劉琳

摘要：設(shè)計(jì)一種以AT89S51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、小型化、人機(jī)界面友好的超聲波傳感器測深控制系統(tǒng)。介紹農(nóng)機(jī)作業(yè)深度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，闡述系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)，該控制系統(tǒng)可滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)深度自動(dòng)控制要求。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；作業(yè)深度；控制系統(tǒng)；硬件；電路；程序

中圖分類號(hào)：S222.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）12-0029-04

農(nóng)業(yè)機(jī)械化在農(nóng)業(yè)發(fā)展中充分詮釋了“科技就是生產(chǎn)力”的涵義，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是應(yīng)用農(nóng)業(yè)科技的主要載體，推進(jìn)農(nóng)業(yè)增長方式由資源依賴型向科技推動(dòng)型轉(zhuǎn)變。近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了高速穩(wěn)定的發(fā)展，加之國家多種補(bǔ)貼政策的鼓勵(lì)，極大地刺激了我國農(nóng)機(jī)市場，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化發(fā)展。

隨著單片機(jī)控制技術(shù)和傳感器制造技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，非接觸式檢測技術(shù)已在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)的構(gòu)建模式也十分適合農(nóng)機(jī)作業(yè)的深度控制，如用于自動(dòng)控制犁、深松機(jī)的作業(yè)深度，播種機(jī)施肥與播種深度等。一些發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)機(jī)械已廣泛使用該技術(shù)，可根據(jù)不同農(nóng)作物品種及不同作業(yè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)不同作業(yè)的智能控制，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的適宜性、經(jīng)濟(jì)性。本課題提出一種適合農(nóng)田作業(yè)的、低成本的單片機(jī)控制農(nóng)機(jī)作業(yè)深度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 農(nóng)機(jī)作業(yè)深度控制系統(tǒng)及工作原理

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、超聲波模塊（超聲波發(fā)射裝置、超聲波接收與信號(hào)處理裝置）、顯示控制電路、溫度傳感器電路、供電電路和控制系統(tǒng)組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作原理如圖2所示。

機(jī)具工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出40 kHz的方波信號(hào)輸送給超聲波模塊，經(jīng)超聲波模塊內(nèi)發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大，激勵(lì)超聲波發(fā)射器產(chǎn)生超聲波，超聲波通過介質(zhì)（空氣）到達(dá)耕地表面，產(chǎn)生反射波，反射波再經(jīng)介質(zhì)（空氣）傳播返回到超聲波模塊，超聲波模塊內(nèi)接收器將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，送入解碼芯片中，經(jīng)解碼整形后，確認(rèn)收到發(fā)射器的發(fā)射信號(hào)，模塊輸出一個(gè)寬度為2 ms的下降沿脈沖，以此啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為t，再由單片機(jī)根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，采用距離公式求出距離。

式中：S為耕層到超聲波測距裝置的距離；C為超聲波在空氣中傳播速度（常溫下空氣中的聲速約為340 m/s）；ΔT為超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差，s。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)深度控制系統(tǒng)的硬件選擇

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)是指在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路，從而構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)電路由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。

本系統(tǒng)采用一款性價(jià)比較高的單片機(jī)——AT89S51。AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89S51含4 k可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元。

2.2 非接觸式測距傳感器

當(dāng)前應(yīng)用廣泛、典型的非接觸式測距方式主要有CCD探測、雷達(dá)測距、激光測距、超聲波測距，其特點(diǎn)分別如下：1） CCD探測傳感器具有使用方便、無需信號(hào)發(fā)射源、同時(shí)可獲得大量的場景信息等優(yōu)點(diǎn)，但其系統(tǒng)復(fù)雜，易受環(huán)境影響，且造價(jià)較高。2） 雷達(dá)測距傳感器可全天候工作，適合于在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行高精度測距，但其易受電磁波干擾。3） 激光測距傳感器具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對(duì)雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。4） 超聲波測距可以直接測量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大。因此，本系統(tǒng)選用超聲波測距傳感器。

2.3 超聲波發(fā)射裝置，超聲波接收與信號(hào)處理裝置

超聲波的傳播方式為直線傳播，頻率越高，繞射能力越弱，反射能力越強(qiáng)，其在空氣中的傳播速度為340 m/s（20 °C時(shí)）。超聲波具有易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度好控制、對(duì)色彩及光照度不敏感、反射率高等特點(diǎn)。超聲波傳感器電路簡單，性能穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，成本低。

本系統(tǒng)選用集發(fā)射和接受為一體的超聲波模塊CKdz-40-38F（同類型模塊市場上很多，性能也多類似），其內(nèi)部超聲波傳感器諧振頻率為40 kHz。此款超聲波模塊測試距離精確、方便，功耗低，且只占用單片機(jī)的2個(gè)I/O口。其主要技術(shù)參數(shù)為：工作電壓4.5～5.0 V；工作電流30 mA（典型），50 mA（最大）；中心諧振頻率：40±2 kHz；測量范圍（探測距離）0.1～2.0 m；測量精度1 cm。

3 農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)深度控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

1） 本系統(tǒng)電路超聲波信號(hào)由單片機(jī)AT89S51產(chǎn)生。AT89S51單片機(jī)采用12 MHz高精度的晶振，以獲得穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。工作時(shí)，單片機(jī)P1.0端口輸出超聲波測距系統(tǒng)需要的40 kHz的方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)超聲波模塊內(nèi)信號(hào)放大電路放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，經(jīng)耕地反射回來的超聲波被模塊內(nèi)接收器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過超聲波接收與信號(hào)處理電路的檢波放大、積分整形等一系列處理，送至單片機(jī)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回，單片機(jī)自動(dòng)記錄下超聲波發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔，據(jù)此自動(dòng)計(jì)算出測距系統(tǒng)到耕地的距離，并由單片機(jī)控制顯示電路顯示出來，同時(shí)輸出深度是否合格的信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)具作業(yè)深度的調(diào)整。超聲波測距工作脈沖時(shí)序示意圖如圖3所示。

2） 本系統(tǒng)供電采用拖拉機(jī)電瓶經(jīng)降壓和穩(wěn)壓后供給單片機(jī)電路。供電原理圖如圖4所示。

3） 超聲波是一種聲波，其傳播速度與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為傳播速度是基本不變的。本系統(tǒng)追求測距精度較高，所以增設(shè)了溫度傳感器電路對(duì)溫度進(jìn)行檢測，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償。

DS18B20是一種常用的溫度傳感器，具有體積小、系統(tǒng)簡單、連接方便、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、占用口線少等特點(diǎn)。本系統(tǒng)溫度補(bǔ)償電路采用DS18B20溫度傳感器，測量系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度，用于補(bǔ)償工作環(huán)境溫度對(duì)超聲波速度的影響，減少環(huán)境溫度變化對(duì)測試結(jié)果的影響，提高測量精度。溫度補(bǔ)償電路圖如圖5所示，單片機(jī)通過一個(gè)I/O口與DS18B20上拉電阻連接，驅(qū)動(dòng)DS18B20，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

4） 觸摸屏作為一種計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，具有簡單、方便、堅(jiān)固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流的特點(diǎn)；而且，隨著觸摸屏技術(shù)的發(fā)展，其產(chǎn)量急劇增加，價(jià)格越來越便宜。

本系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于控制中耕施肥、深松、旋耕、犁及開溝等農(nóng)田作業(yè)，在作業(yè)過程中需要觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和修改運(yùn)行參數(shù)。采用觸摸屏MT6070iH作為單片機(jī)控制設(shè)備的鍵盤和顯示裝置，不僅可以直觀、生動(dòng)地顯示運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，而且可以通過觸摸屏畫面直接修改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，人機(jī)交互性好。本系統(tǒng)以觸摸屏作主機(jī)（Master），單片機(jī)作從機(jī)（Slaver）。MT6070iH觸摸屏支持Modbus通訊協(xié)議，觸摸屏與單片機(jī)之間采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口直接連接。將AT89S51單片機(jī)的TXD，RXD口設(shè)置為異步串行通信模式，經(jīng)過MAX485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，再與MT6070iH觸摸屏RS-485 2W接口相連，即完成了硬件連接。

5） 控制執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)接收的單片機(jī)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行處理，分別控制機(jī)具液壓系統(tǒng)執(zhí)行不同的動(dòng)作，通過機(jī)具的地輪控制作業(yè)深度。

深度控制系統(tǒng)主程序是單片機(jī)運(yùn)行程序的主體。整個(gè)系統(tǒng)控制的運(yùn)行是依靠單片機(jī)系統(tǒng)軟件的功能來實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)現(xiàn)過程中主程序調(diào)用了各個(gè)子程序及中斷服務(wù)程序。深度控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出的40 kHz脈沖信號(hào)經(jīng)耕層土壤反射后，被接收檢測電路接收，輸出一個(gè)寬度為2 ms的下降沿脈沖，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序。在中斷服務(wù)程序中，要將進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并保存在RAM中，再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后送到P0口顯示輸出。主程序流程如圖7所示。

6 試驗(yàn)與結(jié)論

本系統(tǒng)是以AT89S51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、小型化、人機(jī)界面友好的超聲波傳感器測深控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)思路清晰，方案簡單可行。試驗(yàn)表明，最大控制作業(yè)深度為1.2 m，最小控制作業(yè)深度為0.1 m，控制作業(yè)深度精度為1 cm，能夠較好地滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)深度自動(dòng)控制要求。

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