基于51单片机自主循迹灌溉小车

赵文钰，郭桥雨，张成杰，付利荣，刘晓文

（河北农业大学 河北 保定 071000）

1 系统方案

1.1 系统原理

小车底部和侧部分别装有红外传感器。底部红外传感器保证小车沿一定轨迹行驶，侧部传感器用来检测水池和被灌溉植株。正常运行状态中，小车正常循迹，当侧部红外传感器首次探测到信号后，将信号传送至单片机，单片机接收到信号后先对舵机发送命令，舵机带动机械臂将水管传送至水中；再对继电器发送命令，继电器导通水泵电源，水泵开始抽水，单片机同时开始计时；待到达计时时间后，继电器断电，水泵停止工作，机械臂带动水管升起。小车继续循迹。当侧部红外传感器再次探测到信号后，机械臂放下，继电器带动水泵放水同时单片机开始计时，计时满后，停止放水，收起机器臂，继续循迹。

1.2 系统论证

1.2.1 硬件系统

（1）电源模块

因为水泵功率很大，通过单片机电源进行供电可能会导致单片机电压不稳定，进而影响单片机的处理速度，所以决定将单片机和水泵分别供电，采取双电源供电的方式。一路采用5V电池盒电源对单片机进行供电，另一路采用12V学生电源对水泵进行供电。双电源供电保证单片机的正常运行，减少水泵对单片机工作的影响。

（2）机械臂模块

机械臂由两个舵机、若干舵机支架、抽（放）水管及水泵构成。两个舵机负责机械臂的两个自由度，使其按照设定好的程序运动；舵机支架负责支撑和连接舵机、水管；水管主要用来导流，引导水流流向植株或将抽来的水流入车上水箱。机械臂信号由单片机发送，电源接12V学生电源。

（3）传感器模块

本装置共设置有3个红外传感器模块，其中两个传感器位于小车底部，用于检测底部白线，使小车沿着既定白线自主行驶；侧部红外传感器用于检测水池及被灌溉植株，使其能够精准的抽水和灌溉。

传感器由5V电池盒进行供电，正常状态下，传感器输出口输出高电平；当传感器探测到白线时，会输出一个低电平，直到不再探测到白线。

1.2.2 软件系统

（1）循迹部分

小车前轮为主动轮，后轮为从动轮。单片机通过驱动可直接控制两个前轮电机，进而实现小车前进、转向及停车的功能，具体分析：

a当两轮同时转动，小车直行；

b当左轮停止，右轮转动，小车左转；c当左轮转动，右轮停止，小车右转；d当两轮同时转动，小车停止；

车头底部两侧分别安装有一个红外传感器，在正常行驶过程中，传感器分布在白线两侧，单片机通过分析两个传感器返回的信号，控制小车直行、左转、右转、或停车，具体情况如下：

a当两侧传感器同时为高电平，小车直行；

b当左侧传感器为低电平，右侧传感器为高电平，小车左转；

c当左侧传感器为高电平，右侧传感器为低电平，小车右转；

d当两侧传感器同时为高电平，小车停止；

（2）机械臂部分

机械臂含有两个自由度，每个自由度都由一个舵机进行控制，两个舵机通过舵机支架连接。其取水工作流程如下：首先，第一舵机顺时针旋转九十度，将机械臂展开，然后第二舵机顺时针旋转九十度，将连接在舵机上的水管送到水箱中，开始取水；待取水完成之后，第二舵机逆时针旋转九十度，将水管从书中取出，第一舵机逆时针旋转九十度，将机械臂整体收起，完成取水。灌溉过程与取水过程机械臂动作类似，只是由抽水变成了放水，其他动作完全相同。

2 系统测试

2.1 循迹测试

测试准备：在接入机械臂之前，对小车进行循迹测试。赛道为黑色底板，上面有白色循迹线，白线分为直线部分、S弯道、直角弯道、直线部分，将小车放置在循迹线上，传感器分别在白线两侧。启动系统，观测小车运行状态。

测试结果：小车可以沿着白线自主寻迹，直线、S弯道、直角弯都可以顺利通过。

2.2 机械臂测试

测试过程：单独接上机械臂模块，用盛有水的水池遮挡侧部传感器，使单片机给机械臂发送动作命令，待动作完成后立即撤离水池，观测机械臂是否可以带动水管将水池中的水抽到车体上的水箱中；再次用水池遮挡侧部传感器，待动作完成后立即撤离水池，观测机械臂是否可以带动水管将刚抽入水箱中的水放到水池中。

测试结果：机械臂可以很好的带动水管将水池中的水抽入水箱中，并在第二次探测到信号之后，可以很好地将水箱中的水放到水池中。

2.3 综合测试

测试过程：采用循迹测试的场地，在开始的直线部分放一个盛有水的水池，在结束的直线部分放置另一个没有盛有水的水池，打开系统，观测小车是否可以沿着白线循迹并在从第一个水池中抽水，在第二个水池中放水。

测试结果：小车可以自主沿白线循迹，很好地经过直线、S弯道、直角弯道、直线部分，并从第一个水箱中抽水，在第二个水箱处灌溉。

[1]张铁.工业机器人及智能制造发展现状分析[J].机电工程技术，2014，(4)：1-3.

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