基于51單片機自主循跡灌溉小車

趙文鈺，郭橋雨，張成杰，付利榮，劉曉文

（河北農業大學 河北 保定 071000）

1 系統方案

1.1 系統原理

小車底部和側部分別裝有紅外傳感器。底部紅外傳感器保證小車沿一定軌跡行駛，側部傳感器用來檢測水池和被灌溉植株。正常運行狀態中，小車正常循跡，當側部紅外傳感器首次探測到信號后，將信號傳送至單片機，單片機接收到信號后先對舵機發送命令，舵機帶動機械臂將水管傳送至水中；再對繼電器發送命令，繼電器導通水泵電源，水泵開始抽水，單片機同時開始計時；待到達計時時間后，繼電器斷電，水泵停止工作，機械臂帶動水管升起。小車繼續循跡。當側部紅外傳感器再次探測到信號后，機械臂放下，繼電器帶動水泵放水同時單片機開始計時，計時滿后，停止放水，收起機器臂，繼續循跡。

1.2 系統論證

1.2.1 硬件系統

（1）電源模塊

因為水泵功率很大，通過單片機電源進行供電可能會導致單片機電壓不穩定，進而影響單片機的處理速度，所以決定將單片機和水泵分別供電，采取雙電源供電的方式。一路采用5V電池盒電源對單片機進行供電，另一路采用12V學生電源對水泵進行供電。雙電源供電保證單片機的正常運行，減少水泵對單片機工作的影響。

（2）機械臂模塊

機械臂由兩個舵機、若干舵機支架、抽（放）水管及水泵構成。兩個舵機負責機械臂的兩個自由度，使其按照設定好的程序運動；舵機支架負責支撐和連接舵機、水管；水管主要用來導流，引導水流流向植株或將抽來的水流入車上水箱。機械臂信號由單片機發送，電源接12V學生電源。

（3）傳感器模塊

本裝置共設置有3個紅外傳感器模塊，其中兩個傳感器位于小車底部，用于檢測底部白線，使小車沿著既定白線自主行駛；側部紅外傳感器用于檢測水池及被灌溉植株，使其能夠精準的抽水和灌溉。

傳感器由5V電池盒進行供電，正常狀態下，傳感器輸出口輸出高電平；當傳感器探測到白線時，會輸出一個低電平，直到不再探測到白線。

1.2.2 軟件系統

（1）循跡部分

小車前輪為主動輪，后輪為從動輪。單片機通過驅動可直接控制兩個前輪電機，進而實現小車前進、轉向及停車的功能，具體分析：

a當兩輪同時轉動，小車直行；

b當左輪停止，右輪轉動，小車左轉；c當左輪轉動，右輪停止，小車右轉；d當兩輪同時轉動，小車停止；

車頭底部兩側分別安裝有一個紅外傳感器，在正常行駛過程中，傳感器分布在白線兩側，單片機通過分析兩個傳感器返回的信號，控制小車直行、左轉、右轉、或停車，具體情況如下：

a當兩側傳感器同時為高電平，小車直行；

b當左側傳感器為低電平，右側傳感器為高電平，小車左轉；

c當左側傳感器為高電平，右側傳感器為低電平，小車右轉；

d當兩側傳感器同時為高電平，小車停止；

（2）機械臂部分

機械臂含有兩個自由度，每個自由度都由一個舵機進行控制，兩個舵機通過舵機支架連接。其取水工作流程如下：首先，第一舵機順時針旋轉九十度，將機械臂展開，然后第二舵機順時針旋轉九十度，將連接在舵機上的水管送到水箱中，開始取水；待取水完成之后，第二舵機逆時針旋轉九十度，將水管從書中取出，第一舵機逆時針旋轉九十度，將機械臂整體收起，完成取水。灌溉過程與取水過程機械臂動作類似，只是由抽水變成了放水，其他動作完全相同。

2 系統測試

2.1 循跡測試

測試準備：在接入機械臂之前，對小車進行循跡測試。賽道為黑色底板，上面有白色循跡線，白線分為直線部分、S彎道、直角彎道、直線部分，將小車放置在循跡線上，傳感器分別在白線兩側。啟動系統，觀測小車運行狀態。

測試結果：小車可以沿著白線自主尋跡，直線、S彎道、直角彎都可以順利通過。

2.2 機械臂測試

測試過程：單獨接上機械臂模塊，用盛有水的水池遮擋側部傳感器，使單片機給機械臂發送動作命令，待動作完成后立即撤離水池，觀測機械臂是否可以帶動水管將水池中的水抽到車體上的水箱中；再次用水池遮擋側部傳感器，待動作完成后立即撤離水池，觀測機械臂是否可以帶動水管將剛抽入水箱中的水放到水池中。

測試結果：機械臂可以很好的帶動水管將水池中的水抽入水箱中，并在第二次探測到信號之后，可以很好地將水箱中的水放到水池中。

2.3 綜合測試

測試過程：采用循跡測試的場地，在開始的直線部分放一個盛有水的水池，在結束的直線部分放置另一個沒有盛有水的水池，打開系統，觀測小車是否可以沿著白線循跡并在從第一個水池中抽水，在第二個水池中放水。

測試結果：小車可以自主沿白線循跡，很好地經過直線、S彎道、直角彎道、直線部分，并從第一個水箱中抽水，在第二個水箱處灌溉。

[1]張鐵.工業機器人及智能制造發展現狀分析[J].機電工程技術，2014，(4)：1-3.

[2]鄒赫.影響電子通訊設備可靠性的因素及設備可靠性對策分析[J].信息與電腦 (理論版)，2014(07).