農業機械作業深度控制系統的設計與研究

劉琳

摘要：設計一種以AT89S51單片機為核心的低成本、高精度、小型化、人機界面友好的超聲波傳感器測深控制系統。介紹農機作業深度控制系統的結構與工作原理，闡述系統硬件電路和軟件程序設計。經試驗，該控制系統可滿足農機作業深度自動控制要求。

關鍵詞：農業機械；作業深度；控制系統；硬件；電路；程序

中圖分類號：S222.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0029-04

農業機械化在農業發展中充分詮釋了“科技就是生產力”的涵義，農業機械化是應用農業科技的主要載體，推進農業增長方式由資源依賴型向科技推動型轉變。近年來，我國農業生產實現了高速穩定的發展，加之國家多種補貼政策的鼓勵，極大地刺激了我國農機市場，促進我國農業機械的智能化發展。

隨著單片機控制技術和傳感器制造技術的不斷發展和完善，非接觸式檢測技術已在工業控制系統中得到了廣泛的應用。該系統的構建模式也十分適合農機作業的深度控制，如用于自動控制犁、深松機的作業深度，播種機施肥與播種深度等。一些發達國家的農業機械已廣泛使用該技術，可根據不同農作物品種及不同作業環節，實現農業機械對不同作業的智能控制，提高了農業機械的適宜性、經濟性。本課題提出一種適合農田作業的、低成本的單片機控制農機作業深度監控系統。

1 農機作業深度控制系統及工作原理

本系統主要由單片機、超聲波模塊（超聲波發射裝置、超聲波接收與信號處理裝置）、顯示控制電路、溫度傳感器電路、供電電路和控制系統組成。其整體結構如圖1所示，工作原理如圖2所示。

機具工作時，單片機發出40 kHz的方波信號輸送給超聲波模塊，經超聲波模塊內發射電路對信號放大，激勵超聲波發射器產生超聲波，超聲波通過介質（空氣）到達耕地表面，產生反射波，反射波再經介質（空氣）傳播返回到超聲波模塊，超聲波模塊內接收器將接收到的超聲波信號轉化成電信號，送入解碼芯片中，經解碼整形后，確認收到發射器的發射信號，模塊輸出一個寬度為2 ms的下降沿脈沖，以此啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由單片機根據超聲波在介質中的傳播速度，采用距離公式求出距離。

式中：S為耕層到超聲波測距裝置的距離；C為超聲波在空氣中傳播速度（常溫下空氣中的聲速約為340 m/s）；ΔT為超聲波發射和接收回波的時間差，s。

2 農業機械作業深度控制系統的硬件選擇

2.1 單片機系統

單片機是指在一片集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構成了單芯片微型計算機。單片機系統電路由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成。

本系統采用一款性價比較高的單片機——AT89S51。AT89S51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89S51含4 k可反復擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。

2.2 非接觸式測距傳感器

當前應用廣泛、典型的非接觸式測距方式主要有CCD探測、雷達測距、激光測距、超聲波測距，其特點分別如下：1） CCD探測傳感器具有使用方便、無需信號發射源、同時可獲得大量的場景信息等優點，但其系統復雜，易受環境影響，且造價較高。2） 雷達測距傳感器可全天候工作，適合于在惡劣的環境中進行高精度測距，但其易受電磁波干擾。3） 激光測距傳感器具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但其成本高、數據處理復雜。4） 超聲波測距可以直接測量近距離目標，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大。因此，本系統選用超聲波測距傳感器。

2.3 超聲波發射裝置，超聲波接收與信號處理裝置

超聲波的傳播方式為直線傳播，頻率越高，繞射能力越弱，反射能力越強，其在空氣中的傳播速度為340 m/s（20 °C時）。超聲波具有易于定向發射、方向性好、強度好控制、對色彩及光照度不敏感、反射率高等特點。超聲波傳感器電路簡單，性能穩定，適應性強，成本低。

本系統選用集發射和接受為一體的超聲波模塊CKdz-40-38F（同類型模塊市場上很多，性能也多類似），其內部超聲波傳感器諧振頻率為40 kHz。此款超聲波模塊測試距離精確、方便，功耗低，且只占用單片機的2個I/O口。其主要技術參數為：工作電壓4.5～5.0 V；工作電流30 mA（典型），50 mA（最大）；中心諧振頻率：40±2 kHz；測量范圍（探測距離）0.1～2.0 m；測量精度1 cm。

3 農業機械作業深度控制系統的電路設計

1） 本系統電路超聲波信號由單片機AT89S51產生。AT89S51單片機采用12 MHz高精度的晶振，以獲得穩定的時鐘頻率，減小測量誤差。工作時，單片機P1.0端口輸出超聲波測距系統需要的40 kHz的方波信號，該信號經超聲波模塊內信號放大電路放大，驅動超聲波發射器發射超聲波，經耕地反射回來的超聲波被模塊內接收器接收，轉換成電信號，再通過超聲波接收與信號處理電路的檢波放大、積分整形等一系列處理，送至單片機INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變為低電平時就認為超聲波已經返回，單片機自動記錄下超聲波發射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔，據此自動計算出測距系統到耕地的距離，并由單片機控制顯示電路顯示出來，同時輸出深度是否合格的信號傳遞給控制系統，由控制系統執行機具作業深度的調整。超聲波測距工作脈沖時序示意圖如圖3所示。

2） 本系統供電采用拖拉機電瓶經降壓和穩壓后供給單片機電路。供電原理圖如圖4所示。

3） 超聲波是一種聲波，其傳播速度與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為傳播速度是基本不變的。本系統追求測距精度較高，所以增設了溫度傳感器電路對溫度進行檢測，以實現對超聲波的傳播速度進行補償。

DS18B20是一種常用的溫度傳感器，具有體積小、系統簡單、連接方便、抗干擾能力強、精度高、占用口線少等特點。本系統溫度補償電路采用DS18B20溫度傳感器，測量系統工作的環境溫度，用于補償工作環境溫度對超聲波速度的影響，減少環境溫度變化對測試結果的影響，提高測量精度。溫度補償電路圖如圖5所示，單片機通過一個I/O口與DS18B20上拉電阻連接，驅動DS18B20，實現溫度補償。

4） 觸摸屏作為一種計算機輸入設備，具有簡單、方便、堅固耐用、反應速度快、節省空間、易于交流的特點；而且，隨著觸摸屏技術的發展，其產量急劇增加，價格越來越便宜。

本系統是一個開放系統，可廣泛應用于控制中耕施肥、深松、旋耕、犁及開溝等農田作業，在作業過程中需要觀察系統的運行狀態和修改運行參數。采用觸摸屏MT6070iH作為單片機控制設備的鍵盤和顯示裝置，不僅可以直觀、生動地顯示運行參數和運行狀態，而且可以通過觸摸屏畫面直接修改系統運行參數，人機交互性好。本系統以觸摸屏作主機（Master），單片機作從機（Slaver）。MT6070iH觸摸屏支持Modbus通訊協議，觸摸屏與單片機之間采用RS-485標準接口直接連接。將AT89S51單片機的TXD，RXD口設置為異步串行通信模式，經過MAX485芯片將TTL電平轉換為RS485電平，再與MT6070iH觸摸屏RS-485 2W接口相連，即完成了硬件連接。

5） 控制執行系統對接收的單片機輸出的控制信號進行處理，分別控制機具液壓系統執行不同的動作，通過機具的地輪控制作業深度。

深度控制系統主程序是單片機運行程序的主體。整個系統控制的運行是依靠單片機系統軟件的功能來實現的，在實現過程中主程序調用了各個子程序及中斷服務程序。深度控制系統程序結構如圖6所示。

系統工作時，單片機發出的40 kHz脈沖信號經耕層土壤反射后，被接收檢測電路接收，輸出一個寬度為2 ms的下降沿脈沖，啟動單片機中斷程序。在中斷服務程序中，要將進入中斷服務程序處的計數值讀出并保存在RAM中，再對該數據進行處理，計算得到相應的距離值，并轉換為十進制，最后送到P0口顯示輸出。主程序流程如圖7所示。

6 試驗與結論

本系統是以AT89S51單片機為核心的低成本、高精度、小型化、人機界面友好的超聲波傳感器測深控制系統。系統硬件電路和軟件程序設計思路清晰，方案簡單可行。試驗表明，最大控制作業深度為1.2 m，最小控制作業深度為0.1 m，控制作業深度精度為1 cm，能夠較好地滿足農機作業深度自動控制要求。

參考文獻

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