何雨龍

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，重慶 402260）

中國是世界上最大的水果生產(chǎn)國和世界上最大的水果消費(fèi)國。果樹種植業(yè)的快速發(fā)展，增加了果園機(jī)械的市場需求。目前市場上還沒有具有稱重功能的水果采果機(jī)械。傳統(tǒng)的人工采摘并分步稱重，不僅效率低、勞動強(qiáng)度大，且容易造成果實(shí)損害。因此，研制具有稱重功能的采果機(jī)械具有十分重要的意義。

1 采果機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案

1.1 采果機(jī)械臂工作流程

當(dāng)采果機(jī)系統(tǒng)啟動時(shí)，通過攝像頭將伸縮桿伸向目標(biāo)果實(shí)，機(jī)械爪抓取果實(shí)，同時(shí)通過稱重感應(yīng)平臺單片機(jī)完成稱重，及時(shí)在顯示屏上顯示出目標(biāo)果實(shí)重量。

1.2 機(jī)械臂組成及工作原理

采果機(jī)的硬件主要由機(jī)械爪、顯示屏、攝像機(jī)鏡頭、電子感應(yīng)平臺、伸縮桿等組成。機(jī)械爪有閉合爪和鉗爪，通過單片機(jī)控制舵機(jī)通電實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪角度增減變化，張合角度0～180可實(shí)現(xiàn)對任何果實(shí)的抓取與釋放。其原理是：舵機(jī)控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，脈沖寬度從0.5～2.5ms呈線性變化。也就是說，一定的脈沖寬度決定了其輸出軸保持的相應(yīng)角度。同樣，舵機(jī)內(nèi)有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號，由比較器將外部信號和基準(zhǔn)信號加以比較，判斷出信號的方向和大小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)任意方向旋轉(zhuǎn)。

2 晶體振動電路設(shè)計(jì)

2.1 晶體振蕩器電路

設(shè)計(jì)STC89C52中有一個(gè)構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，晶振電路由晶體振蕩器y1和電容器C1和C2組成（為了便于敘述，用字母數(shù)字加以指代，下同）。單片機(jī)u1的引腳XTAL1腳和XTAL2腳用于連接晶體振蕩器。為了計(jì)算單片機(jī)的時(shí)鐘周期，文章選用y1為11.0592MHz的陶瓷無源晶體振蕩器，C3和C4為輔助晶振起振的電容器。這種電容一般是陶瓷片電容，C3和C4只用一個(gè)也可接入電路，也可以同時(shí)連接，這樣振蕩效果更好。文章選用30pF陶瓷片電容器。

復(fù)位電路是單片機(jī)運(yùn)行中硬件不可缺少的一部分。單片機(jī)的復(fù)位功能相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的重啟功能。當(dāng)單片機(jī)死機(jī)或程序運(yùn)行進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，需要單片機(jī)復(fù)位電路幫助單片機(jī)重啟或跳出死循環(huán)。本單片機(jī)復(fù)位電路主要有兩種復(fù)位方式：按鍵開關(guān)復(fù)位和電源重啟復(fù)位。

2.2 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)

文章采用懸臂梁固定電阻應(yīng)變片。應(yīng)變片電阻R1和R2固定在力敏型懸臂梁的頂部，R3和R4固定在懸臂梁的下側(cè)。當(dāng)懸臂梁上端受力時(shí)，彈性懸臂梁發(fā)生變形。應(yīng)變片應(yīng)變進(jìn)而引起應(yīng)變電阻阻值的變化，最后信號輸出導(dǎo)線的S+和S-之間的電壓值發(fā)生變化，如此實(shí)現(xiàn)將電路物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電參量加以處理。

2.3 電阻應(yīng)變片和懸臂梁的固定

電阻應(yīng)變片密封固定完成后，懸臂梁的安裝固定就是應(yīng)變片設(shè)計(jì)的最后一步工序了：要注意受力端一定要懸空，下側(cè)不能接觸地面，否則會影響懸臂梁的正常變形，使應(yīng)變片的應(yīng)變會出現(xiàn)誤差。此外，受力物體必須垂直作用在懸臂梁的受力面上。

3 電路及軟件

將系統(tǒng)電路繪制完成的硬件電路圖，采用模塊化電路設(shè)計(jì)，便于各部分的電路分析和標(biāo)注。電路設(shè)計(jì)完成后，需要檢查電路的電氣連接。由Protel99SE繪圖軟件自帶的ERC電氣檢測功能進(jìn)行檢測，直到ERC錯(cuò)誤為零，方可開始下一步設(shè)計(jì)工作。

3.1 信號放大及AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換采用HX71AD模塊實(shí)現(xiàn)。AVDD外控電源輸出，為應(yīng)變電阻傳感器提供勵(lì)磁調(diào)節(jié)電源。AVDD電壓的調(diào)節(jié)輸出值由電阻器R5和R6共同來確定。

3.2 LCD1602LCD電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶作為顯示器。LCD1602液晶最多可顯示2行32個(gè)字符。文章LCD接口電路采用并行通信模式加以實(shí)現(xiàn)。

3.3 工作電壓和功耗

功耗是電子產(chǎn)品的一個(gè)重要參數(shù)。在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)充分考慮功耗。通過查閱主要電子器件的手冊，通過對主要有源器件功耗的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗需要滿足500MA的要求。系統(tǒng)的單片機(jī)、液晶顯示器和AD轉(zhuǎn)換模塊均在直流5V電壓下工作，因此文章最后采用DC5V-1A電源為系統(tǒng)供電（計(jì)算機(jī)USB接口供電也可以），從而保證系統(tǒng)對工作電壓和功耗的要求。

3.4 報(bào)警輸出頻率和分貝

本系統(tǒng)的報(bào)警輸出采用DC5V有源蜂鳴器鳴笛實(shí)現(xiàn)。報(bào)警輸出頻率為1Hz，鳴笛聲大小為50～60分貝，在不產(chǎn)生太大噪聲的情況下給出有效報(bào)警。

3.5 使用環(huán)境要求

本系統(tǒng)使用極限溫度環(huán)境-20℃～85℃，考慮到溫度變化造成的溫飄影響，系統(tǒng)不推薦超出范圍值使用；同時(shí)本系統(tǒng)也不具備防水的功能，因而盡量避免在潮濕環(huán)境中使用，以免損壞系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

手持式級速采果機(jī)械臂體積小、重量輕，使用靈活方便，簡單操作就能夠利用機(jī)械臂伸縮摘果并對果實(shí)進(jìn)行稱重，在采摘的同時(shí)即完成了稱重的需要，并且還很好地保護(hù)了果實(shí)不受損傷。文章設(shè)計(jì)研究的新一代采果機(jī)進(jìn)一步提高了采摘效率，減輕了勞動強(qiáng)度，極具有推廣價(jià)值，利于較快普及使用。