超聲波測距技術在農業機器人中的應用

【內容摘要】：農業機器人在行走的過程中，需要實時測量機器人與目標物體的距離，當距離達到一定的范圍時，需要運動裝置和相關的設備做出一定的動作，從而自動完成特定的操作；當移動機器人走到軌道的盡頭時，需要檢測自身與盡頭標志物的距離，然后采取制動或換向操作。
【關鍵詞】: 農業機器人 運動裝置 制動
超聲波測距系統在農業機器人上的應用不僅提高了機器人的工作效率，節省了勞力，而且提高了機器人的行走安全性。
1 本系統的結構與工作原理
本系統有兩大部分構成：
工作機：主要功能是伴隨著農業機器人，實時監測機器人與目標物體的距離，測出距離后，經過無線發射器傳送給操作員；
接收器：功能是收集發射器傳送過來的數據，并通過顯示器顯示，提供給操作員查看，系統各模塊框圖如圖1。
系統各部分功能：
工作機：
（1） STC89C52 單片機：主要控制工作機各個模塊按時按序完成各自的功能，將各模塊的數據綜合處理后控制動作輸出板工作，并實時得把數據送到無線發射器發射出去。
（2）18B20 溫度傳感器：18B20 溫度傳感器實時監測環境溫度，根據溫度對超聲波傳播速度的影響修正超聲波傳播的速度。
（3）超聲波測距模塊：受單片機控制發射超聲波、接收回波，將回波到來標識傳給單片機用以計時。
（4） 動作輸出板：當距離值為50mm、100mm、200mm、400mm 時根據預定的程序控制繼電器動作。
（5） F05P 無線發射模塊：將單片機經過串口發來的數據以無線信號的形式發送出去。
接收器：
(1)J04V 無線信號接收模塊：根據單片機的指令，接收傳過來的無線信號，將信號送到單片機的串口。
(2)STC89C52 單片機：將接收到得數據加工處理為LCD1602 能夠顯示的格式形式；控制工作機各個模塊按時按序完成各自的功能，將各模塊的數據綜合處理后送到LCD1602 顯示。
(3)DS1302 時鐘芯片：提供給單片機準確的實時時間，包括：時、分、秒、周、日、月、年。
(4) LCD1602 液晶顯示器：將單片機送來的距離、溫度、時間等數據顯示出來。
2 無線發射模塊的電路設計
本系統的主要作用是通過SPI 協議，對胎壓值和溫度值進行循環采集，并把采集到的數據處理后以315MHz 電磁波的形式進行傳輸。為保證發送數據的可靠，并且在不使用定時器的情況下得到完整的波形，發射器與單片機通過串口進行通訊。
3 無線接收模塊的電路設計
本模塊的主要作用是完成數據的接收。J04V 是一款低功耗小體積超再生接收模塊，采用 SMT 工藝，性能穩定具有較好的靈敏度及性價比，是電池供電產品的理想選擇。可以廣泛應用于需要長期處于接收狀態的遙控報警及單片機數據傳輸系統。接收器J04V 與發射器相配套，將315MHz 的電磁波轉換為數字信號，通過串口傳送給單片機，單片機在收到一包數據后， 首先要判斷數據包的開頭，然后將整包數據連續存入接收器中的數據緩沖區rxbuf，接收器中的單片機把接受到的數據處理為LCD1602 能直接顯示的形式。
4 時鐘芯片模塊電路設計
DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時鐘芯片，內含有一個實時時鐘和31 字節靜態RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信，實時時鐘/ 日歷電路供秒、分、時、日、星期、月、年的信息、每月的天數和閏年的天數可自動調整時鐘，操作可過M/PM 指示決定采用24 或12 小時格式，DS1302 與單片機之間能簡單地采同步行的方式進行通信，僅需用到三個口線，1 RES 復位2 I/O 數據線3 SCLK 串行時鐘，時鐘/RAM 的讀/ 寫數據以一個字節或多達31 個字節的字符組方式通信， DS1302 工作時功耗很低，保持數據和時鐘信息時功率小于1. 1mW，DS1302 是由DS1202 改進而來，增加了以下的特性，雙電源管腳用于主電源和備份電源供應，Vcc1 為可編程涓流充電電源附加七個字節存儲器，它廣泛應用于電話傳真便攜式儀器，以及電池供電的儀器儀表等產品領域。
5 顯示模塊的電路設計
液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點， 現在字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用系統設計中最常用的信息顯示器件。而且液晶屏具有以下優點：
(1) 零輻射，低耗能，散熱小；
(2) 纖薄輕巧；
(3) 精確還原圖像；
(4) 顯示字符銳利；
(5) 屏幕調節方便。
因此選用液晶屏LCD1602。
6 動作輸出板電路的設計
動作輸出板是測距系統與農業機器人之間最直接的交流工具，輸出板上包含ULN2803 功率驅動器，可驅動大功率繼電氣工作。動作輸出板上有12P 排針，可通過12 線的排線方便地與MCU 控制器直接相連，二者之間不需要額外的連線。輸出板上共輸出4 路繼電器，通過輸出端子可控制4 個電機單向運轉啟停，也可控制2 個電機的正反轉與啟停操作。輸出板上還留有4 個擴展端口，可再擴展4 路繼電器，可供系統功能快速擴展。
7 電源電路的設計
本系統中需要5V、3.3V 的電壓，而通過電源得到的是9V 或12V, 而經過7805 穩壓電路后輸出的就是+5V 的電壓了，可以很方便的滿足后續電路的需要。電容C9、C10 是濾波電容。7805 是+5V 的集成穩壓電路。發光二極管D3 是電源指示燈， R8 是D3 的限流電阻。系統電源電路圖如圖2 所示。
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