按键，按下时机器人前进，松动后制动停车且非手动操作时有效。 “后退：点动按键，按下时机器人后退，松动后制动停车且非手动操作时有效。 “喷雾：手动键，按下翻开喷雾阀，再次按下关闭喷雾阀。 面板中的各指示灯的含义如下： “电源指示灯：位于“开按键上方。系统接通电源时亮，切断电源时熄灭；当电瓶需要充电时在蜂鸣器发出“嘀、“嘀声的同时电源指示灯闪烁。 系统“状态指示灯：位于“关按键上方。当系统正常时，系统指示点亮，否那么熄灭。 速度/电压指示灯：六个，位于“关按键和“左右按键中间。平时指示电瓶电压的满度，释放按键后又恢复为行走速度

43、指示。行走速度或电瓶电压满度由小到大时，对应依次从上到下点亮不同的指示灯。 左右拐弯设定指示灯：两个位于“左/右按键上方。机器人设定为左右拐弯时，左右边指示灯亮，右左边指示灯；机器人设定为左右拐弯时，两个指示灯都亮；机器人设定为不拐弯时，两个指示灯都熄灭。 “当前位置指示灯：四个，位于“当前位置按键上方。上方指示灯点亮时表示机器人的当前位置在主工作道上前进；下方指示灯点亮时表示机器人的起始位置在主工作道上返回；右边指示灯点亮机器人的当前位置在横向行道上前进；左边指示灯亮表示机器人当前位置在横向行道上返回。 运转指示灯：机器人自动运转或手动运转时点亮，停车时熄灭。机器人运转过程中倾倒时闪烁同时蜂

44、鸣器发出“嘀、“嘀声。人机界面中还包括蜂鸣器，当出现以下几种情况时，蜂鸣器发声，给出警告或提示： = 1 * GB2 按键无效。 = 2 * GB2 机器人倾倒。 = 3 * GB2 电瓶电压严重缺乏，需要充电。另外，用户每次按下按键时，蜂鸣器发出短促的滴答声，给出提示6。第三章 控制系统硬件设计根据功能划分，整个控制系统可以分为三个局部：单片机系统主板电路、外设驱动电路、传感器电路，以下就分这三个方面予以介绍。一 单片机系统主板电路1、输入输出信号 任何一个系统的设计首先得搞清楚它与外界的关系，而单片机系统主板电路与外界关系无非假设干路输入输出信号。由控制系统总体设计可知，该主板电路的输入输

45、出信号如下表所示： 表3-1 单片机系统输入输出信号： 名称 方向 形式I/0数量隔离备注首行传感器信号入正脉冲1否脉冲上升沿有效行头传感器信号入正脉冲1否脉冲上升沿有效作业终止传感器信号入1否脉冲上升沿有效转向行程开关信号入正脉冲2否分别表左右两个位置升降行程开关信号入开关量2否分别表示上下两个位置倾倒传感器入开关量1否高点平表示机器人倾倒行走电机PWM出开关量2是脉冲信号转向电机启停信号出开关量1是高电平启动，低电平停止升降电机启停信号出开关量1是高电平左转，低电平右转升降电机方向信号出开关量1是高电平上升，低电平下降喷雾阀开关信号出开关量1是高电平翻开，低电平关闭转向设定指示出开关量2否

46、左10、右01、左右11、不转00往返喷雾设定指示出开关量2否往01、返10、往返11、不喷00行走速度、电源电压指示出开关量3否译码后完成六种速度和六种电源电压的指示当前位置设置指示出开关量2否蜂鸣器信号出开关量1是高电平有效鸣叫系统状态指示信号出开关量1否低电平表示系统正常运转指示信号出开关量1否 合计占用I/O口线27根。其中输入口线8根，输出口线19根；需要电气隔离的输入口线0根，需要电气隔离的输出口线8根。2、片机系统主板电路总体结构从表3-1可以看出，该单片机系统主板电路的输入输出信号主要分为以下几类： = 1 * GB2 传感器包括升降、转向行程开关和磁传感器及倾倒传感器输入信号

47、； = 2 * GB2 需要隔离的外设电机、喷雾阀、蜂鸣器等驱动信号； = 3 * GB2 面板指示LED信号； = 4 * GB2 电瓶电压信号。 对不同种类的信号采用相对应得外围电路予以处理，可得出该单片机系统得原理框图如下：3、要元器件的选择和电路的实现 = 1 * GB2 单片机：该单片机系统主要涉及开关量的输入输出及逻辑运算，对实时性的要求不高。而8031单片机，具备两个外部中断、两个定时器和256字节的内部数据储存器，经扩展后资源方面完全可以满足本系统的要求。而且该芯片本钱低，技术成熟，是本系统的最好选择。 = 2 * GB2 程序存储器：单片机的程序量比拟小，考虑系统可扩展性，采

48、用8K字节的可擦写程序存储器2764。 = 3 * GB2 I/0口扩展：采用具有24路输入输出口线的I/0芯片8255，在加上单片机本身具有的一些I/0口线，完全可以满足表3-1的I/0口数量要求。PA口作为传感器信号输入口，PB口为外设驱动信号输出口，PC口为面板指示信号输出口。用第15根地址线作为其片选线，那么8255控制状态口地址为#0BFFFH，各I/0口地址为：PA口，#0BFFDH；PC口，#0BFFEH。 = 4 * GB2 键盘管理：扩展一片8279键盘显示控制芯片，用于键盘管理。8279命令口地址#0DFFFH，数据口地址为#0DFFEH。 8279是一种通用的可编程的键盘

49、、显示接口器件，能完成按键的识别和消抖，比用户自行开发键盘管理电路来得方便。但在本控制系统中，点动键“前进、“后退要求能够识别按键释放的动作按下时前进或后退，释放时停止，这是8279所不能完成的，笔者设计了一附加电路以实现功能。以下便是该电路的工作原理： 如图3-2所示，SLO-SL3为8279的扫描线，RLO-RL3为8279的回复线8279有8根回复线，这里只画出了其中的4根。 8279以编码方式扫描键盘时，按照一定的频率依次在扫描线SL0-SL3上输出低电平。当某键被按下时，该键所处的行线回复线上的电平将与其所处的列线扫描线上的电平保持一致，行线将恢复为高电平。例如，按下SL0和RL0交

50、汇处的键1时，回复线RL0上就会随SL0的电平变化而产生如图3-3所示的脉冲，图中即为8279的扫描周期： 如果将所有的回复线接到一个与门的输入端，那么只要有键按下，与门就会输出图3-3-所示的脉冲信号，所有按键释放后，其输出才又恢复为恒定的高水平。这样，要实现对按键释放动作的识别，只需对与输出的脉冲信号予以识别。笔者采用了软硬件相结合的方式来识别该脉冲信号。将与门的输出引入到单片机8031的外部中断0，那么在按键被按下期间，将连续产生假设干次中断请求。在中断效劳程序中，只需反复地将以标志位标志着脉冲信号的存在置1。在等待按键释放的程 序中，首先去除该标志位，延迟一段时间后在检查该标志位，假设

51、标志位变为1那么认为仍有键已经释放在延迟期间没有外部中断0产生。具体的中断效劳器程序和等待按键释放程序如下：中断效劳程序： Int0: Setb Key_Yet_Down_Flag Reti 等待按键释放程序： Wait_for_key_up: Clr Key_Yet_Dowm_Flag Setb et0 Lcall delay Jb Key_Yet_Down_Flag，wait_for_key_up 在这里，最重要的是选择好等待按键释放程序中的延迟时间，太长了释放动作得不到及时得响应，而太短小于中断0的周期了又会在按键没有释放时误认为已经释放。经过计算和实验测定8279的扫描周期大概为2ms

52、左右，所以在等待按键释放程序中设定延迟时间为4ms完全可以满足要求。 = 5 * GB2 电源电压A/D转换：对电源电压的检测采用8位的A/D转化芯片ADC0809，其读写地址为#7FFPH。外加放大电路由通过运放自搭建的测量放大器 将电源电压转换ADC0809量程0-5V内的电压值。ADC0809的输入时钟频率由8031的ALE信号经D触发器4分频后得到。单片机晶频率为12MHz，那么ALE脉冲频率为2MHz，而0809的输入时钟频率为500KHz。 = 6 * GB2 单片机电源模块：在单片机应用系统的设计中，为了防止各种电磁干扰对系统的损害，提高系统工作可靠性，采用隔离技术，将系统输入单

53、元。输出单元以及与系统互联的单元隔离开来。从技术角度来分析，通过电源引入干扰是造成系统受损或工作不可靠的主要因素，因此，在系统设计时，要使容易相互干扰的各个局部具有独立的隔离电源电瓶的情况小单片机很容易受到电动机等感性或容性强电电路的干扰，所以应该将单片机所用电源与电动机等具有强电磁干扰的电路隔离开来。另外，在本系统中电瓶电压为24V，而单片机所需电压为5V，我们要求电源隔离电路还具有电压转换的功能。这通常采用具有直流隔离功能的DC/DC变换器来实现7。 双路输出在正负电压输出的DC/DC变换器外线如图3-4所示。 不同的DC/DC变换器，其输入电压和输出电压各不相同，或驱动负载的能力不同。选

54、择适宜的DC/DC变换器，也就是要选择以下三个指标： = 1 * GB3 输入电压； = 2 * GB3 输出电压； = 3 * GB3 输出电流负载能力。本系统中其输出电压已经确定给5V；根据单机片系统的功耗，我们选择DC/DC变换器的输出电流给2A，双路平分后，每路输出可得1A的电流；输入电压也就是电瓶电压，额定值为24V，但在使用过程中电瓶电压会有所变换，这就要求DC/DC变换器在输入电压在一定范围内变化时输出电压稳定，最后我们选择DC/DC变换器的输入电压变化范围为1836V。 = 7 * GB2 I/0口线的电气隔离：通过使用带直流隔离的DC/DC电源模块，单机片系统解除了受电源干扰

55、的影响，但强电局部的干扰还会从单机片的输入口线引入。而且在本系统中，经DC/DC做转换后，弱电局部和强电局部的电位不是一致的，弱不采取隔离措施将会造成严重的地电位差干扰。所以，需要对驱动电机，电磁阀的口线实行电气隔离。 目前采用的电气隔离期间大都采用光电隔离的方法，也就是光电偶合器。光电偶合器不仅使信息发出端一次侧和信息输出端二次侧是电绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰的能力。 光电偶合器的种类很多，转换速度、电压等级、电流大小都各不一样。4N25和TPL521是常用的两种光电偶合器，他们的性能参数如表3-2所示：表3-2 光电偶合器参数 从电压和电流等级看，

56、TPL521和4N25都可以用TTL电平驱动，而且二次侧电流足够驱动中小功率的晶体管。TPL521的转换速度不高，但其有4路封装的形式TPL521-4，需多路隔离时使用方便，相对4N25来说价格也低一些，适合于要求不高的场合，因此转向电机、升降电机、喷雾阀等的驱动电路和单片机电路之间用TPL521-4予以隔离。行走电机采用PWM调速，而PWM信号为频率较高的脉冲信号，对隔离器件的要求要高一些，特别是光耦二次侧输出侧的建立和下降的时间不能太长。在光耦一次侧输入一正脉冲，二次侧的脉冲波形将如图3-5所示。图中Ton即为建立时间，Toff为下降时间。如果上升或下降时间太长，就会使输出脉冲相对输入脉冲

57、在宽度和形状上发生严重的畸变。在这里就会使电流斩波电路行走电机调速电路中的功率晶体管导通和关断的过渡时间过长，发热量增加，效率降低，甚至发生驱动电路上下桥臂功率晶体管直通，烧坏功率晶体管的事故。当脉冲频率较高时还会出现二次侧根本就没有脉冲输出，无法对电机进行调速的情况。从表3-2中可以看出4N25比TPL521转换速度高，其建立时间和下降时间都比TPL521短，所以行走电机驱动电路与单片机电路的隔离采用4N25。通过实验说明TPL521确实不符合要求行走电机驱动电路发热严重，最后导致晶体管烧毁，4N25那么可以正常工作。 = 8 * GB2 PWM信号互锁保护电路系统中两路脉宽调制信号必须保证

58、不同时为高电平，否那么将发生行走电机驱动电路上下桥臂直通的事故，在硬件上应该提供保护机制，以防止事故的发生。以逻辑门电路实现互锁保护，体积小而且造价低，应该是一种比拟好的方式。我们所采用的电路如以下图所示：图中X1、X2为输入信号，Y1、Y2为输出信号，容易得出以上电路的逻辑等式如下： Y1=X1X2 Y2=X2X1从等式中可以看出，当输入信号X1、X2不同时为高电平，输出信号Y1、Y2和输入信号是一样的，PWM脉冲信号顺利通过；假设两路输入信号同时为高电平，那么两路输出端都会输出低电平，从而关闭行走电机驱动电路中所有的功率晶体管，防止了事故的发生。 = 9 * GB2 转向电机与升降电机的保

59、护电路仍然是采用逻辑门电路互锁保护的方式，在转向电机和升降电机运行到极限位置时切断其电源，使电机不至于由于过流而损坏，或发生碰撞事故。下面以转向电机保护电路为例，说明保护电路的工作原理：该电路的输入信号为SENSOR5右极限位置传感器信号、SENSOR4左极限位置传感器信号、PB2启停信号和PB3方向信号。以Y0、Y1分别代表输出的启停和方向信号，那么可列出其真值表如下8。表3-3转向电机保护电路真值表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当电机驱动机器人向左运转到极限位置时，左边传感器触发，SENSOR4将变为高电平，使与非门U25B输出高电平，与门U26A输出低电平、非门U20C输出高电平。从而关闭电机开启信号，切断电机电源。此时可以将PB3方向信号反向，使电机带动机器人向右运转。同样，当电机带动机器人向右运转到极限位置时，右边传感器触发，SENSOR5将变为高电平，使与非门U25A输出高电