耿悅桐，王若鳴

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

0 引言

目前大部分土地已經(jīng)可以進行現(xiàn)代化耕作，但仍有許多個體農(nóng)戶的土地并不平整，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]。我們設(shè)計的秸稈還田自動控制系統(tǒng)可以將秸稈從地下連根鏟起，并投入后面的粉碎機中，進行粉碎后拋散在田地里?？梢赃_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一體化超聲波測距模塊，STC89C52RC單片機，設(shè)計了此基于MCU秸稈還田自動控制系統(tǒng)的秸稈還田機器?；谝簤合到y(tǒng)的穩(wěn)定性，本設(shè)備最初使用液壓裝置來控制犁架升降，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來做[2]。電機本身的優(yōu)越性決定了其響應(yīng)速度足夠快，可以跟上農(nóng)機前進的速度，使犁架的高度變化足夠及時。超聲波測距原理與雷達測距原理相似。利用超聲波發(fā)射器向地面發(fā)射超聲波,與此同時，開始計時。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的超聲波就會停止計時。我們利用所計的時間，結(jié)合超聲波在空氣中的傳播速度340m/s就能計算出超聲波探頭距離地面的距離[3]。但其用的是HC-SR04超聲波測距模塊?？紤]到農(nóng)機工作可能出現(xiàn)的惡劣天氣情況，我們選用了AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，此模塊具有防水的功能，更大程度地保證農(nóng)機工作的穩(wěn)定性，并且其兼容普通超聲波測距模塊HC-SR04。故操作方式與我們熟悉的HC-SR04完全相同。通過AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，我們實現(xiàn)了測得的距離數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳送。

1 整體設(shè)計方案

將超聲波測距探頭安置在農(nóng)機前方，距離地面40 cm，且與犁架聯(lián)動。由于AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊量程為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)機前下方，以防止雜草干擾。AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊安裝在農(nóng)機前方，將測得的距離數(shù)據(jù)傳送給后方接收的MCU，單片機IO口輸出相應(yīng)高低電平以控制電機驅(qū)動器進而控制犁架升降。測得的高度數(shù)據(jù)還會實時顯示在LCD1602上，方便農(nóng)戶觀察。鏟起來的秸稈被倒入粉碎機，粉碎機將秸稈打碎，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 高度檢測裝置

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

圖2高度檢測框圖

2.2 控制裝置

控制裝置由單片機、電機驅(qū)動器、LCD1602顯示屏構(gòu)成。24V農(nóng)機自帶電源給電機驅(qū)動器供電，電機驅(qū)動器同時還能給單片機供5V電。高度檢測裝置將收到的高度數(shù)據(jù)傳給單片機，單片機判斷高度所在區(qū)間，IO口輸出相應(yīng)的電平以控制電機驅(qū)動器。同時將高度值顯示在LCD1602上，方便農(nóng)戶觀察。電機驅(qū)動器可以控制直流推桿電機的伸縮?？刂蒲b置框圖見圖3。

圖3 控制裝置框圖

2.3 從動裝置

此裝置由直流推桿電機，犁架構(gòu)成。通過電機驅(qū)動器控制直流推桿電機的升降，通過直流推桿電機的升降使犁架升降，將秸稈鏟出，倒入粉碎機中，粉碎機將秸稈打碎并拋散在大地中，完成作業(yè)任務(wù)。從動裝置框圖見圖4。

圖4從動裝置框圖

2.4 程序設(shè)計

本操作系統(tǒng)使用STC89C52RC單片機，程序主要包含兩部分，一是LCD1602顯示部分，主要將探頭測得的高度數(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，主要將測得的高度數(shù)據(jù)進行判斷，輸出相應(yīng)的高低電平，以控制電機驅(qū)動器進而控制電機。程序設(shè)計框圖見圖5。

圖5 程序框圖

3 系統(tǒng)運行

在農(nóng)機前進時，膠皮將雜草撥開，避免雜草的高度影響測量的高度值，之后農(nóng)機前進，AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊發(fā)出超聲波，測量高度，并將測得的高度值傳給單片機，單片機設(shè)置的LCD1602將實際高度值顯示在屏上，方便農(nóng)戶觀察，與此同時，通過單片機內(nèi)部程序，將接收到的數(shù)據(jù)進行處理，判斷高度是否高于41 cm，若高，則在單片機的P1^0口輸出高電平，后在單片機的P1^1口輸出低電平，使電機正轉(zhuǎn)。單片機IO口的高低電平變化可以控制電機驅(qū)動器，進而控制直流推桿電機，改變犁架的高度，使犁架的對地高度保持恒定。與此同時，LCD1602在顯示屏上顯示模塊實際距地高度，從而達到操作目的，若高度低于39cm，則在單片機的P1^0口輸出低電平，后在單片機的P1^1口輸出高電平，使電機反轉(zhuǎn)。若高度在39 cm～41 cm，則兩個IO口同時輸出低電平,使電機剎車。因犁架與超聲波探頭聯(lián)動，故超聲波探頭也可以跟隨犁架及時改變位置，達到操作目的。此外，電機驅(qū)動器的控制PWM端一直給高電平，故無論電機正反轉(zhuǎn)，都是全速運行的。

4 實驗結(jié)論

經(jīng)過與黑龍江省百耕農(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)田里進行了實驗，實驗結(jié)果良好，粉碎長度合格率>=85%。控制裝置具體結(jié)構(gòu)見圖6。實驗農(nóng)機機械裝置見圖7。

圖6 控制裝置具體結(jié)構(gòu) 圖7 實驗農(nóng)機機械裝置圖

4 結(jié)論

本犁地系統(tǒng)操作簡單，易于農(nóng)戶操作;將傳統(tǒng)農(nóng)機與現(xiàn)代化模塊相結(jié)合，AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，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;經(jīng)過實驗驗證和現(xiàn)場測試，達到了預(yù)期效果，本技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)田中，方便農(nóng)戶耕作。不僅如此，與本文相關(guān)的專利《一種智能控制秸稈還田犁》(專利申請?zhí)枺?01911097596.0)已于2020年2月8日公布。相信不久之后，就會投入生產(chǎn)，真正為農(nóng)戶的耕種作業(yè)奉獻一份綿薄之力。