蔬菜大棚運輸系統設計

孔繁庭 鄭朵朵

(蘭州文理學院傳媒工程學院，甘肅 蘭州 730010)

引言

我國是人口大國，也是農業大國，農業的發展問題一直深受人們的關注，農業對整個國家甚至整個民族的發展都是特別重要的。尤其近幾年，我國一再強調農業發展的科技性。農業發展得好，不僅能夠增強農戶的收入，同時也能夠保障國家的糧食安全。在人們不斷追求健康的時代，蔬菜供不應求。由于溫室大棚的結構特別簡單，建造也比較容易，其可以避免惡劣天氣對農作物的影響，而且建造溫室大棚可以營造農作物所需要的環境，可以使得農作物種植的時間不受限制，因此，溫室大棚的應用成為人們所需要的，也逐漸發展成為農民主要的經濟來源，其溫室大棚的產品效益直接影響到農民生活水平的提高，但是在實際的溫室大棚中還存在很多的問題，最主要的問題便是農作物的運輸，現在的溫室大棚長寬分別都在100m和10m以上，隨著蔬菜大棚的規模越來越大，對于蔬菜大棚的運輸也提出了新的要求。傳統的蔬菜大棚規模小，自采自用，對于運輸的要求比較低。但是目前，搭建蔬菜大棚不僅僅是為了滿足自家需求，更多的去向是市場輸送。運輸量很大，傳統的運輸費時費力，不夠便捷。

有些雖然采用小型運輸車，但其運輸車都是人工推運，不夠智能，且容易對工人造成傷害。所以，設計1套智能的蔬菜大棚運輸系統非常有必要。本研究主要是設計1款基于單片機STC89C52芯片[1-3]、藍牙控制、直流電機[4,5]等控制原理，控制在蔬菜大棚軌道上可遙控的智能運輸車。利用手機APP操控運輸車，使其能夠智能化的運輸蔬菜，以此來節省人力物力，高效運輸蔬菜。

1 蔬菜大棚運輸系統方案設計

1.1 總體方案設計

總體方案主要由電源、燈光控制模塊、藍牙控制模塊、直流電機、STC89C52芯片組成。電源、燈光控制模塊、藍牙控制模塊、直流電機都作用在STC89C52芯片上使其運行。總體設計方案如圖1所示。

1.2 設計所需要實現的功能

在軌道上放小車，利用手機藍牙智能控制小車，使其能夠實現前進，倒車，加速減速等功能；為其加入燈光控制模塊，使工作不受時間限制；為其加入喇叭控制模塊。

2 硬件設計

2.1 總體硬件電路設計

總硬件部分設計的電路由復位控制電路、晶振控制電路、MCU外圍控制電路和L298N對電機的驅動控制電路以及大燈和喇叭的自動控制電路等幾個部分組成。復位集成電路、晶振電路和MCU外圍電路又構成最小51系統電路。整體硬件電路如圖2所示。

2.2 MCU外圍電路

MCU外圍電路是在原來設計STC89C52RC核心板的基礎上制作一塊帶有按鍵，顯示接口和AD9805模塊的接口的底板。MCU作為集成控制系統的主要組成部分，負責采集和處理數據，以及所有的邏輯運算和最終控制的實現。MCU的外圍電路所使用的是一種模塊化的設計理念，就是可以將其中的部分劃分為不同類型的模塊，把比較好的部件作為一個單獨的電路板。MCU外圍電路如圖3所示。

2.3 復位電路

復位控制電路可以確定STC89C52的開始運行狀態，并且在整個運行過程中，可以有效確保微機系統中的各個電路能夠穩定、可靠的正常工作。上電復位就是該復位電路第1個重要功能。復位電路如圖4所示。

2.4 晶振電路

晶振電路的作用是為電路提供一個參考頻率。晶振電路如圖5所示。

2.5 電源電路

給單片機供電的就是1個電源控制器。電源電路如圖6所示。

2.6 硬件電路所需要的各個模塊

2.6.1 燈控制模塊

為了使其工作不受時間限制，給其增加了燈光控制，如圖7所示。

2.6.2 喇叭控制模塊

給其增添了新的功能，喇叭。通過蜂鳴器傳遞一些信息。晶體管電路激發膜片振動產生音響。如圖8所示。

2.6.3 藍牙控制的顯示模塊

JDY-31是1種基于藍牙3.0 SPP接口設計，可以支持Windows、Linux、Android數據透傳，有著2.4GHz的最大數據發射工作功率頻段，調制工作方式主要采用GFSK高斯頻移鍵控調制，最大的發射功率是8dB，最大的數據接收到整個發射器的距離也不過30m，用戶隨時都可以不通過AT等命令來進行數據的修改，波特率等多種指令，方便迅速使用靈便。JDY-31為1種非常經典的免費藍牙無線網絡協議，可以和所有已經支持無線藍牙的智能手機設備進行無線連接。可廣泛應用于Windows等電腦專用藍牙無線串口視頻透傳、Android等無線藍牙串口視頻透傳、智能家居藍牙監視和自動控制、汽車等藍牙檢測電子裝置、藍牙電子玩具、共享無線移動通話電源、大家都可以使用的體重秤、醫生所用的儀器設備等。

小車通過藍牙連接到手機，在手機里安裝一個APP，可以通過APP對小車進行遙控。如圖9所示。

2.6.4 藍牙SPP串口透傳模塊引腳圖

藍牙SPP串口透傳模塊引腳圖如圖10所示。

其功能引腳說明如下。STATE：連接狀態引腳(未連接低電平，連接后高電平)；RXD：串口輸入引腳(TTL電平)；TXD：串口輸出引腳(TTL電平)；GND：電源地；VCC：電源(支持3.6～6V)；EN：空。

3 各個元器件的選擇

3.1 單片機的芯片選擇

為確保設計的軌道運輸小車的資金不會過高，超出預算，所以，單片機的芯片選擇STC89C52RC。

3.2 STC89C52RC芯片

STC89C52RC是1種只讀存儲器，帶有8K字節，可編程，可擦除。電壓不是很高，但其性能特別好，擁有8位微處理器，還可以稱其為單片機。其運算功能特別厲害，可以靈活地對其進行軟件編程，靈巧的軟件編程可以實現多種多樣的算法和一些邏輯控制，功率的損耗不是很大、體積也比較小、技術成熟和成本廉價等諸多優點，使其在各個領域內都能得到廣泛應用。

STC89C52RC與MCS-51兼容，數據傳輸時間能夠長期連續保存很久，全方位動態可連續工作，其最大數據工作頻率的鎖定范圍一般是0Hz～40MHz；外部程序中的存儲器一般可以進行鎖定并分為3級，工作電壓的鎖定值一般是5.5～3.3V；內部RAM共有128×8位，可以進行編程使其I/O線路的長度一般為32；16位的中斷計數器/中斷定時器一共3個，中斷源一共有5個，閑置和自動掉電的工作模式都可以是較低的總功耗，還有片內信號振蕩器和片內時鐘自動控制電路。

TC89C52RC的穩態邏輯相當好，其中的靜態掉電邏輯不僅可以允許其在零設定頻率的掉電情況下同時運行，而且還可以同時允許支持2個處理軟件之間各自建立可進行選擇的動態掉電響應模型。而在一個非常閑置的工作模式下，CPU都是自動暫時停止正常運行工作的。但是RAM、定時器、計數器、串口及網絡中斷等硬件系統還是無法繼續正常工作。在一個實時掉電控制模式下，可以將RAM的掉電內容數據進行實時保存并且同時鎖定一個電源振蕩器，阻攔所用其他電源芯片的掉電功能，直到其掉電模式排除為止。如圖11所示。

其引腳說明如下。VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：8位雙向I/0口，作為輸出端口；P1口：在編程和校驗時，P1口作為第8位地址接收端口；P2口：在編程和校驗時接收高8位地址信號和控制信號；P3口：可作為特殊功能口。

P3.0/RXD(串行輸入口)；P3.1/TXD(串行輸出口)；P3.2/INT0(外部中斷0)；P3.3/INT1(外部中斷1)；P3.4/T0(記時器0外部輸入)；P3.5/T1(記時器1外部輸入)；P3.6/WR(外部數據存儲器的寫選通)；P3.7/RD(外部數據存儲器的讀選通)；RST：復位輸入。其可以保持RST腳2個機器周期的高電平時間。

3.3 電機的選擇

由于直流電機[3]的起動能力很強，調速[5]性能也很好，有較強的過載能力，電磁干擾對直流電機的影響也很小，有著較大的旋轉矩，而且維修成本和價格也相對更加便宜，直流發電機的交換功率相比于交流來說更加環保。和步進電機相比，直流電機驅動力也可以說是很強的，電源利用率也很好，故電機選用直流電機。

直流驅動電機主要用途是一種指將直流驅動電能直接轉化為直流機械驅動功率或者將直流機械驅動功率直接轉化為直流驅動電能，直流驅動電機又被稱之為高速旋轉直流電機。其電機是一種能夠直接進行直流機械輸出的傳動電能與交流機械傳動功率相互作用轉化的直流電動機。當其被使用當作風力電動機在正常高速運行的正常情況下，其本身就是直流電力發動機，可將所有的直流電能轉換為直流機械驅動功率，其被工作風力發電機在正常高速運行時，是由于直流機械驅動的風力發電機，可以把所有的機械驅動力都轉換成機械電能。

控制1個直流電機的正負轉矩就能夠實現運輸車的向前推移和后退等功能，采用了L298N直流電機驅動器芯片。前進時5腳為1個持續的高電平，7腳為低電平；在后退過程中5腳是1個低電平，7腳是1個高電平。另外，再次通過改變方波的評率和高低電平就可以實現直流發電機運行速度的控制。直流電機L298n驅動電路如12所示。

4 軟件程序設計

程序就是一組能識別和執行的指令，每一條指令都會使計算機執行指定的操作。程序設計先有一個整體的構思，確定其任務和想要實現的結果，畫出程序框圖，寫出程序的過程，并對程序所出現的問題進行修改，使得最終程序正確運行。

在單片機應用程序中，最普遍也是最容易的一種典型框架就是前后臺系統，這種框架通常是由主函數的大循環和一個或幾個中斷服務程序組成。除了前后臺系統，還有一個設計思路，是通過設置一個全局變量global，改變global的值從而使單片機工作在不同的狀態以應對不同的需求，這其實也是前后臺系統的一個改進版，一個變量上可以匯聚不同的中斷觸發情況，方便后臺系統在各個狀態之間切換。除了這2種設計思路外，還可以選擇在嵌入式操作系統中處理一些更加復雜的任務。軟件設計流程圖如圖13所示。

5 系統的組裝與調試

系統的調試過程主要分模塊調試和系統統調。

其中系統的模塊調試在各模塊的設計過程中完成，基本上按照“設計—調試—修改”的過程反復進行直到能達到設計要求。

系統軟件的調試在系統統調中占據很大的比重。在軟件的設計過程中使用了C語言，Keli軟件，用這些來代替單片機能夠及時看到程序運行的結果。

寫好所需要的程序，進行測試，測試就是發現程序中的錯誤，發現錯誤之后，就要對其進行調試，調試分為2步：確定其錯誤的位置并將其修改。

軟件的自動調試使用方法主要包括諸如暴力分析法自動調試、歸納法自動調試、演繹分析法自動調試、回歸分朔法自動調試、測試法自動調試等多種新的調試使用方法。其中暴力法調試糜費腦力，效率不高，在軟件調試中盡量不使用。回朔法調試一般適用于小型程序。歸納法調試是統攬全局，不錯過任何一個細節。將這些數據聯系起來，就可以歸納得出結果。其具體步驟：鎖定出現錯誤的位置，將這些錯誤的信息聯系起來，總結出其有用的信息，并對這些有用的數據進行分析且作出合理的假設，再證明假設是否成立，若假設成立，則解決問題就可以。演繹法和歸納法的邏輯相反，測試調試可以結合歸納法和演繹法一起使用。

APP就是電腦用C++編輯器編寫代碼后，再打包運行。給運輸車插上電，打開手機藍牙，運輸車的藍牙和手機藍牙配對成功，開始在手機上點擊前進、后退、左轉、右轉、加速、減速等按鍵測試性能。

6 結論

通過對智能大棚運輸車取代傳統運輸車以及改善傳統的運輸方式的應用研究，從總體框架、設計所需要實現的基本功能、硬件電路、軟件程序設計等方面都證實了本研究可以實現智能運輸車功能的結論，利用手機APP就能夠使得該運輸小車可停可運，可加速、減速、倒車行駛。