“GZ-2018084電子產品設計及制作”賽項賽卷8

2018年全國職業(yè)院校技能大賽高職組GZ-2018084電子產品設計及制作”賽項賽卷八題目：水果采摘機器人控制器設計及制作1競賽任務按賽題要求，利用所發(fā)的技術資料、元器件及器材完成水果采摘機器人控制器的設計和裝調任務，進行CorteX-M3系列STM32F103ZET6(LQFP144)處理器或STC單片機IAP15W4K61S4(LQFP64S)的軟件設計，完成該控制器的設計及制作。根據(jù)本賽題及所給光盤中的技術資料分析水果采摘機器人控制器的工作原理和功能要求；根據(jù)賽題所給的機器人控制器原理圖和印刷線路板約束條件，利用AltiumDesigner軟件繪制印刷線路板圖；完成賽項所提供印刷線路板的焊接任務；利用賽項提供的機器人控制器機箱及套件完成結構設計和整機安裝，包括開關、電源、電路板、插座的安裝及機箱內走線的規(guī)劃；完成機器人控制器的功能調試，使其達到規(guī)定的技術指標，實現(xiàn)水果采摘機器人的正常工作；完成STM32F103或IAP15W4K61S4處理器軟件的編寫，使水果采摘機器人達到規(guī)定的功能要求。競賽時間競賽時間為8小時(9:00-17:00)。功能要求與技術指標原理說明水果采摘機器人為三自由度機器人，可以對攝像頭的圖像識別，實現(xiàn)對成熟水果的自動采摘，其機構如圖1所示。圖1水果采摘機器人水果采摘機器人由三個直線導軌分別控制采摘機械手的左右、上下和前后運動，實現(xiàn)對模擬果樹上成熟水果的自動采摘。左右運動導軌的驅動為帶編碼器的直流減速電機，并安裝電容式位移傳感器，在導軌的兩端安裝防撞的行程開關;上下運動導軌的驅動為帶編碼器的直流減速電機，在導軌的兩端安裝防撞的行程開關;前后運動導軌的驅動為直流減速電機，在導軌的兩端安裝防撞的行程開關;采摘機械手的驅動為舵機；在機械手夾持板的一邊內側安裝力傳感器，可以檢測夾持水果的力度，在機械手的下方安裝攝像頭，用于識別成熟紅色水果，實現(xiàn)自動采摘。水果采摘機器人還配有搖桿電位器控制板，與控制器有線連接，可手動控制采摘機器人的工作。功能實現(xiàn)水果采摘機器人要求能實現(xiàn)對模擬果樹上成熟水果的手動控制采摘或自動控制采摘。水果采摘機器人控制器由微處理器（STM32或51）電路，顯示與鍵盤電路，傳感器測量電路，A/D轉換電路，電機驅動電路和電源電路等部分組成。參賽隊需完成水果采摘機器人控制器的印刷線路板繪制，線路板的焊接與調試，控制器的安裝與調試，控制器指定功能的軟件編程與調試等多項競賽任務。3.2.1印刷線路板的繪制根據(jù)賽題所指定的水果采摘機器人控制器原理圖和印刷線路板約束條件，利用AItiUmDesigner軟件繪制該控制器的印刷線路板圖?？刂破髟韴D由CPU電路單元、人機接口電路單元、傳感器測量電路單元、A/D電路單元、功率輸出電路單元、電源電路單元等幾部分組成，每一單元電路都有若干種選擇，印刷線路板的外形結構也有若干種選擇。根據(jù)不同的組合組成8號賽卷的線路板繪制抽取方案，由裁判長指定相關人員在比賽前三天內按該方案隨機抽取各單元電路和外形結構，組成完整的控制器原理圖和外形結構。線路板約束規(guī)則要求：雙層印刷線路板，最小間距10mil（集成電路引腳間距不受此約束），最小線寬10mil，過孔最小孔徑15mil，過孔最小直徑30mil，敷銅最小間距10mil。參賽隊所繪制的水果采摘機器人控制器原理圖和印刷線路板圖電子稿采用光盤刻錄的形式上交。印刷線路板焊接與調試微處理器核心板（DCP-401或DCP-301），ADS1118串行A/D轉換電路板（DCP-208）和多功能萬用板（DCP-226）為散件，需參賽隊自己焊接和調試。水果采摘機器人控制器的安裝與調試水果采摘機器人控制器的裝調工作要求在如圖2所示的機箱中完成。安裝套件包括機箱、開關電源、前面板、后面板、安裝底板、微處理器核心板（STM32或51單片機）、人機接口電路板、傳感器測量電路板、A/D轉換電路板、功率輸出電路板以及必要的電氣附件。其中左右運動導軌的位置測量采用直流減速電機上的編碼器測量，不采用電容式位移傳感器測量。**覃重料事人k*?iiSi:i?π!ii?H∏∏YSHSH圖2水果采摘機器人控制器機箱圖水果采摘機器人控制器的具體線路板構成如下：1)DCP-401或DCP301微處理器核心板；DCP-202數(shù)碼管顯示和鍵盤電路板；DCP-208ADS1118串行A/D轉換電路板;DCP-216功率運放輸出電路板；DCP-218功率H橋PWM輸出電路板；DCP-226多功能萬用板。參賽隊需自行完成水果采摘機器人控制器機箱內的結構設計和裝調工作。以上線路板的原理圖、印刷線路板元件布置圖、元件清單均在電子文件“水果采摘機器人控制器裝調”文件夾中。水果采摘機器人控制器的前面板安裝微處理器核心板DCP-202數(shù)碼管顯示和鍵盤電路板、搖桿電位器接口和電源開關。前面板的布置如圖3所示：S-S-S-S-押畀■檢，便日圖3水果采摘機器人控制器前面板圖水果采摘機器人控制器的后面板的布置如圖4所示，安裝有三個接線插座和0水果采摘機第人控制重B均科管導SS.3示］B.帶保險絲的電源插座。其中端口1連接左右運動導軌電機及編碼器、電容式位圖4水果采摘機器人控制器后面板圖移傳感器的信號，端口2連接上下運動導軌電機及編碼器、前后運動導軌電機的信號，端口3連接機械手舵機、攝像頭和力傳感器的信號。控制器整機的安裝工藝評分和印刷線路板的焊接工藝評分將在比賽結束、整機功能測試后集中進行，比賽過程中不對印刷線路板的焊接工藝單獨評分。水果采摘機器人的功能要求水果采摘機器人控制器前面板的按鍵功能定義如圖5所示:QQQQ

QQQ(Z)ΞOCBBQQQB圖5控制器按鍵定義圖通過控制器前面板的數(shù)碼管顯示和按鍵，可以實現(xiàn)水果采摘機器人的參數(shù)設定、手動模式采摘和自動模式采摘。要求系統(tǒng)通電后核心板上蜂鳴器鳴叫1秒，數(shù)碼管顯示“11111111”八個相同的數(shù)字，并以1秒的速率每位數(shù)字同步增1，至9后回0。圓形區(qū)域設定：按鍵設定采摘時采摘機械手查詢和采摘的區(qū)域。區(qū)域設定為圓形，圓心坐標和查詢圓半徑可通過按鍵設定，在模擬果樹的平面上繪有坐標刻度，坐標值的單位為mm。自動采摘時只采摘區(qū)域內的成熟水果。設定過程如下：S01J□□□□x□□□□JS02J□□□□;S01為圓心坐標，按E鍵確定。；輸入圓心坐標值，按E鍵或S02確定。；S02為圓的半徑，按E鍵確定。;輸入圓的半徑值，按E鍵確定。手動水果定位功能：由搖桿電位器控制板控制，兩個電位器控制機械手的左右運動和上下運動，當機械手對準成熟的水果時，按下控制板上的按鍵，該水果位置在數(shù)碼管上以□□□□x□□□□的形式顯示，并存儲到內存中，最多可存儲6個水果的位置，在模擬果樹的平面上繪有坐標刻度，坐標值的單位為mm。自動水果定位功能：用按鍵輸入S03,然后按下D鍵，啟動自動水果定位功能。由安裝在機械手上的攝像頭對整個模擬果樹進行掃描，根據(jù)攝像頭的圖像結果定位成熟水果的坐標值。當查詢到水果時，該水果位置在數(shù)碼管上以□□□□x□□□□的形式顯示，并存儲到內存中，最多可存儲10個水果的位置。水果位置查詢：針對手動和自動水果定位的結果，控制器保留最后一組定位的結果，可以逐個顯示定位到的水果坐標。查詢過程如下：F01J□□□□x□□□□JF02J□□□□x□□□□JF03J□□□□x□□□□；F01為第1個水果位置查詢，按E鍵確定。;顯示第1個水果位置，按E鍵或S12確定。;F02為第2個水果位置查詢，按E鍵確定。;顯示第2個水果位置，按E鍵或S13確定;F03為第3個水果位置查詢，按E鍵確定。;顯示第2個水果位置，按E鍵或S13確定J自動采摘模式：按下D鍵后開始自動采摘，采摘區(qū)域為參數(shù)設定所界定的區(qū)域內?？刂破鞲鶕?jù)水果位置查詢所得到的水果位置坐標值，以最短的路徑采摘完圓形區(qū)域內的水果。要求在采摘過程中前4個數(shù)碼管動態(tài)顯示采摘時間，完成后顯示總用時時間；在后4個數(shù)碼管顯示力傳感器的輸出電壓，完成后顯示總采摘水果個數(shù)。在手動和自動采摘時，若機械手的夾持力過大，會觸發(fā)機械手下方線路板上蜂鳴器，提示采摘水果破損，判定為采摘失敗。3.3功能的分步實現(xiàn)本賽題包含印刷線路板設計、印刷線路板焊接和調試、水果采摘機器人控制器的裝調、控制器軟件的編寫幾方面內容，參賽隊在設計及制作時可分步完成以上各項內容。在參賽隊自己焊接的微處理器核心板DCP-401或DCP301不能正常工作時，可以采用訓練板DCP-401或DCP-301代替，DCP-208ADS1118串行A/D轉換電路板不能正常工作時可以采用訓練板DCP-208電路板代替，但會影響參賽隊的得分。技術文件要求各隊完成的全部文件存放在“2018QG××”（×義為2位數(shù)字，即競賽隊工位號）文件夾中，提交的電子文件采用統(tǒng)一命名規(guī)則（類型名＋工位號），不得以其它名稱命名電子文件。因保密要求，在電路原理圖和線路板圖文件中不得出現(xiàn)學校名稱、參賽選手姓名、工位號等信息；電子文件名稱如不符合命名規(guī)則，體現(xiàn)參賽隊信息的，該隊該項競賽成績將被取消。提交的技術文件參賽隊提交的電子文件均采用光盤刻錄后提交，技術文件包括：1、電子設計工藝所繪制的印刷線路板原理圖和線路板圖；2、水果采摘機器人任務與功能驗證所編寫的源程序；文件命名要求電子文件列表如下：2018QGXX————電路原理圖××.SchDoc——線路板圖XX.PcbDoc——源程序X×(文件夾)技術文件上交方式原理圖、線路板圖及源程序均需提交電子文檔，采用光盤刻錄，一式貳份上交，上交時間為比賽結束時(17:00)。評分標準