基于51單片機(jī)的多功能黃瓜蘸花噴藥機(jī)設(shè)計(jì)

王高樂(lè) 韓祥森

摘 ?要：通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)黃瓜種植過(guò)程中黃瓜蘸花以及種植環(huán)境的檢測(cè)，制作了一種多功能黃瓜蘸花噴藥機(jī)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一種新型黃瓜蘸花噴頭，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)噴灑，藥液回收等功能。該系統(tǒng)還搭載了多種環(huán)境檢測(cè)模塊，利用單片機(jī)串口通信將環(huán)境檢測(cè)參數(shù)通過(guò)藍(lán)牙傳送到手機(jī)APP，方便了基層農(nóng)戶及時(shí)了解環(huán)境狀況。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新型噴頭達(dá)到了預(yù)期效果，環(huán)境檢測(cè)方面工作穩(wěn)定，切實(shí)幫助了基層農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)管理。

關(guān)鍵詞：黃瓜蘸花;單片機(jī);環(huán)境檢測(cè);串口通信

中圖分類號(hào)：TP391;S126 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）24-0051-05

Abstract： Through the detection of cucumber flower dipping and planting environment in the process of agricultural cucumber planting， a multifunctional cucumber flower dipping and spraying machine system is made， and a new cucumber flower dipping nozzle is designed， which can realize the functions of automatic detection， automatic spraying， liquid medicine recovery and so on. The system is also equipped with a variety of environmental detection modules. The serial communication of single-chip microcomputer is used to transmit the environmental detection parameters to the mobile phone APP through Bluetooth， which is convenient for grassroots farmers to know the environmental conditions in time. The experiment shows that the new nozzle designed for this system has achieved the expected effect and operation stably in environment detection， which effectively helps the agricultural management of grassroots farmers.

Keywords： cucumber flower dipping; single-chip microcomputer; environmental detection; serial communication

0 ?引 ?言

隨著時(shí)代的發(fā)展，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也越來(lái)越倍受社會(huì)關(guān)注，一款好用的農(nóng)用工具往往能推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。在農(nóng)業(yè)黃瓜種植過(guò)程中存在黃瓜蘸花工作，對(duì)于黃瓜蘸花工作現(xiàn)在市面上沒(méi)有成熟的工具，主要以人工蘸花為主，人工蘸花效率低，過(guò)程復(fù)雜，蘸花藥液易撒濺，容易損害人體皮膚，人員安全性差。人工長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行蘸花工作，蘸花人員的胳膊會(huì)酸痛腫脹，十分艱苦。市面上現(xiàn)存的工具是一種“c”型噴頭，采用噴灑的方式對(duì)黃瓜進(jìn)行蘸花，導(dǎo)致了有將近80%的藥液稀釋在了空氣中，造成了藥液的浪費(fèi)并且會(huì)對(duì)植株葉片和人體皮膚造成損害，“c”型噴頭工具采用機(jī)械按鍵，需要人工用力按壓，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)造成手指酸痛。因此市面上現(xiàn)存的兩種黃瓜蘸花方式存在極大弊端;現(xiàn)階段智慧農(nóng)業(yè)大棚建設(shè)飛速發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)搭載多種環(huán)境傳感設(shè)備，主要對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，方便工作人員進(jìn)行管理，對(duì)大棚建設(shè)要求很高，與此同時(shí)帶來(lái)的便是造價(jià)高昂的建設(shè)費(fèi)用，無(wú)法滿足基層農(nóng)戶對(duì)性價(jià)比的要求，導(dǎo)致了基層農(nóng)戶對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境只能依靠經(jīng)驗(yàn)判斷無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行判斷。所以筆者基于我校山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目提出了基于51單片機(jī)的多功能黃瓜蘸花噴藥機(jī)系統(tǒng)，旨在解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植過(guò)程中的黃瓜蘸花問(wèn)題以及種植環(huán)境的檢測(cè)問(wèn)題，為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款新型黃瓜蘸花噴頭，該噴頭采用3D打印技術(shù)制作而成，采用PLA材料打印而成，具有輕便兼顧，塑性好等特點(diǎn)。該噴頭采用上方開(kāi)口式圓形中空外觀，內(nèi)置三個(gè)噴頭，低端留孔接藥液回收導(dǎo)管;控制系統(tǒng)采用51單片機(jī)，具體芯片型號(hào)為STC12C5A60S2，這款單片機(jī)是開(kāi)源的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其因具有處理速度較快，資料多，操作與編程簡(jiǎn)單，芯片不容易燒壞，外設(shè)豐富等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，故采用該單片機(jī)作為控制核心。采用單片機(jī)控制繼電器模塊從而間接控制水泵工作，繼電器模塊具有價(jià)格低廉，靈敏度高，不易損壞等優(yōu)點(diǎn);蘸花噴頭內(nèi)的紅外檢測(cè)裝置采用E18-D80NK型號(hào)，因?yàn)镋18-D80NK模塊易于裝配使用方便，并且為外殼全包裹式，不易進(jìn)水，防水性好，因此選用E18-D80NK作為噴頭內(nèi)部的檢測(cè)模塊。該系統(tǒng)主要功能是采用新型噴頭進(jìn)行黃瓜蘸花工作和環(huán)境檢測(cè)，為此設(shè)計(jì)出一款搭載多種檢測(cè)模塊的采用芯片控制的噴藥機(jī)。此系統(tǒng)主要由單片機(jī)、新型黃瓜蘸花噴頭、繼電器及噴灑裝置、環(huán)境檢測(cè)裝置、藍(lán)牙模塊、手機(jī)APP等組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)在開(kāi)啟后，首先會(huì)進(jìn)行各類模塊的初始化，然后動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行2秒鐘，目的為排出噴藥導(dǎo)管內(nèi)空氣，為下一步正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備。當(dāng)紅外模塊檢測(cè)到有黃瓜花進(jìn)入時(shí)開(kāi)啟噴灑，當(dāng)黃瓜花拿出時(shí)停止噴灑，浪費(fèi)的藥液會(huì)匯聚在圓球外罩底部，通過(guò)藥液回收導(dǎo)管被水泵重新回收利用。所有環(huán)境檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送到手機(jī)APP供農(nóng)戶進(jìn)行查看，操作簡(jiǎn)單，方便快捷。整體構(gòu)造如圖2所示。

2 ?理論分析與計(jì)算

2.1 ?新型黃瓜蘸花噴頭設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)搭載了一款新型黃瓜蘸花噴頭，該噴頭包括圓球形外罩，三個(gè)內(nèi)嵌式噴頭，收集浪費(fèi)藥液導(dǎo)管和紅外檢測(cè)裝置。圓球形外罩上端開(kāi)口作為黃瓜花進(jìn)入端，圓球形外罩一側(cè)裝有紅外檢測(cè)裝置，進(jìn)行檢測(cè)有無(wú)黃瓜花進(jìn)入，圓球形外罩左右后方分布著噴灑藥液的噴頭，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)黃瓜花的全方位噴灑不留死角;圓球形外罩下端開(kāi)口連接藥液回收導(dǎo)管，藥液回收導(dǎo)管另一端連接藥液回收水泵，浪費(fèi)藥液通過(guò)此導(dǎo)管被回收進(jìn)藥筒進(jìn)行重復(fù)利用;機(jī)身搭載單片機(jī)作為中控系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到有黃瓜花進(jìn)入時(shí)，給單片機(jī)傳入噴灑信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)控制繼電器，從而控制動(dòng)力系統(tǒng)與藥液回收水泵進(jìn)行工作。其中圓球外罩為內(nèi)直徑12 cm薄壁3 mm的空心球，空心球左斜上方45度直徑6 cm圓形開(kāi)口作為黃瓜花進(jìn)入端，預(yù)留三個(gè)直徑為1 cm噴頭孔，和右側(cè)斜上方45度開(kāi)直徑1.5 cm紅外模塊預(yù)留孔。結(jié)構(gòu)如圖3所示

2.2 ?基于紅外線反射的檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)在噴灑藥液時(shí)采用了基于紅外線反射的檢測(cè)技術(shù)，紅外線檢測(cè)裝置是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出。有效地避免了可見(jiàn)光的干擾。紅外線與光在空氣中的傳播速度相同，從而得知紅外線的傳播速度，通過(guò)計(jì)算就可得出檢測(cè)到黃瓜花的所需要的時(shí)間。其計(jì)算公式為：

式中T為紅外線從發(fā)送到接受的時(shí)間也就是檢測(cè)到黃瓜花的時(shí)間，S為紅外線發(fā)射裝置到黃瓜花的距離，由圓球形外罩內(nèi)直徑為12 cm得知，S的范圍為0 cm～12 cm。將S代入公式得T趨于0，因此當(dāng)有黃瓜進(jìn)入圓球外罩并進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的一瞬間系統(tǒng)就能立刻做出反應(yīng)，能夠達(dá)到靈敏高效的效果。

2.3 ?浪費(fèi)藥液自動(dòng)回收技術(shù)

系統(tǒng)在噴灑藥液時(shí)，僅僅需要將黃瓜上噴灑上藥液即可，未噴灑到黃瓜上的藥液會(huì)吸附在圓球外罩內(nèi)壁上，最終形成水滴，最終由于重力原因，匯聚到圓球外罩底部，其重力公式為：

G=mg

由于水滴與內(nèi)表面具有吸附力，當(dāng)匯聚的水滴重力大于吸附力時(shí)就會(huì)沿內(nèi)壁流向圓球外罩底部，在底部接有藥液回收導(dǎo)管如圖4所示，藥液回收導(dǎo)管另一端與水泵相接，將匯聚的藥液重新回收到藥桶進(jìn)行多次利用。

2.4 ?基于藍(lán)牙模塊的串口通信技術(shù)

系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，用戶可以在手機(jī)APP端觀測(cè)周?chē)h(huán)境內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度都會(huì)通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)回傳到手機(jī)端。串口通信是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)?。它很?jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。該系統(tǒng)用的是HC-42藍(lán)牙模塊，具有低功耗、低延時(shí)的特點(diǎn)。符合本系統(tǒng)短距離數(shù)據(jù)傳輸，方便快捷，低延時(shí)，低功耗的需求。

3 ?硬件電路與軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊采用了STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)的運(yùn)算能力強(qiáng)，處理速度較快，用其來(lái)完成重量數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算處理以及計(jì)時(shí)模塊的時(shí)間轉(zhuǎn)換極大程度上提高了系統(tǒng)的靈敏度與準(zhǔn)確性，用其來(lái)完成黃瓜花檢測(cè)，控制繼電器通斷，信息傳輸，環(huán)境數(shù)據(jù)處理，語(yǔ)音提醒、效果監(jiān)測(cè)等功能。依據(jù)實(shí)際需求采用12 V大功率隔膜泵來(lái)實(shí)現(xiàn)藥液的霧化控制和12 V蠕動(dòng)泵作為藥液回收水泵，噴頭與噴桿處采用硅膠管進(jìn)行連接，噴頭采用三個(gè)可調(diào)霧化直噴噴頭代替，采用兩個(gè)1路5 V繼電器作為水泵的間接控制開(kāi)關(guān)，測(cè)溫模塊采用DS18B20，二氧化碳傳感器采用MH-Z19B模塊，在搭建完成基本電路加入了充電過(guò)沖保護(hù)模塊和開(kāi)機(jī)鎖等功能。

新型黃瓜蘸花噴頭采用PLA材料打印，尾端采用1 m不銹鋼導(dǎo)管與手柄進(jìn)行連接，使整個(gè)噴頭重量不超過(guò)400克，使之達(dá)到輕便效果，并在新型噴頭上添加紅外檢測(cè)裝置，檢測(cè)到有黃瓜花進(jìn)入時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)噴灑，當(dāng)檢測(cè)到有黃瓜進(jìn)入時(shí)，紅外檢測(cè)裝置信號(hào)輸出角就會(huì)對(duì)單片機(jī)輸出高電平信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，并且由公式得，紅外檢測(cè)裝置極其靈敏，如圖5為藥液噴灑裝置電路圖

3.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序開(kāi)始后單片機(jī)會(huì)啟動(dòng)系統(tǒng)電源自檢程序、對(duì)環(huán)境檢測(cè)模塊、藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化，最后對(duì)噴灑系統(tǒng)進(jìn)行初始化，啟動(dòng)噴灑系統(tǒng)2秒鐘，排空導(dǎo)管內(nèi)空氣使導(dǎo)管內(nèi)充滿藥液。當(dāng)紅外檢測(cè)裝置檢測(cè)到有黃瓜進(jìn)來(lái)時(shí)給單片機(jī)傳入信號(hào)，單片機(jī)啟動(dòng)噴灑。當(dāng)手機(jī)與藍(lán)牙模塊連接后，就會(huì)自動(dòng)向手機(jī)APP進(jìn)行發(fā)送環(huán)境信息。系統(tǒng)軟件工作流程如圖6所示。

紅外檢測(cè)裝置與水泵藥液噴灑以及藥液回收工作過(guò)程關(guān)鍵代碼為：

if（c3==0）//紅外檢測(cè)

{ms1=1;c2=1;PS_Start（）;}//噴灑中

else{ms1=0;c2=0;PS_Stop（）;}//噴灑停止

if（miao1>=5）//噴灑工作總時(shí)長(zhǎng)

{c1=0;miao1=0;ms2=1;miao2+=30;//水泵工作時(shí)長(zhǎng)

if（miao2==0）CS_Stop（）;//抽水停止

elseCS_Start（）;//抽水中

環(huán)境檢測(cè)中以溫度檢測(cè)為例，關(guān)鍵代碼為：

int Ftemperature（）

{unsigned char low=0，high=0;int temp=0;

init_ds18b20（）;

Write_DS18B20（0xCC）;

Write_DS18B20（0x44）; //啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換

Delay_OneWire（200）;

init_ds18b20（）;

Write_DS18B20（0xCC）;

Write_DS18B20（0xBE）; //讀取寄存器

low = Read_DS18B20（）; //低字節(jié)

high = Read_DS18B20（）; //高字節(jié)

temp=high;temp<<=8;temp|=low;

if（（temp&0xf000）==0x0000）

{temp>>=4;}

temp = temp*10 + （low&0x0f）*0.625;溫度轉(zhuǎn)化

return temp;}

4 ?實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

最終本系統(tǒng)包括硬件與手機(jī)APP，如圖7（a）所示，該系統(tǒng)供電后開(kāi)始運(yùn)行，紅外檢測(cè)裝置會(huì)處于檢測(cè)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有黃瓜進(jìn)入到噴頭內(nèi)時(shí)開(kāi)啟自動(dòng)噴灑，此時(shí)OLED屏幕會(huì)顯示此時(shí)的工作狀態(tài)，當(dāng)噴灑達(dá)到規(guī)定時(shí)間后藥液回收水泵會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，將藥液會(huì)收到藥桶內(nèi)進(jìn)行二次使用。同時(shí)搭載了兩塊太陽(yáng)能板為電池持續(xù)充電，延長(zhǎng)了續(xù)航時(shí)間。同時(shí)手柄處還設(shè)置了應(yīng)急開(kāi)關(guān)，可以隨時(shí)關(guān)閉噴灑系統(tǒng)，各類傳感器如圖7（b）所示。APP頁(yè)面如圖7（c）所示，將環(huán)境檢測(cè)模塊顯示出來(lái)供管理者讀取。

在對(duì)該系統(tǒng)的黃瓜蘸花速度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，選取了三畝黃瓜種植農(nóng)田，分別將三畝農(nóng)田劃分為等面積的三塊農(nóng)田標(biāo)號(hào)為1、2、3號(hào)，采用該系統(tǒng)蘸花與人工蘸花和“c”型噴頭工具蘸花三組蘸花方式進(jìn)行蘸花工作，定義該系統(tǒng)為甲組，人工蘸花為乙組?！癱”型噴頭工具蘸花為丙組，使甲、乙、丙組分別對(duì)1、2、3號(hào)黃瓜農(nóng)田輪流進(jìn)行蘸花作業(yè)，因此每畝農(nóng)田會(huì)被蘸花3次，確保對(duì)植株的安全性，因此使用清水代替蘸花藥液。三組同時(shí)開(kāi)始蘸花，每工作一畝記錄一次時(shí)間，最后得到如表1測(cè)試數(shù)據(jù)：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，甲組（該系統(tǒng)組）從噴灑效率上遙遙領(lǐng)先了人工蘸花組，同時(shí)大幅度提升了藥液使用的效率，對(duì)此噴頭的改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

除此之外，對(duì)于其他模塊的性能也進(jìn)行過(guò)多次測(cè)試，通過(guò)與其他溫度計(jì)和其他測(cè)試器件多次比測(cè)試，測(cè)量的環(huán)境參數(shù)誤差也在允許范圍內(nèi)，對(duì)HC-42藍(lán)牙模塊的靈敏度與在保證傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的情況下，發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)延性也符合要求。測(cè)試表明本系統(tǒng)良好，準(zhǔn)確度較高，靈敏性較強(qiáng)，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

5 ?結(jié) ?論

該系統(tǒng)對(duì)基于51單片機(jī)的多功能黃瓜蘸花噴藥機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，給出了一款攜帶有革新蘸花噴頭于能進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)的多功能蘸花噴藥機(jī)系統(tǒng)，能夠借助噴藥機(jī)電源使噴藥機(jī)在農(nóng)閑時(shí)成為一套大棚內(nèi)的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，方便了基層種植者對(duì)農(nóng)作物的管理，滿足了基層種植者對(duì)環(huán)境檢測(cè)的需要，達(dá)到了智慧農(nóng)業(yè)大棚最基礎(chǔ)的功能。此外，研究設(shè)計(jì)的新型黃瓜蘸花噴頭，通過(guò)在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新，使其在蘸花速率和藥液使用率上大幅度提升，能夠在保證了不浪費(fèi)藥液的情況下，工作效率提升了近三倍，并且減輕了工作勞動(dòng)量，簡(jiǎn)化了工作流程，保障了人員的安全性，同時(shí)對(duì)黃瓜葉片的影響達(dá)到最小。此系統(tǒng)達(dá)到了研究的目的與效果，在一定程度上推動(dòng)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 武宇星，韓祥森.基于Arduino單片機(jī)的智能藥盒系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（7）：29-32+37.

[2] 謝文和.傳感器及其應(yīng)用 [M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 劉巍.應(yīng)變式傳感器的原理及對(duì)應(yīng)變片性能的測(cè)定 [J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2015（2）：102-103.

[4] 高天學(xué).基于STM32的無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（24）：35-38.

[5] 高天學(xué)，曹偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的新型農(nóng)藥化肥自動(dòng)噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（9）：154-157.

[6] 華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]，第四版，清華大學(xué)出版社，2006.

[7] 求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航 [M].北京：人民郵電出版社，2004.

[8] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì) [M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.

作者簡(jiǎn)介：王高樂(lè)（2002—），男，漢族，山東聊城人，本科在讀，研究方向：電子信息工程;韓祥森（1994—），男，漢族，山東淄博人，助教，本科，研究方向：電子與通信技術(shù)、智能控制。