“GZ-2018084電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作”賽項(xiàng)賽卷9

2018年全國職業(yè)院校技能大賽高職組“GZ-2018084電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制作”賽項(xiàng)賽卷九題目：水果采摘機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)及制作競(jìng)賽任務(wù)按賽題要求，利用所發(fā)的技術(shù)資料、元器件及器材完成水果采摘機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)和裝調(diào)任務(wù)，進(jìn)行CorteX-M3系列STM32F103ZET6(LQFP144)處理器或STC單片機(jī)IAP15W4K61S4(LQFP64S)的軟件設(shè)計(jì)，完成該控制器的設(shè)計(jì)及制作。根據(jù)本賽題及所給光盤中的技術(shù)資料分析水果采摘機(jī)器人控制器的工作原理和功能要求；根據(jù)賽題所給的機(jī)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(xiàng)所提供印刷線路板的焊接任務(wù)；利用賽項(xiàng)提供的機(jī)器人控制器機(jī)箱及套件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整機(jī)安裝，包括開關(guān)、電源、電路板、插座的安裝及機(jī)箱內(nèi)走線的規(guī)劃；完成機(jī)器人控制器的功能調(diào)試，使其達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)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(jī)器人達(dá)到規(guī)定的功能要求。競(jìng)賽時(shí)間競(jìng)賽時(shí)間為8小時(shí)(9:00-17:00)。功能要求與技術(shù)指標(biāo)原理說明水果采摘機(jī)器人為三自由度機(jī)器人，可以對(duì)攝像頭的圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)成熟水果的自動(dòng)采摘，其機(jī)構(gòu)如圖1所示。圖1水果采摘機(jī)器人水果采摘機(jī)器人由三個(gè)直線導(dǎo)軌分別控制采摘機(jī)械手的左右、上下和前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬果樹上成熟水果的自動(dòng)采摘。左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為帶編碼器的直流減速電機(jī)，并安裝電容式位移傳感器，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開關(guān);上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為帶編碼器的直流減速電機(jī)，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開關(guān);前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)為直流減速電機(jī)，在導(dǎo)軌的兩端安裝防撞的行程開關(guān);采摘機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)為舵機(jī)；在機(jī)械手夾持板的一邊內(nèi)側(cè)安裝力傳感器，可以檢測(cè)夾持水果的力度，在機(jī)械手的下方安裝攝像頭，用于識(shí)別成熟紅色水果，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采摘。水果采摘機(jī)器人還配有搖桿電位器控制板，與控制器有線連接，可手動(dòng)控制采摘機(jī)器人的工作。功能實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)器人要求能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬果樹上成熟水果的手動(dòng)控制采摘或自動(dòng)控制采摘。水果采摘機(jī)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(cè)量電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電源電路等部分組成。參賽隊(duì)需完成水果采摘機(jī)器人控制器的印刷線路板繪制，線路板的焊接與調(diào)試，控制器的安裝與調(diào)試，控制器指定功能的軟件編程與調(diào)試等多項(xiàng)競(jìng)賽任務(wù)。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(jī)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(jī)接口電路單元、傳感器測(cè)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(jié)構(gòu)也有若干種選擇。根據(jù)不同的組合組成9號(hào)賽卷的線路板繪制抽取方案，由裁判長指定相關(guān)人員在比賽前三天內(nèi)按該方案隨機(jī)抽取各單元電路和外形結(jié)構(gòu)，組成完整的控制器原理圖和外形結(jié)構(gòu)。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(duì)所繪制的水果采摘機(jī)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(diào)試微處理器核心板（DCP-401或DCP-301），功率運(yùn)放輸出電路板（DCP-216）和多功能萬用板（DCP-226）為散件，需參賽隊(duì)自己焊接和調(diào)試。水果采摘機(jī)器人控制器的安裝與調(diào)試水果采摘機(jī)器人控制器的裝調(diào)工作要求在如圖2所示的機(jī)箱中完成。安裝套件包括機(jī)箱、開關(guān)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(jī)）、人機(jī)接口電路板、傳感器測(cè)量電路板、A/D轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的位置測(cè)量采用電容式位移傳感器測(cè)量，不采用直流減速電機(jī)上的編碼器測(cè)量。圖2水果采摘機(jī)器人控制器機(jī)箱圖水果采摘機(jī)器人控制器的具體線路板構(gòu)成如下：1)DCP-401或DCP301微處理器核心板；2)DCP-202數(shù)碼管顯示和鍵盤電路板；3)DCP-206ADS7950串行A/D轉(zhuǎn)換電路板；4)DCP-216功率運(yùn)放輸出電路板；5)DCP-218功率H橋PWM輸出電路板；6)DCP-226多功能萬用板。參賽隊(duì)需自行完成水果采摘機(jī)器人控制器機(jī)箱內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝調(diào)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(jī)器人控制器裝調(diào)”文件夾中。水果采摘機(jī)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(guān)。前面板的布置如圖3所示：圖3水果采摘機(jī)器人控制器前面板圖水果采摘機(jī)器人控制器的后面板的布置如圖4所示，安裝有三個(gè)接線插座和帶保險(xiǎn)絲的電源插座。其中端口1連接左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、電容式位圖4水果采摘機(jī)器人控制器后面板圖移傳感器的信號(hào)，端口2連接上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)及編碼器、前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌電機(jī)的信號(hào)，端口3連接機(jī)械手舵機(jī)、攝像頭和力傳感器的信號(hào)?？刂破髡麢C(jī)的安裝工藝評(píng)分和印刷線路板的焊接工藝評(píng)分將在比賽結(jié)束、整機(jī)功能測(cè)試后集中進(jìn)行，比賽過程中不對(duì)印刷線路板的焊接工藝單獨(dú)評(píng)分。3.2.4水果采摘機(jī)器人的功能要求水果采摘機(jī)器人控制器前面板的按鍵功能定義如圖5所示:QQQQQQQ(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(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)器人的參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)模式采摘和自動(dòng)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“99999999”八個(gè)相同的數(shù)字，并以1秒的速率每位數(shù)字同步減1，至0后回9。三角形區(qū)域設(shè)定：按鍵設(shè)定采摘時(shí)采摘機(jī)械手采摘的區(qū)域。區(qū)域設(shè)定為三角形，三角形的三個(gè)頂點(diǎn)可通過按鍵設(shè)定，在模擬果樹的平面上繪有坐標(biāo)刻度，坐標(biāo)值的單位為mm。自動(dòng)采摘時(shí)只采摘區(qū)域內(nèi)的成熟水果。設(shè)定過程如下：S01J□□□□x□□□□JS02J□□□□x□□□□JS03J□□□□x□□□□;S01為三角形第1頂點(diǎn)坐標(biāo)，按E鍵確定。;輸入第1頂點(diǎn)坐標(biāo)值，按E鍵或S02確定。;S02為三角形第2頂點(diǎn)坐標(biāo)，按E鍵確定。;輸入第2頂點(diǎn)坐標(biāo)值，按E鍵或S03確定。;S03為三角形第3頂點(diǎn)坐標(biāo)，按E鍵確定。;輸入第3頂點(diǎn)坐標(biāo)值，按E鍵確定。位置控制功能：針對(duì)左右運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌進(jìn)行位置控制。通過前面板的按鍵在前4位數(shù)碼管上設(shè)置目標(biāo)位置，按口鍵后機(jī)械手向目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，到達(dá)目標(biāo)后停止，在后4位數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)顯示機(jī)械手實(shí)際所在位置。設(shè)定過程如下：S04J;S04為位置控制功能選擇，按E鍵確定?！酢酢酢鮴□□□□；前4位輸入目標(biāo)位置，后4位顯示實(shí)際位置，

按D鍵后開始位置跟蹤。自動(dòng)采摘模式：按下D鍵后開始自動(dòng)采摘，采摘區(qū)域?yàn)閰?shù)設(shè)定所界定的區(qū)域。控制器需讀取攝像頭的圖像結(jié)果，找出水果的具體位置實(shí)施采摘。要求在采摘過程中數(shù)碼管交替顯示機(jī)械手的位置坐標(biāo)值、力傳感器上的輸出電壓和累計(jì)采摘數(shù)量。當(dāng)機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中，數(shù)碼管顯示坐標(biāo)值；當(dāng)機(jī)械手夾持有水果時(shí)，數(shù)碼管顯示力傳感器的輸出電壓；當(dāng)水果釋放后3秒內(nèi)顯示累計(jì)采摘數(shù)量。自動(dòng)采摘結(jié)果查詢：自動(dòng)采摘完畢后，可以對(duì)采摘結(jié)果進(jìn)行查詢，查詢過程如下：F00 ；F00為采摘數(shù)量，按E鍵確定。J□□□□ ;采摘數(shù)量顯示，按E鍵或F01。JF01 ;F01為第一個(gè)水果坐標(biāo)，按E鍵確定。J□□□□x□□□□JF02J□□□□x□□□□;第一個(gè)水果坐標(biāo)值，按E鍵確定。;F02為第二個(gè)水果坐標(biāo)，按E鍵確定。;第二個(gè)水果坐標(biāo)值，按E鍵確定。J◎在自動(dòng)采摘時(shí)，若機(jī)械手的夾持力過大，會(huì)觸發(fā)機(jī)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(shí)現(xiàn)本賽題包含印刷線路板設(shè)計(jì)、印刷線路板焊接和調(diào)試、水果采摘機(jī)器人控制器的裝調(diào)、控制器軟件的編寫幾方面內(nèi)容，參賽隊(duì)在設(shè)計(jì)及制作時(shí)可分步完成以上各項(xiàng)內(nèi)容。在參賽隊(duì)自己焊接的微處理器核心板DCP-401或DCP301不能正常工作時(shí)，可以采用訓(xùn)練板DCP-401或DCP-301代替，DCP-216功率運(yùn)放輸出電路板不能正常工作時(shí)可以采用訓(xùn)練板DCP-216電路板代替，但會(huì)影響參賽隊(duì)的得分。技術(shù)文件要求各隊(duì)完成的全部文件存放在“2018QG××”（×義為2位數(shù)字，即競(jìng)賽隊(duì)工位號(hào)）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(hào)），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(xué)校名稱、參賽選手姓名、工位號(hào)等信息；電子文件名稱如不符合命名規(guī)則，體現(xiàn)參賽隊(duì)信息的，該隊(duì)該項(xiàng)競(jìng)賽成績(jī)將被取消。提交的技術(shù)文件參賽隊(duì)提交的電子文件均采用光盤刻錄后提交，技術(shù)文件包括：1、電子設(shè)計(jì)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(jī)器人任務(wù)與功能驗(yàn)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(shù)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(shí)間為比賽結(jié)束時(shí)(17:00)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)評(píng)分項(xiàng)目知