自动割草机器人主控系统的结构

1 系统结构

自动割草机器人主控系统的结构框图如图1所示。系统主要由单片机控制系统、传感器系统、电机驱动系统3大部分组成。其中单片机控制系统的处理器采用国产芯片STC12C5410AD，包含10 bit的ADC以及串口、I2C等通用串行接口，高达40 MHz的主频完全可以胜任本系统的计算和处理速度。

运动系统主要通过单片机给出的多路PWM信号对自动割草机器人的行动电机以及割草电机进行控制。传感器系统由电子篱笆传感器、光电开关传感器、碰撞开关传感器、雨水传感器、无线遥控接收模块等组成。其中，电子篱笆传感器用于探测割草区域的边缘；光电开关传感器用于避开慢速的或者静止的障碍物；碰撞开关传感器用于避开快速的或者主动碰向割草机的物体；雨水传感器用于检测下雨天气，并且相应作出回基站的操作；倾角开关传感器用于安全措施，防止自动割草机器人在割草过程中发生意外事件翻倒，一旦传感器检测的角度超过设定的阈值，系统自动停止一切工作，进入休眠状态；无线遥控部分用于方便使用者无线控制自动割草机器人，无线遥控的距离约20 m.各个系统都采用模块化设计，可扩展性高、升级维护方便、二次开发周期短。表1为自动割草机器人参数表。

2 硬件系统设计

2.1 主控系统

主控系统采用STC12c5410AD单片机，最高主频40 MHz，8路AD输入，可以满足自动割草机器人系统的控制需求。本系统采用30 MHz的有源晶振，8路AD输入基本上可以满足系统中模拟量的采集需求。

2.2 运动控制系统

运动控制系统中行动电机部分采用2片L298直流电机驱动芯片对直流电机进行控制。1片L298驱动芯片可以提供最高3 A的驱动电流，本系统的行动电机供电电压为24 V，对于设计要求行动总功率不大于60 W的驱动系统来说，2片L298拥有足够的驱动能力。在机械结构上，电机轴上使用了减速齿轮，用于加大最大电机输出转矩，提高在草地上行走的能力。

割草电机驱动部分采用mosfet驱动，IRLR2705这款mosfet可以提供峰值28 A的电流，满足了割草电机的要求。割草电机的开通和关断由一个单片机IO控制。割草电机驱动有一个电流检测反馈环节，当割草电机的工作电流过大（一般是堵转时），电流信号被采样电阻取出并且送往单片机AD转换器中进行检测并且软件保护。防止堵转的电机烧毁mosfet管。电机驱动电路图如图2.

2.3 传感器系统

2.3.1 电子篱笆感应电路

对空间目标的搜索和跟踪一般采用相控阵雷达，其相控阵天线以电子方式控制波束方向，它可以同时搜索和测量不同方向的多个波束，建立空间目标的运行轨道和测量空间目标的窄带特性。如美国海军的空间监视“NAVSPASUR”系统、法国的GRAVES雷达等，以及计划中的欧洲空间监视系统，这三个系统是由雷达电子波束在空间设置一道拦截屏（或拦截空域），所以通常称为“电子篱笆”。

电子篱笆传感器是自动割草机器人最重要的传感器，它可以使割草机不走出工作区域（由连在基站上的电线围成的区域），这样可以保证自动割草机器人工作在有效区域。电子篱笆传感器感应的是电子篱笆所发出的一定频率的脉冲信号，感应线圈在靠近通有交变电流的电线边界时，会产生特定频率的感应电流，根据检测特定频率下信号幅度的大小可以得到割草机是否接近边界的信息。电子篱笆传感器在感应出信号后进行放大、滤波［1］，然后再送入单片机的AD输入端口。实验证明，越是接近电子篱笆边界，感应出给MCU的电压越大，选择一个合适的阈值进行判断就可以得到割草机的状态。在实际中设定接近边界还有3 cm时感应出的电压大小作为阈值，割草机在接收这个信号后就会给出相应的处理，如后转弯180°然后继续前进。电子篱笆检测电路图如图3.

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。