基于C8051F的果樹(shù)施藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

房開(kāi)拓，尤麗華

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

水果種植業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，果樹(shù)病蟲(chóng)害防治作業(yè)也越來(lái)越被重視[1]。當(dāng)下我國(guó)施藥水平總體偏低，主要表現(xiàn)在自動(dòng)化技術(shù)落后、作業(yè)強(qiáng)度大、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題[2]。為了解決這一現(xiàn)象，提高果樹(shù)施藥噴霧效率和農(nóng)藥附著率，文中設(shè)計(jì)了新型噴霧機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，該機(jī)構(gòu)能夠針對(duì)不同果樹(shù)尺寸來(lái)調(diào)節(jié)噴霧距離。作業(yè)人員可以遠(yuǎn)距離操作手持式控制器即可調(diào)節(jié)噴霧參數(shù) （包括每側(cè)噴霧頭的開(kāi)閉、噴霧機(jī)構(gòu)伸縮長(zhǎng)度、軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)轉(zhuǎn)速等），這在很大程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施藥效果。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)結(jié)合了機(jī)械和電子技術(shù)，由機(jī)械部分和控制部分構(gòu)成。施藥噴霧過(guò)程中噴霧頭與冠層的距離要求適中，而果園內(nèi)的果樹(shù)形狀尺寸各異，因此應(yīng)用了電動(dòng)推桿作為執(zhí)行元件安裝于機(jī)械系統(tǒng)中；為了增加噴霧頭的射程、提高霧化效果，采用風(fēng)送式噴霧，將多個(gè)噴霧頭置于由軸流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)葉風(fēng)扇表面；為了調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，選用了變頻調(diào)速器來(lái)適應(yīng)不同冠層密度的果樹(shù)；為了增加作業(yè)效率，機(jī)械部分采用兩側(cè)對(duì)稱的形式，可以同時(shí)對(duì)兩行果樹(shù)實(shí)施作業(yè)；為了操作可靠方便，系統(tǒng)中所有的參數(shù)值（噴霧頭的開(kāi)閉、機(jī)構(gòu)伸縮長(zhǎng)度、軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)轉(zhuǎn)速、噴霧時(shí)間等）都由手持遙控器通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)之間的無(wú)線通訊來(lái)設(shè)定。

針對(duì)上述作業(yè)工況和技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了施藥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)固定于拖車(chē)尾部底盤(pán)上，由機(jī)動(dòng)車(chē)牽引該噴霧機(jī)構(gòu)在田間作業(yè)，而果樹(shù)位于每側(cè)噴霧架之中。

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Kinematic diagram of mechanism

在圖1中，機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)空間上完全對(duì)稱，每側(cè)各有3個(gè)移動(dòng)副和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。單側(cè)安裝有4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)和霧化盤(pán)，安裝位置分別位于 5、6、7、8處，每個(gè)霧化盤(pán)上設(shè)置有若干個(gè)噴霧頭，機(jī)車(chē)行進(jìn)時(shí)打開(kāi)噴霧頭和軸流風(fēng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)立體噴霧。針對(duì)不同樹(shù)高，可以通過(guò)調(diào)節(jié)移動(dòng)副1配合移動(dòng)副3來(lái)保持噴霧頭與樹(shù)冠的距離；而調(diào)節(jié)移動(dòng)副2則可以在寬度方向調(diào)節(jié)噴霧架跨度。轉(zhuǎn)動(dòng)副4能夠?qū)崿F(xiàn)每側(cè)機(jī)構(gòu)繞其內(nèi)側(cè)

豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)停止工作時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副4收起噴霧架，來(lái)減小機(jī)器的空間尺寸。移動(dòng)副通過(guò)仿形電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行器實(shí)為一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿螺母機(jī)構(gòu)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的軸向運(yùn)動(dòng)?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和運(yùn)行步數(shù)即可調(diào)節(jié)執(zhí)行器的伸縮量。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)噴霧作業(yè)要求，電控系統(tǒng)需要具備以下功能：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行器內(nèi)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且推桿能夠按照設(shè)定值執(zhí)行伸縮；驅(qū)動(dòng)液流電磁閥的通斷；通過(guò)操作變頻器調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)的送風(fēng)速度；可以設(shè)定噴霧時(shí)間；能夠采用無(wú)線通訊方式通過(guò)手柄按鍵遠(yuǎn)程作業(yè)，包括與變頻器的通訊。分析上述控制對(duì)象，擬定控制方法，并設(shè)計(jì)實(shí)用的人機(jī)界面，得出如圖2所示的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of control system

2.1 微處理器

考慮到控制對(duì)象較多、控制精度、和經(jīng)濟(jì)性等因素，微處理器選用新華龍公司C8051F340與具有64個(gè)I/O端口的C8051F020單片機(jī)分別作為上位機(jī)（手持控制器）和下位機(jī)（驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件）控制芯片。C8051F340用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏、掃描按鍵以及與下位機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)執(zhí)行相關(guān)操作。C8051F020主要任務(wù)是在接收到上位機(jī)數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)電磁閥、步進(jìn)電機(jī)、變頻器等執(zhí)行元件，同時(shí)檢測(cè)電動(dòng)執(zhí)行器的行程開(kāi)關(guān)是否到達(dá)零位。

C8051F340器件使用Silicon Labs的專(zhuān)利CIP-51微控制器內(nèi)核。該內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8 052的所有外設(shè)部件，包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/時(shí)器、兩個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、4 352字節(jié)的內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器地址空間和40個(gè)I/O引腳[3]。C8051F020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳；高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核；64 k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口；片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等[4]。

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面作為作業(yè)人員與控制系統(tǒng)的對(duì)話途徑，顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)將液晶顯示屏與按鍵安裝于手持的控制盒內(nèi)，操作方便靈活，參數(shù)能夠任意設(shè)定。液晶顯示主菜單和手動(dòng)工作菜單內(nèi)容如圖3、圖4所示。界面采用菜單按鍵式，層層進(jìn)入，進(jìn)而設(shè)定控制對(duì)象的相關(guān)參數(shù)。開(kāi)機(jī)上電后，顯示如圖3所示的主菜單，內(nèi)容有手動(dòng)工作、自動(dòng)工作和停止工作。用戶選擇手動(dòng)工作按鍵確認(rèn)后，即可進(jìn)入如圖4所示菜單，顯示有仿形架伸縮量、風(fēng)機(jī)啟停與轉(zhuǎn)速、噴霧頭開(kāi)關(guān)等；若對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，只需選擇相應(yīng)菜單按確認(rèn)鍵進(jìn)入下一層菜單然后通過(guò)按鍵輸入設(shè)定參數(shù)值即可。

圖3 主菜單Fig.3 Main menu

圖4 手動(dòng)工作菜單Fig.4 Manual-working menu

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 變頻器通訊

噴霧系統(tǒng)中的送風(fēng)方式是使用由變頻器控制的軸流風(fēng)機(jī)，每個(gè)電機(jī)的功率為370 W。左右兩側(cè)完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)都裝有4個(gè)電機(jī)，每側(cè)電機(jī)由一個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)。為了滿足要求，本文選用型號(hào)為VFD022M21A的臺(tái)達(dá)三相變頻器，功率為2.2 kW。該變頻器具有高功能、超低噪音和迷你型特點(diǎn)，體積很小，兩個(gè)方便安裝于控制箱內(nèi)，外形美觀[5]。

變頻器內(nèi)置RS-485串聯(lián)通訊界面，通過(guò)RS-485通訊方式與單片機(jī)交換數(shù)據(jù)。該變頻器使用MODBUS通訊協(xié)議的RTU模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在變頻器面板上P92中輸入“03”，將變頻器設(shè)置為Modbus RTU模式，數(shù)據(jù)格式為<8，N，2>，指的是該字符結(jié)構(gòu)包括8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)開(kāi)始位和2個(gè)停止位，共11個(gè)字符框，如圖5所示[5]。

圖5 RTU模式的字符結(jié)構(gòu)Fig.5 Data structure of RTU mode

噴霧風(fēng)送強(qiáng)度的調(diào)節(jié)過(guò)程就是通過(guò)向變頻器寄存器連續(xù)寫(xiě)入多個(gè)數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)其有效控制，例如向右側(cè)噴霧頭的變頻器（地址為01H）連續(xù)寫(xiě)入多個(gè)數(shù)據(jù)的命令碼為10H，其命令信息如表1所示[5]。

表1 連續(xù)寫(xiě)入多個(gè)數(shù)據(jù)的命令Tab.1 Command of writing more data continuously

3.2 電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

控制電動(dòng)執(zhí)行器實(shí)質(zhì)上就是控制其內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，控制目標(biāo)就是要根據(jù)作業(yè)人員的需要使得步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)。

下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，則判斷要執(zhí)行的任務(wù)種類(lèi)。如果是電機(jī)運(yùn)行任務(wù)，繼續(xù)分析接收到的數(shù)據(jù)，提取電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)信息。若要求電機(jī)電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)就要通過(guò)單片機(jī)控制引腳高低電平設(shè)定為反向轉(zhuǎn)動(dòng)。獲得步數(shù)數(shù)據(jù)后實(shí)施變頻率的分別驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速、勻速、減速運(yùn)行。例如要求推桿向前伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)，計(jì)算出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)為N，加速步數(shù)為 N0，減速步數(shù)為 N1，勻速步數(shù)為（N-N0-N1）步。 執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)子程序流程圖如圖6所示。

圖6 電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)流程圖Fig.6 Flow chart of driving electric actuator

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序模塊主要有液晶顯示模塊、矩陣按鍵掃描模塊數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等[6]。開(kāi)機(jī)后，C8051F340先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，設(shè)定系統(tǒng)的工作條件，包括單片機(jī)引腳端口、系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷入口和串行接口等。進(jìn)入主程序后，設(shè)置串口中斷寄存器和定時(shí)器中斷寄存器，打開(kāi)中斷開(kāi)關(guān)；對(duì)于液晶顯示屏，首先要輸入清屏指令，然后默認(rèn)顯示主菜單；此時(shí)需要進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，執(zhí)行讀上次存入FLASH中的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)485通訊方式發(fā)送至C8051F020；掃描矩陣按鍵，判斷需要進(jìn)入的菜單序號(hào)，顯示子菜單。進(jìn)入每一層菜單后繼續(xù)掃描按鍵來(lái)進(jìn)行在此頁(yè)面下的顯示變化，包括開(kāi)關(guān)顯示、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示和電動(dòng)執(zhí)行器伸出量顯示等。程序流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中主要設(shè)計(jì)了針對(duì)果樹(shù)不同形狀實(shí)施自動(dòng)噴霧的操作控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使得施藥作業(yè)人員方便有效地遠(yuǎn)程控制噴霧參數(shù)，并采用了裝有液晶顯示屏和按鍵的面板式手持控制器，人機(jī)界面較為和諧，如圖8、圖9所示。

圖8 手持操作器Fig.8 Handheld operator

圖9 控制箱Fig.9 Controlling instrument

5 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵掃描模塊的模擬調(diào)試后，控制系統(tǒng)在軟件上可以有效控制了變頻器、電動(dòng)推桿以及電磁閥等執(zhí)行元件。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中存在變頻器對(duì)通訊干擾的問(wèn)題，采取了增加電源濾波器、遠(yuǎn)離干擾源等手段，使得控制器能夠可靠地工作。試驗(yàn)表明，本施藥系統(tǒng)大大提高了工作效率，減小了作業(yè)強(qiáng)度。

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