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(dāng)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(fèi)嚴(yán)重并容易造成果蔬農(nóng)藥殘留超標(biāo)等問題。為提高農(nóng)藥的噴灑利用效率，節(jié)約成本，設(shè)計(jì)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(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和論證。結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的基于AT89C51單片機(jī)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(yù)先功能設(shè)計(jì)，具有顯著推廣應(yīng)用價(jià)值。

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

中圖分類號(hào)??? TP277??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dāng)前，為滿足人們對(duì)生鮮瓜果的大量需求，果蔬種植規(guī)模不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑方式不僅不適應(yīng)新形勢(shì)下高效增產(chǎn)增收的要求，而且還造成人力物力浪費(fèi)[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(diǎn)一是作業(yè)者需背負(fù)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(fèi);二是作業(yè)強(qiáng)度大，人力成本高。因此，因地制宜研發(fā)相關(guān)農(nóng)業(yè)噴灌設(shè)備必要且迫切。

近年來，國內(nèi)專家學(xué)者對(duì)農(nóng)藥噴霧方式方法研究取得了顯著成效。劉佳等[2]針對(duì)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(dòng)過程精度不高等問題，設(shè)計(jì)了一種適用于方形噴灑的新型噴灌裝置。莫莉萍[3]設(shè)計(jì)開發(fā)了基于DSP噴霧機(jī)器人，該直流電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠提高農(nóng)藥噴霧機(jī)器人的作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴霧的精準(zhǔn)控制，有效減少農(nóng)藥浪費(fèi)，防止對(duì)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(tái)，進(jìn)行農(nóng)藥噴灑控制。在Simulink 仿真環(huán)境下進(jìn)行軟件仿真實(shí)驗(yàn)，在田間進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，結(jié)果顯示具有很好的運(yùn)行效果。何志輝[5]為提高無人機(jī)噴藥設(shè)備準(zhǔn)確性，提出了基于云技術(shù)的施藥量大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析平臺(tái)，并通過PID調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴灑量的精準(zhǔn)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(duì)象，設(shè)計(jì)出一款可投入農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的基于單片機(jī)實(shí)時(shí)混藥靜電噴霧機(jī)。張奇等[7]設(shè)計(jì)了一款基于DSP和單片機(jī)的實(shí)時(shí)變量噴藥系統(tǒng)，通過電磁閥控制6個(gè)噴頭的開閉，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴藥，該系統(tǒng)在室外田間復(fù)雜情況下可以滿足實(shí)時(shí)精準(zhǔn)噴藥要求，在作業(yè)機(jī)槭速度為4 km/h時(shí)，噴藥精確度可以達(dá)到91.4%。上述專家學(xué)者研究適用于大批量大范圍田間作業(yè)，未提及小范圍實(shí)用性較強(qiáng)的農(nóng)藥噴灑作業(yè)器槭設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

本文主要研究利用Proteus設(shè)計(jì)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(dòng)力。同時(shí)需要對(duì)果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的基本硬件電路和各個(gè)軟件模塊進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[8]。主要的研究內(nèi)容如下：

（1）對(duì)整個(gè)果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括需求分析、功能設(shè)計(jì)等等，確定各個(gè)功能模塊及其實(shí)現(xiàn)原理，以提高果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的實(shí)用性和交互性為目的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）對(duì)系統(tǒng)模塊的硬件部分進(jìn)行選型，并使用電路設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出各個(gè)模塊的電路，對(duì)硬件電路原理進(jìn)行分析，確保硬件電路的穩(wěn)定性。

（3）使用模塊化軟件設(shè)計(jì)思想，對(duì)果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)各個(gè)硬件模塊的輸出接口以及時(shí)序要求，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，降低各個(gè)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(shè)計(jì)

1.1??? 功能設(shè)計(jì)

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(fèi)。當(dāng)果蔬種植戶判斷當(dāng)前種植區(qū)域的害蟲比較少時(shí)，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(jì)算機(jī)是體積小，能夠完成一系列的邏輯處理運(yùn)算功能的電子計(jì)算機(jī)。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(shè)備、存儲(chǔ)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(jī)，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(duì)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(guān)的接口了[11]，這極大地方便了開發(fā)人員去調(diào)用接口實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。但是同時(shí)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(duì)相關(guān)的參數(shù)十分了解才能夠辨別出兩者，對(duì)程序進(jìn)行維護(hù)[12]。

1.3??? 中斷方式

在微處理器的程序設(shè)計(jì)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(shè)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(shí)候準(zhǔn)備好，則需要CPU不斷地進(jìn)行輪詢，輪詢的方式增加了CPU的負(fù)擔(dān)[13]，將降低CPU的處理效率，同時(shí)也使得微處理無法對(duì)外部突發(fā)事件進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)響應(yīng)。微處理還提供了中斷的方式來處理I/O請(qǐng)求，當(dāng)CPU接收到I/O設(shè)備發(fā)來的高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU將停止當(dāng)前的低優(yōu)先級(jí)的工作，并對(duì)工作現(xiàn)場進(jìn)行保存，轉(zhuǎn)而完成中斷任務(wù)，當(dāng)中斷任務(wù)完成后，原來被打斷的狀態(tài)將會(huì)恢復(fù)，CPU能夠在原來的基礎(chǔ)上繼續(xù)執(zhí)行操作[14]。采用中斷的方式能夠避免CPU重復(fù)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(shè)計(jì)

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(jī)交互的接口，同時(shí)微處理會(huì)根據(jù)采集到的環(huán)境信息，通過I/O控制步進(jìn)電機(jī)和燈等外圍設(shè)備。硬件總體方案見圖1所示。

2.2??? 微處理器核心電路

設(shè)計(jì)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(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0端口輸出原碼，此時(shí)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(shè)計(jì)如圖2所示。

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

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

時(shí)鐘電路模塊用于給系統(tǒng)提供必要的時(shí)鐘信息，給各個(gè)組件的運(yùn)行提供基本節(jié)拍。外部晶振周期經(jīng)過分頻后得到了機(jī)器周期[15]，從而給各個(gè)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(gè)30pf的起振電容，用于晶振的起振。X1和X2分別連接了單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳。

2.3??? 速度控制電路

設(shè)計(jì)采用了步進(jìn)電機(jī)，在外界的控制下，它能夠很好地以當(dāng)前需要的速度值運(yùn)行。速度誤差2%～4%，精度為±2%;速度范1.73～14.65 r/min。通過步進(jìn)電機(jī)的特定時(shí)序，能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級(jí)的響應(yīng)，同時(shí)它的工作電壓范圍寬，可在5～8V正常工作[16]。

圖5為步進(jìn)電機(jī)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(cè)出公共線，測(cè)量方法如下：電阻檔（最?。┘t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(cè)量方法相同，接電機(jī)時(shí)一般公共線不接，把圖中的A紅、C藍(lán)作為一組線圈;B黑、D綠看做一組線圈;電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接時(shí)A、C接驅(qū)動(dòng)器的A+、A-、B、D接驅(qū)動(dòng)器的B+、B-。

2.4??? 按鍵電路

該系統(tǒng)主要有6個(gè)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(dāng)按鍵按下時(shí)，AT89C51單片機(jī)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)I/O的低電平，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。比如在開機(jī)鍵按下后，可以根據(jù)需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度大小進(jìn)行調(diào)整。

2.5??? 人機(jī)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(jī)交互的器件（圖7 ）。LCD 1602這種顯示器件包含14～16個(gè)管腳，本系統(tǒng)使用的是14個(gè)管腳（沒有LED+和LED-），其中用于和單片機(jī)相連的有11個(gè)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(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器;RW為讀寫信號(hào)線，高電平（1）時(shí)進(jìn)行讀操作，以51為例的簡單原理圖低電平（0）時(shí)進(jìn)行寫操作;E為使能信號(hào)線，作為時(shí)鐘信號(hào)，控制讀寫時(shí)序。圖7為LCD 1602的電路。圖8為LCD 1602 的寫入數(shù)據(jù)時(shí)序圖。

3??? 果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1??? 軟件總體方案

結(jié)合系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)要求，終端軟件設(shè)計(jì)的總體方案如圖9所示，整個(gè)設(shè)計(jì)方案包括初始化子程序模塊、按鍵子程序模塊、人機(jī)交互子程序模塊等等。

對(duì)整體的系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘初始化和外設(shè)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(jìn)行更新。若檢測(cè)到按鍵按下，可進(jìn)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(dòng)時(shí)需要對(duì)一些必要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便滿足期望達(dá)到的功能需要。單片機(jī)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(shí)必須首先對(duì)各端口進(jìn)行初始化操作，初始化操作見表1。

3.3??? 步進(jìn)電機(jī)子程序

步進(jìn)電機(jī)子程序主要通過單片機(jī)控制ULN 2003，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而設(shè)置需要的速度。

當(dāng)檢測(cè)到P2端口輸出不為0時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的方向和速度運(yùn)行。計(jì)算方法：轉(zhuǎn)一圈需要節(jié)拍數(shù)：360/（5.625/64）=4 096個(gè)節(jié)拍。轉(zhuǎn)速r/min = （60×1 000）/（4 096×定時(shí)時(shí)間）。

3.4??? 人機(jī)交互子程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行顯示字符串時(shí)，LCD1602會(huì)先對(duì)顯示坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到坐標(biāo)后，寫入顯示坐標(biāo)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(dāng)前字符為’＼0’時(shí)，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(jī)，能夠支持IAR、MDK等多種單片機(jī)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(shí)能夠進(jìn)行具有互動(dòng)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(biāo)簽的方式連接。在終端選項(xiàng)中可以選擇放置電源，同時(shí)也可以在工具欄選擇放置各種激勵(lì)源和各種虛擬儀器。同時(shí)在工具欄中提供了文本框、線條、方框等標(biāo)識(shí)工具，用于項(xiàng)目的模塊化展示。當(dāng)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(dāng)調(diào)節(jié)方向和檔位時(shí)，就會(huì)更新顯示，如圖10所示。

從圖10可以看出，設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)整，并于作業(yè)結(jié)束時(shí)回收管內(nèi)剩余藥液，同時(shí)操作界面友好，符合預(yù)先功能設(shè)計(jì)。

5??? 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于AT89C51單片機(jī)的果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，通過分析控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向，以及農(nóng)藥剩余量的檢測(cè)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(shè)計(jì)的電源電路能夠穩(wěn)定有效地工作，同時(shí)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(shè)計(jì)的單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠滿足果蔬農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)控制要求，對(duì)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(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

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