基于NEC單片機田間超聲波測距的應用

游兆延， 胡志超 ， 吳 努 ， 吳惠昌， 彭寶良， 謝煥雄

（1．農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所 江蘇 南京 210014；2.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019）

在田間旋耕、收獲、播種時，經常需要控制機具的作業(yè)深度，現(xiàn)有農業(yè)機械設備多無機具作業(yè)深度監(jiān)測設備，既費力又影響田間耕作效果[1]。我國在農業(yè)機械裝備處于起步階段，以東方紅X-804拖拉機為研究對象，開發(fā)了電控液壓轉向系統(tǒng)和作業(yè)機具升降控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了拖拉機自動轉向操縱控制和作業(yè)機具自動升降控制[2]，但整套設備價格昂貴，推廣尚需時日。本文提出了基于NEC單片機的田間超聲波測距方法，設計了一種地面仿形裝置，利用超聲波測距傳感器和NEC單片機，將機具作業(yè)深度通過液晶屏顯示出來。該方法在降低駕駛員勞動強度的同時提高勞動效率，具有實際應用價值。

1 超聲波傳感器發(fā)射地面試驗

由超聲波傳播理論可知，聲波在傳播過程中如果遇到直徑小于超聲波半個波長的障礙時，其聲波會繞過障礙物而繼續(xù)傳播，即產生繞射現(xiàn)象，選取花盆上方同一水平面3行3列的9點測量。如圖1所示，用超聲波測量距書桌高度，圖2為利用超聲波傳感器模擬測量地面的一組數(shù)據，在其傳播路徑中放有花盤時，超聲波未發(fā)生繞射，原因是由于收獲植物莖葉直徑較大時，發(fā)射的超聲波還未到達地面就發(fā)生了反射，影響測量結果。為解決此問題設計了一種非剛性接觸地面仿形裝置。

2 非剛性接觸仿形裝置設計

2.1 結構原理

圖1 超聲波傳感器模擬測量地面試驗Fig.1 Simulation test of ultrasonic sensor measuring ground

圖2 超聲波測距實驗結果Fig.2 Test results of ultrasonic distance measuring

仿形裝置由地輪，導向管a，導向管b，焊接板，壓簧，長螺桿，測量基準板等組成。壓簧嵌套在長螺桿上，并始終運動于兩導向管之間，導向管b隨著地面的起伏在導向管a內上下滑動，活動距離為335 cm，導向管a和導向管b之間連接有六角頭螺栓，限制了導向管b繞長螺桿軸線方向轉動的的自由度，更好的起到了導向作用。超聲波傳感器安裝在超聲波測量基準板上方，測量超聲波傳感器距離測量基準板的距離可以得到機具作業(yè)深度的變化。

圖3 非剛性接觸地面仿形裝置Fig.3 Nonrigid ground-contact copying mechanism

2.2 地輪滾動模型動力分析

根據車輪在平坦地面的運動、受力和只滾不滑的條件[3]可以列出以下方程：

圖4 地輪滾動受力分析Fig.4 Tension analysis of rolling ground wheel

3 電子控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)硬件

超聲波測距系統(tǒng)主要由硬件和軟件2部分組成。硬件部分主要由超聲波傳感器、DC-DC電源模塊、NEC單片機、LCD顯示器等組成[4]，以實現(xiàn)數(shù)據采集、存儲、分析和顯示等功能，其系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框圖Fig.5 Diagram of hardware system

3.1.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器安裝在測量基準板上方，選用的是恒瑞天創(chuàng)公司的HR/JCS1501型測距元件，其供電電壓為12 V/24 V，檢測距離為精度為0.5%，輸出方式為模擬信號：4~20 mA/0~5 V，聲束角為10-15°，工作溫度為-10-70℃。

3.1.2 DC-DC電源模塊

在田間，單片機的工作環(huán)境比較復雜，干擾多，電源起伏變化，同時為了適應不同牽引拖拉機的電源輸出，選用致遠公司生產的ZY2405UHBD－6W隔離DC－DC電源模塊，為長寬壓型，電壓輸入范圍9～36 V，1 k V隔離單電源輸出，對單片機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到決定性的作用[5]。

3.1.3 主控制器

主控制器采用NEC公司的 78K0/LF3系列8位單片微處理器μPD78F0483，內置高精度的環(huán)行震蕩器，在-40-85°的時候精度可達到0.1% ，最多可以使用 62個I/O端口[6]，芯片內部集成 32 KB FLASH存儲器、1KB內部高速 RAM[7]，芯片資源滿足設計需求。

3.1.4 LCD顯示與狀態(tài)指示

顯示采用LCD顯示屏，顯示設置菜單、運行實時參數(shù)和報警異常等信息。操作人員可以根據LCD顯示器、蜂鳴器和LED狀態(tài)指示等聲音和光的形式，隨時調整機具作業(yè)深度。電路原理圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)軟件

NEC單片機有專用代碼生成工具Applilet，是一種非常方便的軟件開發(fā)工具，用戶可以根據實際要求靈活的生成相應的驅動代碼，在Applilet中設置所需要的外圍設備功能，輸出需要的C語言代碼，根據需要對代碼進行修改，由NEC專用軟件開發(fā)設計的集成環(huán)境平臺PM+建立目標源文件，最后將程序經燒寫器燒入到單片機中去，實現(xiàn)控制任務。圖7為Applilet生成的部分代碼。

圖6 主電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of main circuit

4 結 論

1）選用的NEC單片機內置上電復位清零電路，低電壓偵測電路和獨立源看門狗電路，不需要任何外圍元件。功耗低，抗干擾能力強，支持自編程，62個I/O能夠為滿足今后研制智能化收獲裝備提供開發(fā)平臺。

2）本文設計了一種基于超聲波測距原理的自動限深裝置，該裝置能夠適用于田間復雜的作業(yè)環(huán)境，自動化程度高，可以有效提高挖掘效果，此套裝置可安裝于整地機械、各類土下果實的收獲機械中，具有廣泛的適應性。

圖7 Applilet生成的部分代碼Fig.7 Part of the code generated by Applilet

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[6]NEC Electronics Corporation.78K0/LF3-8-BitSingle-Chip Microcontrollers User’s Manual[R].2007.

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