基于AT89C51單片機的果蔬農(nóng)藥可回收噴灑系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

楊勇 曲愛軍

摘要??? 在果蔬培育及病蟲害防治工作中，需要在適當范圍內(nèi)噴灑一定量安全系數(shù)高的農(nóng)藥，傳統(tǒng)噴灑工具作業(yè)效率低，浪費嚴重并容易造成果蔬農(nóng)藥殘留超標等問題。為提高農(nóng)藥的噴灑利用效率，節(jié)約成本，設計了一款根據(jù)需要調(diào)節(jié)噴灑速率和回收噴灑管中農(nóng)藥的果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)。開發(fā)了配套軟硬件系統(tǒng)，通過Proteus軟件對該系統(tǒng)進行了仿真和論證。結(jié)果表明，本次設計的基于AT89C51單片機的果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)功能完善，速率誤差2%～4%，精度±2%;速率1.7374.65 r/min，可回收殘留管壁中剩余藥液。該系統(tǒng)可將農(nóng)藥利用最大化，節(jié)約成本，符合預先功能設計，具有顯著推廣應用價值。

關鍵詞??? AT89C51;果蔬;農(nóng)藥噴灑;Proteus仿真

中圖分類號??? TP277??? 文獻標識碼??? A??? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.02.017

Design and Implementation of Fruit and Vegetable Pesticide Recyclable Spraying System Based on an AT89C51 Single Chip Microcomputer

YANG Yong??? QU Ayun2

（1. Comprehensive Administrative Law Enforcement Bureau of Yangxin County，Binzhou City，Binzhou，Shandong 251800，China;2. School of Plant Protection，Shandong Agricultural University，Tai'an，Shandong 271000，China）

Abstract??? In fruit and vegetable cultivation it is necessary to control diseases and pests attacking fruit and vegetables by spraying a certain amount of pesticides with a high safety factor at an appropriate rate. The traditional spraying tools have low operation efficiency，and cause serious waste of pesticides and excessive pesticide residues in fruits and vegetables. In order to improve the utilization efficiency and save the cost of pesticides in the spraying process，a fruit and vegetable pesticide spraying system was designed to adjust the spraying rate and recover the pesticides left in the spraying pipe. A supporting software and hardware system is developed，and the system is simulated and demonstrated by using simulation software Proteus. The results showed that the fruit and vegetable pesticide spraying system based on an AT89C51 single chip microcomputer works well with the motor speed error being 2%～4% and the accuracy being ±2%. The motor speed is 1.73 r/min-14.65r/min，and the residual solution left in the pipe wall of the sprayer can be recovered. The system can maximize the utilization of pesticides and save costs，and it hence conforms to the previous functional design and has a significant value of popularization and application.

Keywords??? AT89C51;fruits and vegetables;pesticide spraying;Proteus simulation

當前，為滿足人們對生鮮瓜果的大量需求，果蔬種植規(guī)模不斷擴大。傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑方式不僅不適應新形勢下高效增產(chǎn)增收的要求，而且還造成人力物力浪費[1]。傳統(tǒng)小規(guī)模農(nóng)藥噴霧方式主要用農(nóng)藥噴霧器，主要特點一是作業(yè)者需背負攜帶噴霧器，然后手搖壓力手柄，將農(nóng)藥傳輸?shù)絿姙⒐苤校瑖婌F過程較難控制噴霧速度，造成浪費;二是作業(yè)強度大，人力成本高。因此，因地制宜研發(fā)相關農(nóng)業(yè)噴灌設備必要且迫切。

近年來，國內(nèi)專家學者對農(nóng)藥噴霧方式方法研究取得了顯著成效。劉佳等[2]針對已有方形噴灑域噴頭存在噴灌均勻系數(shù)低、方形程度差、轉(zhuǎn)動過程精度不高等問題，設計了一種適用于方形噴灑的新型噴灌裝置。莫莉萍[3]設計開發(fā)了基于DSP噴霧機器人，該直流電機自動控制系統(tǒng)能夠提高農(nóng)藥噴霧機器人的作業(yè)效率，實現(xiàn)農(nóng)藥噴霧的精準控制，有效減少農(nóng)藥浪費，防止對自然環(huán)境造成破壞。張金錢等[4]采用模糊PID控制策略搭建了飛行平臺，進行農(nóng)藥噴灑控制。在Simulink 仿真環(huán)境下進行軟件仿真實驗，在田間進行現(xiàn)場作業(yè)，結(jié)果顯示具有很好的運行效果。何志輝[5]為提高無人機噴藥設備準確性，提出了基于云技術的施藥量大數(shù)據(jù)實時分析平臺，并通過PID調(diào)節(jié)來實現(xiàn)農(nóng)藥噴灑量的精準控制。曾新洲等[6]為提高農(nóng)藥的噴灑效率，以果園為研究對象，設計出一款可投入農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)的基于單片機實時混藥靜電噴霧機。張奇等[7]設計了一款基于DSP和單片機的實時變量噴藥系統(tǒng)，通過電磁閥控制6個噴頭的開閉，實現(xiàn)精準變量噴藥，該系統(tǒng)在室外田間復雜情況下可以滿足實時精準噴藥要求，在作業(yè)機槭速度為4 km/h時，噴藥精確度可以達到91.4%。上述專家學者研究適用于大批量大范圍田間作業(yè)，未提及小范圍實用性較強的農(nóng)藥噴灑作業(yè)器槭設計與應用。

本文主要研究利用Proteus設計果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，要求系統(tǒng)能夠提供更好的控制噴灑速度、解放勞動力。同時需要對果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的基本硬件電路和各個軟件模塊進行詳細的分析，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性[8]。主要的研究內(nèi)容如下：

（1）對整個果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)進行調(diào)研和系統(tǒng)設計，包括需求分析、功能設計等等，確定各個功能模塊及其實現(xiàn)原理，以提高果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的實用性和交互性為目的對系統(tǒng)進行設計。

（2）對系統(tǒng)模塊的硬件部分進行選型，并使用電路設計軟件設計出各個模塊的電路，對硬件電路原理進行分析，確保硬件電路的穩(wěn)定性。

（3）使用模塊化軟件設計思想，對果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)進行設計，根據(jù)各個硬件模塊的輸出接口以及時序要求，對各個模塊進行程序設計，降低各個軟件子程序的耦合程度，提高軟件的魯棒性[9]。

1??? 果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)設計

1.1??? 功能設計

果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)需要能夠更好地控制噴灑速度及節(jié)約人力物力成本，并在噴灑結(jié)束后回收殘留在噴灑管中的農(nóng)藥，避免造成不必要的浪費。當果蔬種植戶判斷當前種植區(qū)域的害蟲比較少時，果蔬種植戶根據(jù)需要調(diào)整噴灑速度，以免噴灑過量。

1.2?? ?微型處理器的內(nèi)存與接口

微型計算機是體積小，能夠完成一系列的邏輯處理運算功能的電子計算機。它一般以微處理器為核心，配備合適的外圍電路和輸入輸出設備、存儲器等完成指定的功能[10]?，F(xiàn)在廣泛使用的微處理器有很多相似之處，例如80C51系列和STM32系列單片機，訪問內(nèi)存使用的地址和訪問接口使用的地址是統(tǒng)一的。由于微處理的結(jié)構(gòu)相對簡單，所以采用這種方法能夠簡化操作，使用訪問內(nèi)存的指令就能夠訪問相關的接口了[11]，這極大地方便了開發(fā)人員去調(diào)用接口實現(xiàn)相關操作。但是同時由于操作接口和操作內(nèi)存的指令一樣，使得開發(fā)人員必須對相關的參數(shù)十分了解才能夠辨別出兩者，對程序進行維護[12]。

1.3??? 中斷方式

在微處理器的程序設計中，CPU一般通過兩種方式操作I/O，一種是直接程序控制，另外一種則是中斷方式。其中程序控制方式，如果I/O設備無條件傳輸?shù)那闆r下，消耗的CPU資源較少，但是如果不知道I/O什么時候準備好，則需要CPU不斷地進行輪詢，輪詢的方式增加了CPU的負擔[13]，將降低CPU的處理效率，同時也使得微處理無法對外部突發(fā)事件進行有效的實時響應。微處理還提供了中斷的方式來處理I/O請求，當CPU接收到I/O設備發(fā)來的高優(yōu)先級的中斷請求時，CPU將停止當前的低優(yōu)先級的工作，并對工作現(xiàn)場進行保存，轉(zhuǎn)而完成中斷任務，當中斷任務完成后，原來被打斷的狀態(tài)將會恢復，CPU能夠在原來的基礎上繼續(xù)執(zhí)行操作[14]。采用中斷的方式能夠避免CPU重復訪問I/O，減少了CPU冗余的操作，從而提高工作效率。

2??? 果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)硬件設計

2.1??? 硬件總體方案

使用AT89C51芯片作為核心處理器，處理噴灑速率、檔位和農(nóng)藥剩余量;使用LCD1602屏幕作為人機交互的接口，同時微處理會根據(jù)采集到的環(huán)境信息，通過I/O控制步進電機和燈等外圍設備。硬件總體方案見圖1所示。

2.2??? 微處理器核心電路

設計使用的微處理器為AT89C51，該芯片為ATMEL公司生產(chǎn)，使用該芯片作為果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的主控芯片比較合適。當FIASH進行校驗時，P0端口輸出原碼，此時P0端口外部必須被拉高。

微處理器核心電路需包括電源部分，在電源部分中，使用了78M05作為DC-DC的芯片。該電源模塊設計如圖2所示。

通過這個電路能夠?qū)⒆罡?5 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成AT89C51單片機工作需要的5 V電壓[15]。

復位電路模塊（圖3）用于整個系統(tǒng)復位。在某些特殊情況下，單片機可能處于不工作的狀態(tài)，這種情況下可以按下復位按鍵，單片機重新從程序入口執(zhí)行，重新執(zhí)行相關的邏輯代碼。

時鐘電路模塊用于給系統(tǒng)提供必要的時鐘信息，給各個組件的運行提供基本節(jié)拍。外部晶振周期經(jīng)過分頻后得到了機器周期[15]，從而給各個指令提供節(jié)拍。圖4中P5可以選擇11.059 2 MHz的無源晶振;C5和C6為2個30pf的起振電容，用于晶振的起振。X1和X2分別連接了單片機的XTAL1和XTAL2引腳。

2.3??? 速度控制電路

設計采用了步進電機，在外界的控制下，它能夠很好地以當前需要的速度值運行。速度誤差2%～4%，精度為±2%;速度范1.73～14.65 r/min。通過步進電機的特定時序，能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級的響應，同時它的工作電壓范圍寬，可在5～8V正常工作[16]。

圖5為步進電機電路圖，圖中6根線分為A、B兩組，6根線中有兩根是公共線，如圖5彩線是公共線。用萬用表可測出公共線，測量方法如下：電阻檔（最小）紅筆任意接一引腳，黑筆一次接余下的4根線若黑筆和兩根線接觸電阻都相等那么紅筆接為公共線，以上的3根線則為一組;另一組的測量方法相同，接電機時一般公共線不接，把圖中的A紅、C藍作為一組線圈;B黑、D綠看做一組線圈;電機與驅(qū)動器連接時A、C接驅(qū)動器的A+、A-、B、D接驅(qū)動器的B+、B-。

2.4??? 按鍵電路

該系統(tǒng)主要有6個按鍵，分別是方向正、方向反、速度+、速度-、開/管、加藥水。

如圖6所示，當按鍵按下時，AT89C51單片機檢測到對應I/O的低電平，執(zhí)行相應的動作。比如在開機鍵按下后，可以根據(jù)需要對步進電機的轉(zhuǎn)動方向和速度大小進行調(diào)整。

2.5??? 人機交互電路

根據(jù)顯示的內(nèi)容，方便用戶閱讀，使用LCD 1602作為人機交互的器件（圖7 ）。LCD 1602這種顯示器件包含14～16個管腳，本系統(tǒng)使用的是14個管腳（沒有LED+和LED-），其中用于和單片機相連的有11個管腳，DB0到DB7是用于數(shù)據(jù)交換的總線;RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器;RW為讀寫信號線，高電平（1）時進行讀操作，以51為例的簡單原理圖低電平（0）時進行寫操作;E為使能信號線，作為時鐘信號，控制讀寫時序。圖7為LCD 1602的電路。圖8為LCD 1602 的寫入數(shù)據(jù)時序圖。

3??? 果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)軟件設計

3.1??? 軟件總體方案

結(jié)合系統(tǒng)軟件總體設計要求，終端軟件設計的總體方案如圖9所示，整個設計方案包括初始化子程序模塊、按鍵子程序模塊、人機交互子程序模塊等等。

對整體的系統(tǒng)進行初始化，包括時鐘初始化和外設初始化，如顯示屏和DHT11的初始化等，讀取DHT11獲取的環(huán)境溫濕度信息，并在顯示屏上進行更新。若檢測到按鍵按下，可進行數(shù)據(jù)的清空等操作。圖9為多功能智慧閱覽室的軟件總體框圖。

3.2??? 初始化子程序

在微處理器的使用過程中，啟動時需要對一些必要的參數(shù)進行設置，以便滿足期望達到的功能需要。單片機通過I/O連接各傳感器模塊，通過串口連接串口調(diào)試模塊，通過IO端口連接顯示模塊單元電路。因此，MCU上電時必須首先對各端口進行初始化操作，初始化操作見表1。

3.3??? 步進電機子程序

步進電機子程序主要通過單片機控制ULN 2003，然后驅(qū)動步進電機，從而設置需要的速度。

當檢測到P2端口輸出不為0時，根據(jù)當前的方向和速度運行。計算方法：轉(zhuǎn)一圈需要節(jié)拍數(shù)：360/（5.625/64）=4 096個節(jié)拍。轉(zhuǎn)速r/min = （60×1 000）/（4 096×定時時間）。

3.4??? 人機交互子程序設計

在進行顯示字符串時，LCD1602會先對顯示坐標進行計算，得到坐標后，寫入顯示坐標的命令，然后將字符串中的數(shù)據(jù)寫入顯示屏。由于字符串通常以’＼0’結(jié)束，所以當前字符為’＼0’時，意味著字符顯示結(jié)束，程序返回。

主要子函數(shù)：

4??? 仿真調(diào)試

使用Proteus作為仿真和調(diào)試的工具。Proteus 能夠仿真8051、ARM、AVR等常用的單片機，能夠支持IAR、MDK等多種單片機的集成開發(fā)環(huán)境;具有超過27 000種元器件，能夠滿足大部分的使用場景需要;支持多種虛擬儀器，包括示波器、虛擬串口、萬用表等，同時能夠進行具有互動性的電路仿真。

首先需要布置元器件，可以從器件庫中選擇。放置完畢后，可以通過連線的方式將需要連接的管腳連接起來，也可以通過標簽的方式連接。在終端選項中可以選擇放置電源，同時也可以在工具欄選擇放置各種激勵源和各種虛擬儀器。同時在工具欄中提供了文本框、線條、方框等標識工具，用于項目的模塊化展示。當雙擊AT89C51芯片，選擇keil生成的hex文件后，就能夠看見LCD 1602上打印的信息，包括“D（檔位）”“speed”“方向（用+和-顯示）”和“體積”等信息。

當調(diào)節(jié)方向和檔位時，就會更新顯示，如圖10所示。

從圖10可以看出，設計的果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)具有一定的智能程度，能夠?qū)姙⑺俣冗M行調(diào)整，并于作業(yè)結(jié)束時回收管內(nèi)剩余藥液，同時操作界面友好，符合預先功能設計。

5??? 結(jié)語

設計了一種基于AT89C51單片機的果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，通過分析控制步進電機的速度和方向，以及農(nóng)藥剩余量的檢測和指示燈顯示，大大節(jié)約了農(nóng)藥噴灑成本和人力成本。經(jīng)過Proteus仿真，本文設計的電源電路能夠穩(wěn)定有效地工作，同時AT89C51作為主控芯片，能夠在噴灑農(nóng)藥中發(fā)揮穩(wěn)定有效的作用。經(jīng)田間作業(yè)，本文設計的單片機控制系統(tǒng)能夠滿足果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)控制要求，對于果蔬農(nóng)藥噴霧可回收系統(tǒng)的廣泛使用有一定的指導意義和實用價值。

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