基于單片機(jī)的循跡噴藥小車設(shè)計(jì)

金彥 胡威 劉陽 陳春玲

摘要：為減少農(nóng)藥對(duì)人體的危害，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的循跡噴藥小車，代替人工在溫室大棚進(jìn)行藥物噴灑。采用單片機(jī)作為核心控制芯片，精心設(shè)計(jì)小車檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和噴灑等外圍電路，利用C語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)小車智能循跡和自動(dòng)噴灑功能。

關(guān)鍵詞：智能小車；單片機(jī)；循跡；噴藥

中圖分類號(hào)：S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）05-0025-02

隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，智能小車越來越受到人們關(guān)注。近年來，我國智能小車技術(shù)快速發(fā)展，但在應(yīng)用方面還有所欠缺，具體表現(xiàn)為在溫室大棚進(jìn)行藥物噴灑工作時(shí)，存在農(nóng)藥危害人體健康的情況。基于此背景，通過采用51單片機(jī)控制小車各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)小車的循跡與噴藥功能，提高智能小車的實(shí)用性，減少對(duì)操作人員造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 電源模塊

根據(jù)單片機(jī)與大電流元器件分開供電，避免大電流器件對(duì)單片機(jī)造成干擾的原則，采用7.4 V可充電鋰電池組為單片機(jī)、小車電機(jī)供電，并采用12 V可充電航模電池單獨(dú)給工作電壓為12 V的水泵供電。選擇電池時(shí)，主要考慮電池自身容量及其能否進(jìn)行充電，目的是減少試驗(yàn)成本。

1.2 控制模塊

控制模塊采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器。該單片機(jī)內(nèi)部資源十分豐富并且功能強(qiáng)大，其內(nèi)部從硬件到軟件有一套完整的操作系統(tǒng)及8個(gè)中斷源、3個(gè)定時(shí)器、32個(gè)IO口。同時(shí)，該單片機(jī)價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單、編程操作難度低，非常適合作小車系統(tǒng)的主控制器。

1.3 循跡模塊

循跡模塊根據(jù)紅外線探測(cè)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。紅外線對(duì)不同顏色的表面具有不同的反射性質(zhì)，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)路面情況分析。小車行駛路線通過黑線與灰色水泥地組合方式來確定。

利用紅外傳感器TCRT5000發(fā)射管不斷向路面發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線遇到黑線時(shí)，黑線會(huì)吸收紅外線，使接收管接收不到紅外線；當(dāng)紅外線遇到灰色地面時(shí)，會(huì)發(fā)生發(fā)射，使接收管接收到紅外線。根據(jù)此原理，紅外傳感器將檢測(cè)到的路面情況以高低電平的形式發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過控制車輪的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)小車循跡。為提高小車循跡的精確性，將4個(gè)紅外傳感器分別安裝在小車車頭和車尾（車頭2個(gè)，車尾2個(gè)）。

1.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

由于直流電機(jī)具有動(dòng)力強(qiáng)、反應(yīng)快、體積小、重量輕的特點(diǎn)，因此小車電機(jī)選用直流電機(jī)。擬設(shè)計(jì)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向相結(jié)合的小車，小車車速控制根據(jù)PWM調(diào)速原理設(shè)計(jì)，通過改變單片機(jī)中的高低電平占空比來實(shí)現(xiàn)小車車速控制；小車轉(zhuǎn)向功能則是通過單片機(jī)控制小車車輪的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。

1.5 噴灑模塊

噴灑模塊主要通過單片機(jī)控制水泵實(shí)現(xiàn)噴灑功能。由于單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力不足，無法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)這樣的大電流外部元器件，因此使用L298N驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵控制。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以發(fā)揮噴灑農(nóng)藥的作用。

1.6 軟件程序

設(shè)計(jì)軟件部分時(shí)，先畫出各功能實(shí)現(xiàn)的流程圖，再根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的程序。采用C語言編寫主程序、定時(shí)程序、循跡程序、噴灑程序。將整個(gè)程序分割成多個(gè)程序塊，降低編寫程序難度，且可使程序具有可移植性。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

當(dāng)小車按照指定路線行駛時(shí)，如果小車其中一側(cè)的傳感器檢測(cè)到黑線，小車會(huì)立刻調(diào)整行進(jìn)方向，直到所有傳感器不再檢測(cè)到黑線，然后沿著指定路線繼續(xù)行駛。在小車行駛過程中，噴灑模塊會(huì)向一側(cè)的農(nóng)作物噴灑藥物（小車運(yùn)動(dòng)時(shí)，噴灑模塊工作；小車停止時(shí)，噴灑模塊停止工作）。當(dāng)小車車頭或車尾的2個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線時(shí)，小車會(huì)立刻停止運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行短暫計(jì)時(shí)，向反方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)重復(fù)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行藥物噴灑。試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)物小車可以完成所有要求并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的所有功能。循跡噴藥小車實(shí)物圖如圖1所示，電路如圖2所示。

3 結(jié)論

在實(shí)踐過程中，采用單片機(jī)作為核心控制芯片，精心設(shè)計(jì)小車檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和噴灑等外圍電路，利用C語言編寫程序，從而實(shí)現(xiàn)小車智能循跡和自動(dòng)噴灑功能。靈活應(yīng)用微機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，結(jié)合電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。試驗(yàn)結(jié)果表明，循跡噴藥小車可以代替人工在危險(xiǎn)環(huán)境中工作，準(zhǔn)確完成農(nóng)作物藥物噴灑任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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Abstract： In order to reduce the harm of pesticides to body， a tracking spraying bogie based on single chip Microcomputer was designed to take the place of manual spraying in greenhouse. With the single chip Microcomputer as its core control chip， peripheral circuit of bogie detection， drive and spraying was well designed， and C language programming was used to realize bogies function of intelligent tracking and auto spraying .

Key words： intelligent bogie； single chip microcomputer； tracking； spraying