超声波测距技术在农业机器人中的应用
作者:褚新建时间:2016-01-14 10:37:31 来源:www.ksfbw.com 阅读次数:906次 ]
【内容摘要】：农业机器人在行走的过程中，需要实时测量机器人与目标物体的距离，当距离达到一定的范围时，需要运动装置和相关的设备做出一定的动作，从而自动完成特定的操作；当移动机器人走到轨道的尽头时，需要检测自身与尽头标志物的距离，然后采取制动或换向操作。
【关键词】: 农业机器人 运动装置 制动
超声波测距系统在农业机器人上的应用不仅提高了机器人的工作效率，节省了劳力，而且提高了机器人的行走安全性。
1 本系统的结构与工作原理
本系统有两大部分构成：
工作机：主要功能是伴随着农业机器人，实时监测机器人与目标物体的距离，测出距离后，经过无线发射器传送给操作员；
接收器：功能是收集发射器传送过来的数据，并通过显示器显示，提供给操作员查看，系统各模块框图如图1。
系统各部分功能：
工作机：
（1） STC89C52 单片机：主要控制工作机各个模块按时按序完成各自的功能，将各模块的数据综合处理后控制动作输出板工作，并实时得把数据送到无线发射器发射出去。
（2）18B20 温度传感器：18B20 温度传感器实时监测环境温度，根据温度对超声波传播速度的影响修正超声波传播的速度。
（3）超声波测距模块：受单片机控制发射超声波、接收回波，将回波到来标识传给单片机用以计时。
（4） 动作输出板：当距离值为50mm、100mm、200mm、400mm 时根据预定的程序控制继电器动作。
（5） F05P 无线发射模块：将单片机经过串口发来的数据以无线信号的形式发送出去。
接收器：
(1)J04V 无线信号接收模块：根据单片机的指令，接收传过来的无线信号，将信号送到单片机的串口。
(2)STC89C52 单片机：将接收到得数据加工处理为LCD1602 能够显示的格式形式；控制工作机各个模块按时按序完成各自的功能，将各模块的数据综合处理后送到LCD1602 显示。
(3)DS1302 时钟芯片：提供给单片机准确的实时时间，包括：时、分、秒、周、日、月、年。
(4) LCD1602 液晶显示器：将单片机送来的距离、温度、时间等数据显示出来。
2 无线发射模块的电路设计
本系统的主要作用是通过SPI 协议，对胎压值和温度值进行循环采集，并把采集到的数据处理后以315MHz 电磁波的形式进行传输。为保证发送数据的可靠，并且在不使用定时器的情况下得到完整的波形，发射器与单片机通过串口进行通讯。
3 无线接收模块的电路设计
本模块的主要作用是完成数据的接收。J04V 是一款低功耗小体积超再生接收模块，采用 SMT 工艺，性能稳定具有较好的灵敏度及性价比，是电池供电产品的理想选择。可以广泛应用于需要长期处于接收状态的遥控报警及单片机数据传输系统。接收器J04V 与发射器相配套，将315MHz 的电磁波转换为数字信号，通过串口传送给单片机，单片机在收到一包数据后， 首先要判断数据包的开头，然后将整包数据连续存入接收器中的数据缓冲区rxbuf，接收器中的单片机把接受到的数据处理为LCD1602 能直接显示的形式。
4 时钟芯片模块电路设计
DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟和31 字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/ 日历电路供秒、分、时、日、星期、月、年的信息、每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟，操作可过M/PM 指示决定采用24 或12 小时格式，DS1302 与单片机之间能简单地采同步行的方式进行通信，仅需用到三个口线，1 RES 复位2 I/O 数据线3 SCLK 串行时钟，时钟/RAM 的读/ 写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信， DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1. 1mW，DS1302 是由DS1202 改进而来，增加了以下的特性，双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器，它广泛应用于电话传真便携式仪器，以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
5 显示模块的电路设计
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点， 现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用系统设计中最常用的信息显示器件。而且液晶屏具有以下优点：
(1) 零辐射，低耗能，散热小；
(2) 纤薄轻巧；
(3) 精确还原图像；
(4) 显示字符锐利；
(5) 屏幕调节方便。
因此选用液晶屏LCD1602。
6 动作输出板电路的设计
动作输出板是测距系统与农业机器人之间最直接的交流工具，输出板上包含ULN2803 功率驱动器，可驱动大功率继电气工作。动作输出板上有12P 排针，可通过12 线的排线方便地与MCU 控制器直接相连，二者之间不需要额外的连线。输出板上共输出4 路继电器，通过输出端子可控制4 个电机单向运转启停，也可控制2 个电机的正反转与启停操作。输出板上还留有4 个扩展端口，可再扩展4 路继电器，可供系统功能快速扩展。
7 电源电路的设计
本系统中需要5V、3.3V 的电压，而通过电源得到的是9V 或12V, 而经过7805 稳压电路后输出的就是+5V 的电压了，可以很方便的满足后续电路的需要。电容C9、C10 是滤波电容。7805 是+5V 的集成稳压电路。发光二极管D3 是电源指示灯， R8 是D3 的限流电阻。系统电源电路图如图2 所示。
【参考文献】:
[1] 赵丁选. 光机电一体化设计使用手册（上、下册）. 北京： 化学工业
出版社，2003 .
[2] 喻萍. 单片机原理与接口技术. 北京：化学工业出版社， 2006.
[3] 江 力. 单片机原理与应用技术. 北京：清华大学出版社， 2008 .
[4] 谭浩强.C 程序设计. 北京：清华大学出版社，2008 .
[5] 余永权, 汪明慧等. 单片机在控制系统中的应用. 北京： 电子工业出版社，2004.
【关键词】: 农业机器人 运动装置 制动
超声波测距系统在农业机器人上的应用不仅提高了机器人的工作效率，节省了劳力，而且提高了机器人的行走安全性。
1 本系统的结构与工作原理
本系统有两大部分构成：
工作机：主要功能是伴随着农业机器人，实时监测机器人与目标物体的距离，测出距离后，经过无线发射器传送给操作员；
接收器：功能是收集发射器传送过来的数据，并通过显示器显示，提供给操作员查看，系统各模块框图如图1。
系统各部分功能：
工作机：
（1） STC89C52 单片机：主要控制工作机各个模块按时按序完成各自的功能，将各模块的数据综合处理后控制动作输出板工作，并实时得把数据送到无线发射器发射出去。
（2）18B20 温度传感器：18B20 温度传感器实时监测环境温度，根据温度对超声波传播速度的影响修正超声波传播的速度。
（3）超声波测距模块：受单片机控制发射超声波、接收回波，将回波到来标识传给单片机用以计时。
（4） 动作输出板：当距离值为50mm、100mm、200mm、400mm 时根据预定的程序控制继电器动作。
（5） F05P 无线发射模块：将单片机经过串口发来的数据以无线信号的形式发送出去。
接收器：
(1)J04V 无线信号接收模块：根据单片机的指令，接收传过来的无线信号，将信号送到单片机的串口。
(2)STC89C52 单片机：将接收到得数据加工处理为LCD1602 能够显示的格式形式；控制工作机各个模块按时按序完成各自的功能，将各模块的数据综合处理后送到LCD1602 显示。
(3)DS1302 时钟芯片：提供给单片机准确的实时时间，包括：时、分、秒、周、日、月、年。
(4) LCD1602 液晶显示器：将单片机送来的距离、温度、时间等数据显示出来。
2 无线发射模块的电路设计
本系统的主要作用是通过SPI 协议，对胎压值和温度值进行循环采集，并把采集到的数据处理后以315MHz 电磁波的形式进行传输。为保证发送数据的可靠，并且在不使用定时器的情况下得到完整的波形，发射器与单片机通过串口进行通讯。
3 无线接收模块的电路设计
本模块的主要作用是完成数据的接收。J04V 是一款低功耗小体积超再生接收模块，采用 SMT 工艺，性能稳定具有较好的灵敏度及性价比，是电池供电产品的理想选择。可以广泛应用于需要长期处于接收状态的遥控报警及单片机数据传输系统。接收器J04V 与发射器相配套，将315MHz 的电磁波转换为数字信号，通过串口传送给单片机，单片机在收到一包数据后， 首先要判断数据包的开头，然后将整包数据连续存入接收器中的数据缓冲区rxbuf，接收器中的单片机把接受到的数据处理为LCD1602 能直接显示的形式。
4 时钟芯片模块电路设计
DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟和31 字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/ 日历电路供秒、分、时、日、星期、月、年的信息、每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟，操作可过M/PM 指示决定采用24 或12 小时格式，DS1302 与单片机之间能简单地采同步行的方式进行通信，仅需用到三个口线，1 RES 复位2 I/O 数据线3 SCLK 串行时钟，时钟/RAM 的读/ 写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信， DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1. 1mW，DS1302 是由DS1202 改进而来，增加了以下的特性，双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源附加七个字节存储器，它广泛应用于电话传真便携式仪器，以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
5 显示模块的电路设计
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点， 现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用系统设计中最常用的信息显示器件。而且液晶屏具有以下优点：
(1) 零辐射，低耗能，散热小；
(2) 纤薄轻巧；
(3) 精确还原图像；
(4) 显示字符锐利；
(5) 屏幕调节方便。
因此选用液晶屏LCD1602。
6 动作输出板电路的设计
动作输出板是测距系统与农业机器人之间最直接的交流工具，输出板上包含ULN2803 功率驱动器，可驱动大功率继电气工作。动作输出板上有12P 排针，可通过12 线的排线方便地与MCU 控制器直接相连，二者之间不需要额外的连线。输出板上共输出4 路继电器，通过输出端子可控制4 个电机单向运转启停，也可控制2 个电机的正反转与启停操作。输出板上还留有4 个扩展端口，可再扩展4 路继电器，可供系统功能快速扩展。
7 电源电路的设计
本系统中需要5V、3.3V 的电压，而通过电源得到的是9V 或12V, 而经过7805 稳压电路后输出的就是+5V 的电压了，可以很方便的满足后续电路的需要。电容C9、C10 是滤波电容。7805 是+5V 的集成稳压电路。发光二极管D3 是电源指示灯， R8 是D3 的限流电阻。系统电源电路图如图2 所示。
【参考文献】:
[1] 赵丁选. 光机电一体化设计使用手册（上、下册）. 北京： 化学工业
出版社，2003 .
[2] 喻萍. 单片机原理与接口技术. 北京：化学工业出版社， 2006.
[3] 江 力. 单片机原理与应用技术. 北京：清华大学出版社， 2008 .
[4] 谭浩强.C 程序设计. 北京：清华大学出版社，2008 .
[5] 余永权, 汪明慧等. 单片机在控制系统中的应用. 北京： 电子工业出版社，2004.
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