基于紅外識(shí)別技術(shù)的畜牧小車模型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李琳琳 ，楊啟正*，賀沅瑋，羅鑫鑫，閆海峰

（1.湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421000；2.遠(yuǎn)大住宅工業(yè)集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

畜牧機(jī)械有加工機(jī)械、飼喂機(jī)械、養(yǎng)殖機(jī)械、防疫機(jī)械等，特別是針對(duì)群體飼喂的飼喂機(jī)械由于自動(dòng)化程度低，需要人工協(xié)助，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，因此，智能化小車是畜牧裝備機(jī)械發(fā)展的全新型科技產(chǎn)物，也是提高生產(chǎn)效率和勞動(dòng)強(qiáng)度的必然要求。智能化小車可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)畜牧機(jī)械裝備進(jìn)行行駛控制，無需人工協(xié)助，是集中了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息通訊技術(shù)、智能化技術(shù)、自動(dòng)行駛技術(shù)等綜合化程度較高的自動(dòng)化控制系統(tǒng)[1-3]。本文以畜牧裝備小車模型為研究對(duì)象，采用紅外循跡、紅外避障和紅外遙控等識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于紅外識(shí)別技術(shù)的畜牧裝備小車模型自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了畜牧裝備小車模型自動(dòng)循跡、避障和遠(yuǎn)程控制，為畜牧機(jī)械裝備智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊、紅外循跡模塊、紅外遙控模塊、紅外避障模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

畜牧小車模型自動(dòng)控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，當(dāng)啟動(dòng)循跡模塊按鈕，系統(tǒng)切換成循跡模式，利用紅外循跡模塊中的反射式紅外傳感器識(shí)別路面上的黑色引導(dǎo)線并采集識(shí)別信號(hào)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信號(hào)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，從而調(diào)節(jié)小車的行走軌跡，完成循跡畜牧裝備小車模型的自動(dòng)循跡。

當(dāng)啟動(dòng)紅外遙控模塊按鈕，系統(tǒng)切換成遙控模式，根據(jù)紅外遙控接收頭接收紅外遙控器的控制信號(hào)，通過控制系統(tǒng)進(jìn)行解析，控制小車的行走路徑，實(shí)現(xiàn)畜牧裝備小車模型的無線遙控控制。

當(dāng)啟動(dòng)避障模塊按鈕，系統(tǒng)切換成避障模式，根據(jù)紅外避障模塊中的反射式紅外傳感器檢測(cè)小車行駛前方的障礙物，不斷檢測(cè)探測(cè)范圍內(nèi)是否有障礙物，如有障礙物存在，將信號(hào)傳送至單片機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)算法設(shè)計(jì)的避障路線進(jìn)行避障，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。

當(dāng)小車處于藍(lán)牙模式工作狀態(tài)時(shí)，打開專用機(jī)控制小車軌跡的APP，連接藍(lán)牙，當(dāng)連接成功時(shí)，根據(jù)手機(jī)界面所顯示的控件指示，從而實(shí)現(xiàn)小車速度和方向的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)小車的藍(lán)牙控制功能。

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 循跡模塊

采用3路TCRT5000反射式紅外檢測(cè)傳感器、JY043W型光電管和LM393電壓比較器等硬件集成的循跡模塊，主要用來識(shí)別畜牧裝備小車工作過程中的黑白標(biāo)識(shí)物，通過紅外傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，控制直流電機(jī)的工作狀態(tài)，完成畜牧裝備小車的自動(dòng)循跡。此循跡模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝，3路反射式傳感器分別獨(dú)立工作，中控板與探頭分開，不受安裝位置的限制，工作電壓為3～6 V，電壓相對(duì)穩(wěn)定，探測(cè)距離范圍為10～120 mm，電路圖如圖2所示。

圖2 循跡模塊電路

2.2 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊主要用來實(shí)現(xiàn)紅外信息的傳送，主要由發(fā)射、接收和調(diào)制三大部分組成，由紅外發(fā)射器將調(diào)制的編碼信號(hào)發(fā)出，通過紅外線傳送至接收端，解調(diào)為電信號(hào)后，傳送至單片機(jī)主控程序，完成紅外信息傳遞。此紅外遙控模塊采用HX1838傳感器，工作電壓為5 V，數(shù)字量輸出，測(cè)試距離為5～8 m，接收頻率為38 Hz遙控編碼，具有靈敏度高、干擾性強(qiáng)、信息傳輸可靠、功耗低、成本低等特點(diǎn)，電路圖如圖3所示。

圖3 紅外遙控模塊電路

2.3 藍(lán)牙模塊

圖4 藍(lán)牙模塊電路

由片內(nèi)數(shù)字無線處理器DRP、數(shù)控振蕩器、片內(nèi)射頻收發(fā)開關(guān)、內(nèi)置ARM7嵌入式處理器等硬件集成的HC-06藍(lán)牙4.0模塊，主要用來接收射頻信號(hào)，經(jīng)藍(lán)牙收發(fā)器直接傳輸?shù)交鶐盘?hào)處理器，與PC機(jī)上的RS232通信（圖4）。此藍(lán)牙模塊具有超低待機(jī)功耗，通訊距離為10～20 m，工作電壓范圍在3.6～6.0 V，傳輸速度為3 kb/s，反應(yīng)速度小于0.4 s，具有主從一體的通訊方式等特點(diǎn)。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.4 紅外避障模塊

紅外避障模塊主要用來檢測(cè)前進(jìn)方向是否存在障礙物，根據(jù)紅外傳感器反射回來的信號(hào)，控制小車的轉(zhuǎn)向，從而準(zhǔn)確的避開障礙物。該模塊檢測(cè)距離為2～30 cm，檢測(cè)角度為35°，工作電壓范圍為3.3～5.0 V，具有距離可調(diào)節(jié)、干擾小、便于安裝、應(yīng)用廣泛、使用方便等特點(diǎn)，紅外避障傳感器工作原理和紅外循跡傳感器的工作原理基本相同。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N芯片構(gòu)成的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電路圖如圖5所示，主要包括4個(gè)三極管和1個(gè)電機(jī)，4個(gè)三極管組成H橋的垂直線，而電機(jī)是H橋的橫線，根據(jù)三極管的導(dǎo)通狀態(tài)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，同時(shí)保證H橋同側(cè)的三極管不能同時(shí)導(dǎo)通。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 硬件測(cè)試

按照預(yù)先設(shè)計(jì)的畜牧裝備小車模型自動(dòng)控制系統(tǒng)電路原理圖，將硬件電路圖中各元件焊接在一起組成控制板，然后采用萬用表測(cè)試控制板的電路連接狀態(tài)，用萬用表的紅、黑表筆來測(cè)試電路板上每條走線，測(cè)量得到每條線路上的電阻值都非常小，證明線路連接完好無損，沒有斷路現(xiàn)象。

3.2 軟件調(diào)試

在keil軟件中將編寫好的畜牧裝備小車模型控制程序調(diào)試完畢，通過PZ-ISP燒錄軟件將調(diào)試完的程序燒錄至單片機(jī)，利用單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果同理論相一致。

4 小結(jié)

（1）以畜牧裝備小車模型為研究對(duì)象，采用紅外識(shí)別自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由紅外循跡模塊、避障模塊、紅外遙控模塊、藍(lán)牙模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，實(shí)現(xiàn)了畜牧小車模型的自動(dòng)化控制。（2）硬件測(cè)試結(jié)果表明，線路連接完好無損，未出現(xiàn)斷路現(xiàn)象；軟件調(diào)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論分析相一致[4－5]。

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