基于单片机的智能水果采摘机器人设计

陈金华，孙雪蕾

（江苏联合职业技术学院 镇江分院，江苏 镇江 212016）

随着农业生产模式和技术的发展与应用，国内外的农业机器人技术发展迅速，并逐步迈向农业生产主力军的行列，推动智慧农业迅速发展。水果采摘机器人作为农业机器人的主要类型，具有很大的发展潜力。当前，水果采摘具有位置随机、分布范围广等特点，机器人采摘作业也处于较低水平。为此，设计一款基于单片机的智能水果采摘机器人，用于采摘苹果、梨、橙子等水果，采摘效率和稳定性均较高，具有一定的推广应用价值。

1 采摘机器人的硬件组成

智能采摘机器人系统主要由AT89S52单片机、机械手、按键、显示系统和电机系统组成，结构组成详见图1。

智能水果采摘机器人具有水果采摘、包装，苹果等级评判，估算优果率和收入等功能。根据果实的直径和色泽，系统把水果分为优等品、一等品、二等品和三等品4个等级。水果判定等级后，步进电机驱动机械手模拟人手进行水果采摘。苹果装满箱后，led灯亮，2 s蜂鸣器鸣叫，提示贴密封条，并利用电机带动传送带运走，此后水果个数清零。优等品一箱可以装6个水果，约重2.5 kg；一等品一箱可以装8个水果，约重 2.5 kg；二等品一箱可以装 10个水果，约重 2.8 kg；三等品一箱可以装12个水果，约重3.0 kg。

1.1 AT89S52单片机及外围电路

系统采用AT89S52单片机作为开发平台。AT89S52是Atmel公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。该单片机使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，广泛应用于众多嵌入式控制应用系统。

本系统利用AT89S52单片机完成整个系统的人机协调、机械手模拟手爪的抓取和松开、按键操作、电机动作、LCD及数码显示等功能。

1.2 按键模块

用4X4矩阵按键进行系统设置。系统键数目较多，故选用矩阵按键，节省I／O口的占用量，通过“↑”，“↓”“←”，“→”键实现各功能的切换和选择，按键排列见图2。

图2 按键示意图Figure 2 Schematic diagram of key

1.3 显示模块

液晶显示LCD采用12864，成本相对较低，适用于各类仪器。LCD第一行显示工作状态，分别为“选级”“采摘”“装箱”“密封”“传送”“暂停”“停止”。 第二行显示“直径：**mm”。第三行显示“着色：”（“均匀”或者“不均匀”）。第四行显示“等级：”。数码管用于显示各等级果品的数量。一个级别的水果装箱完成后，对应等级的数码管个数清零。

2 采摘机器人软件设计及功能实现

软件设计是整个系统的大脑和核心，直接决定系统功能、系统的稳定性和工作效率等。软件采用“模块化”方法，单个功能模块设计调试完成后，可实现模块共享，修改局部即可实现整体功能变化。智能采摘机器人系统的程序流程见图3。

图3 智能采摘机器人程序流程Figure 3 Program flow of intelligent picking robot

系统接通电源，按“开机”键，系统得电，显示屏显示“欢迎使用”，机械手爪张开。按“工作”键，蜂鸣器鸣响1 s后开始采摘。按“暂停”键，蜂鸣器鸣响1 s后暂停，再次按下蜂鸣器鸣响1 s后，继续工作。按“停止”键，停止采摘，返回初始状态。按“关机”键，停止工作，机械手、液晶、步进电机等失电。按“查询”键，液晶屏显示“单价设置”“收入”“等级分布”信息，按“↑”“↓”切换，并用“确认”键确认。

按“单价设置”键：第一行显示“优等品：XX元／公斤”；第二行显示“一等品：XX元／公斤”；第三行显示“二等品：XX元／公斤”；第四行显示“三等品：XX元 ／公斤”。通过“↑”“↓”“←”“→”“确认”键设定每种等级的单价。按“返回”键，返回查询界面。若“收入”根据设定的单价及产量，显示“收入：*****.* 元”，按“返回”键返回查询界面。“等级分布”显示等级分布图。

同时，水果采摘机可帮助果农分析水果等级分布，并用不同等级占据的百分比来直观显示。百分比＝个数／总个数。显示形式如图4所示，液晶显示屏从左到右依次显示优等品、一等品、二等品、三等品的百分比。

图4 采摘水果等级分布图Figure 4 Grade distribution of fruit-picking

3 结语

当前，很多果树的枝干较高，树杈多而密，人工采摘水果困难，耗费大量劳力。为此，采用AT89S52单片机为主控芯片，设计一种智能水果采摘机器人，保证采摘的水果完好无损，实现水果采摘、等级划分、装箱、密封、传送等功能。该系统易于操作，节省人工及成本，经济适用，具有一定的应用前景。