基于單片機的智能水果采摘機器人設計

陳金華，孫雪蕾

（江蘇聯合職業技術學院 鎮江分院，江蘇 鎮江 212016）

隨著農業生產模式和技術的發展與應用，國內外的農業機器人技術發展迅速，并逐步邁向農業生產主力軍的行列，推動智慧農業迅速發展。水果采摘機器人作為農業機器人的主要類型，具有很大的發展潛力。當前，水果采摘具有位置隨機、分布范圍廣等特點，機器人采摘作業也處于較低水平。為此，設計一款基于單片機的智能水果采摘機器人，用于采摘蘋果、梨、橙子等水果，采摘效率和穩定性均較高，具有一定的推廣應用價值。

1 采摘機器人的硬件組成

智能采摘機器人系統主要由AT89S52單片機、機械手、按鍵、顯示系統和電機系統組成，結構組成詳見圖1。

智能水果采摘機器人具有水果采摘、包裝，蘋果等級評判，估算優果率和收入等功能。根據果實的直徑和色澤，系統把水果分為優等品、一等品、二等品和三等品4個等級。水果判定等級后，步進電機驅動機械手模擬人手進行水果采摘。蘋果裝滿箱后，led燈亮，2 s蜂鳴器鳴叫，提示貼密封條，并利用電機帶動傳送帶運走，此后水果個數清零。優等品一箱可以裝6個水果，約重2.5 kg；一等品一箱可以裝8個水果，約重 2.5 kg；二等品一箱可以裝 10個水果，約重 2.8 kg；三等品一箱可以裝12個水果，約重3.0 kg。

1.1 AT89S52單片機及外圍電路

系統采用AT89S52單片機作為開發平臺。AT89S52是Atmel公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K系統可編程Flash存儲器。該單片機使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，廣泛應用于眾多嵌入式控制應用系統。

本系統利用AT89S52單片機完成整個系統的人機協調、機械手模擬手爪的抓取和松開、按鍵操作、電機動作、LCD及數碼顯示等功能。

1.2 按鍵模塊

用4X4矩陣按鍵進行系統設置。系統鍵數目較多，故選用矩陣按鍵，節省I／O口的占用量，通過“↑”，“↓”“←”，“→”鍵實現各功能的切換和選擇，按鍵排列見圖2。

圖2 按鍵示意圖Figure 2 Schematic diagram of key

1.3 顯示模塊

液晶顯示LCD采用12864，成本相對較低，適用于各類儀器。LCD第一行顯示工作狀態，分別為“選級”“采摘”“裝箱”“密封”“傳送”“暫停”“停止”。 第二行顯示“直徑：**mm”。第三行顯示“著色：”（“均勻”或者“不均勻”）。第四行顯示“等級：”。數碼管用于顯示各等級果品的數量。一個級別的水果裝箱完成后，對應等級的數碼管個數清零。

2 采摘機器人軟件設計及功能實現

軟件設計是整個系統的大腦和核心，直接決定系統功能、系統的穩定性和工作效率等。軟件采用“模塊化”方法，單個功能模塊設計調試完成后，可實現模塊共享，修改局部即可實現整體功能變化。智能采摘機器人系統的程序流程見圖3。

圖3 智能采摘機器人程序流程Figure 3 Program flow of intelligent picking robot

系統接通電源，按“開機”鍵，系統得電，顯示屏顯示“歡迎使用”，機械手爪張開。按“工作”鍵，蜂鳴器鳴響1 s后開始采摘。按“暫停”鍵，蜂鳴器鳴響1 s后暫停，再次按下蜂鳴器鳴響1 s后，繼續工作。按“停止”鍵，停止采摘，返回初始狀態。按“關機”鍵，停止工作，機械手、液晶、步進電機等失電。按“查詢”鍵，液晶屏顯示“單價設置”“收入”“等級分布”信息，按“↑”“↓”切換，并用“確認”鍵確認。

按“單價設置”鍵：第一行顯示“優等品：XX元／公斤”；第二行顯示“一等品：XX元／公斤”；第三行顯示“二等品：XX元／公斤”；第四行顯示“三等品：XX元 ／公斤”。通過“↑”“↓”“←”“→”“確認”鍵設定每種等級的單價。按“返回”鍵，返回查詢界面。若“收入”根據設定的單價及產量，顯示“收入：*****.* 元”，按“返回”鍵返回查詢界面。“等級分布”顯示等級分布圖。

同時，水果采摘機可幫助果農分析水果等級分布，并用不同等級占據的百分比來直觀顯示。百分比＝個數／總個數。顯示形式如圖4所示，液晶顯示屏從左到右依次顯示優等品、一等品、二等品、三等品的百分比。

圖4 采摘水果等級分布圖Figure 4 Grade distribution of fruit-picking

3 結語

當前，很多果樹的枝干較高，樹杈多而密，人工采摘水果困難，耗費大量勞力。為此，采用AT89S52單片機為主控芯片，設計一種智能水果采摘機器人，保證采摘的水果完好無損，實現水果采摘、等級劃分、裝箱、密封、傳送等功能。該系統易于操作，節省人工及成本，經濟適用，具有一定的應用前景。