基于MCU秸稈還田自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

耿悅桐，王若鳴

(長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

目前大部分土地已經(jīng)可以進(jìn)行現(xiàn)代化耕作，但仍有許多個(gè)體農(nóng)戶(hù)的土地并不平整，農(nóng)作物收獲完之后土地里剩下的秸稈難以處理，不僅在人下地時(shí)可能刮傷人的腳，而且由于難以降解，也讓下一季的播種變得困難[1]。我們?cè)O(shè)計(jì)的秸稈還田自動(dòng)控制系統(tǒng)可以將秸稈從地下連根鏟起，并投入后面的粉碎機(jī)中，進(jìn)行粉碎后拋散在田地里?？梢赃_(dá)到有效利用秸稈資源以及解決農(nóng)民焚燒秸稈造成的環(huán)境污染以及火災(zāi)隱患，意義重大。我們結(jié)合AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊，STC89C52RC單片機(jī)，設(shè)計(jì)了此基于MCU秸稈還田自動(dòng)控制系統(tǒng)的秸稈還田機(jī)器。基于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本設(shè)備最初使用液壓裝置來(lái)控制犁架升降，但由于液壓反應(yīng)速度太慢，所以放棄此方案，選用扭矩大的直流推桿電機(jī)來(lái)做[2]。電機(jī)本身的優(yōu)越性決定了其響應(yīng)速度足夠快，可以跟上農(nóng)機(jī)前進(jìn)的速度，使犁架的高度變化足夠及時(shí)。超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)測(cè)距原理相似。利用超聲波發(fā)射器向地面發(fā)射超聲波,與此同時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中傳播,其接收器一旦接收到遇到障礙返回來(lái)的超聲波就會(huì)停止計(jì)時(shí)。我們利用所計(jì)的時(shí)間，結(jié)合超聲波在空氣中的傳播速度340m/s就能計(jì)算出超聲波探頭距離地面的距離[3]。但其用的是HC-SR04超聲波測(cè)距模塊?？紤]到農(nóng)機(jī)工作可能出現(xiàn)的惡劣天氣情況，我們選用了AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊，此模塊具有防水的功能，更大程度地保證農(nóng)機(jī)工作的穩(wěn)定性，并且其兼容普通超聲波測(cè)距模塊HC-SR04。故操作方式與我們熟悉的HC-SR04完全相同。通過(guò)AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊，我們實(shí)現(xiàn)了測(cè)得的距離數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳送。

1 整體設(shè)計(jì)方案

將超聲波測(cè)距探頭安置在農(nóng)機(jī)前方，距離地面40 cm，且與犁架聯(lián)動(dòng)。由于AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊量程為20 cm～800 cm，所以模塊放置的位置不能太低。撥草膠皮安置在農(nóng)機(jī)前下方，以防止雜草干擾。AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊安裝在農(nóng)機(jī)前方，將測(cè)得的距離數(shù)據(jù)傳送給后方接收的MCU，單片機(jī)IO口輸出相應(yīng)高低電平以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制犁架升降。測(cè)得的高度數(shù)據(jù)還會(huì)實(shí)時(shí)顯示在LCD1602上，方便農(nóng)戶(hù)觀察。鏟起來(lái)的秸稈被倒入粉碎機(jī)，粉碎機(jī)將秸稈打碎，拋散在田地中，被打碎的秸稈易于降解，給下一季的農(nóng)作物提供養(yǎng)料，利于下一季的耕種。系統(tǒng)整體框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 高度檢測(cè)裝置

我們將AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊探頭安置在農(nóng)機(jī)的前方距離地面40cm處，便于探測(cè)高度數(shù)據(jù)。AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊比普通超聲波模塊HC-SR04多了防水的功能，但其對(duì)后者完全兼容，便于我們操作。在此情況下，我們選擇了功能更加強(qiáng)大，穩(wěn)定性更加良好的AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊，這樣可以保證農(nóng)戶(hù)在雨天不受天氣影響，繼續(xù)作業(yè)。同時(shí)，我們?cè)谵r(nóng)機(jī)前下方安裝了撥草的膠皮，結(jié)構(gòu)類(lèi)似于船的頭部?？梢栽谔筋^檢測(cè)距離前先將草撥開(kāi)，避免了雜草對(duì)測(cè)量造成的影響。超聲波測(cè)距模塊將測(cè)得的高度數(shù)據(jù)傳給MCU。高度檢測(cè)框圖見(jiàn)圖2。

圖2高度檢測(cè)框圖

2.2 控制裝置

控制裝置由單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、LCD1602顯示屏構(gòu)成。24V農(nóng)機(jī)自帶電源給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)還能給單片機(jī)供5V電。高度檢測(cè)裝置將收到的高度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)判斷高度所在區(qū)間，IO口輸出相應(yīng)的電平以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)將高度值顯示在LCD1602上，方便農(nóng)戶(hù)觀察。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以控制直流推桿電機(jī)的伸縮。控制裝置框圖見(jiàn)圖3。

圖3 控制裝置框圖

2.3 從動(dòng)裝置

此裝置由直流推桿電機(jī)，犁架構(gòu)成。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直流推桿電機(jī)的升降，通過(guò)直流推桿電機(jī)的升降使犁架升降，將秸稈鏟出，倒入粉碎機(jī)中，粉碎機(jī)將秸稈打碎并拋散在大地中，完成作業(yè)任務(wù)。從動(dòng)裝置框圖見(jiàn)圖4。

圖4從動(dòng)裝置框圖

2.4 程序設(shè)計(jì)

本操作系統(tǒng)使用STC89C52RC單片機(jī)，程序主要包含兩部分，一是LCD1602顯示部分，主要將探頭測(cè)得的高度數(shù)據(jù)在LCD1602液晶顯示器上顯示，方便直接觀察；二是高度判斷部分，主要將測(cè)得的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，輸出相應(yīng)的高低電平，以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制電機(jī)。程序設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖5。

圖5 程序框圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行

在農(nóng)機(jī)前進(jìn)時(shí)，膠皮將雜草撥開(kāi)，避免雜草的高度影響測(cè)量的高度值，之后農(nóng)機(jī)前進(jìn)，AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊發(fā)出超聲波，測(cè)量高度，并將測(cè)得的高度值傳給單片機(jī)，單片機(jī)設(shè)置的LCD1602將實(shí)際高度值顯示在屏上，方便農(nóng)戶(hù)觀察，與此同時(shí)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷高度是否高于41 cm，若高，則在單片機(jī)的P1^0口輸出高電平，后在單片機(jī)的P1^1口輸出低電平，使電機(jī)正轉(zhuǎn)。單片機(jī)IO口的高低電平變化可以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制直流推桿電機(jī)，改變犁架的高度，使犁架的對(duì)地高度保持恒定。與此同時(shí)，LCD1602在顯示屏上顯示模塊實(shí)際距地高度，從而達(dá)到操作目的，若高度低于39cm，則在單片機(jī)的P1^0口輸出低電平，后在單片機(jī)的P1^1口輸出高電平，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。若高度在39 cm～41 cm，則兩個(gè)IO口同時(shí)輸出低電平,使電機(jī)剎車(chē)。因犁架與超聲波探頭聯(lián)動(dòng)，故超聲波探頭也可以跟隨犁架及時(shí)改變位置，達(dá)到操作目的。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制PWM端一直給高電平，故無(wú)論電機(jī)正反轉(zhuǎn)，都是全速運(yùn)行的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過(guò)與黑龍江省百耕農(nóng)業(yè)科技有限公司合作，本犁地操作系統(tǒng)在哈爾濱經(jīng)開(kāi)區(qū)哈南工業(yè)新城江南中環(huán)路、南城一路西南側(cè)的農(nóng)田里進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，粉碎長(zhǎng)度合格率>=85%?？刂蒲b置具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。實(shí)驗(yàn)農(nóng)機(jī)機(jī)械裝置見(jiàn)圖7。

圖6 控制裝置具體結(jié)構(gòu) 圖7 實(shí)驗(yàn)農(nóng)機(jī)機(jī)械裝置圖

4 結(jié)論

本犁地系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，易于農(nóng)戶(hù)操作;將傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)與現(xiàn)代化模塊相結(jié)合，AJ-SR04M一體化超聲波測(cè)距模塊，具有防水功能，使得在下雨等惡劣天氣下，仍能正常工作，抗干擾能力強(qiáng);經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期效果，本技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)田中，方便農(nóng)戶(hù)耕作。不僅如此，與本文相關(guān)的專(zhuān)利《一種智能控制秸稈還田犁》(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枺?01911097596.0)已于2020年2月8日公布。相信不久之后，就會(huì)投入生產(chǎn)，真正為農(nóng)戶(hù)的耕種作業(yè)奉獻(xiàn)一份綿薄之力。