基于C8051F的果樹施藥控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了提高果園施藥的作業(yè)效率和農(nóng)藥使用率，介紹了一種參數(shù)可調(diào)的施藥機構(gòu)及其控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于SILICON公司C8051F020和C8051F340單片機作為微處理器，采用主從通訊方式，通過實驗室模擬調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試，實現(xiàn)了對執(zhí)行機構(gòu)和噴霧參數(shù)的有效控制。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；C8051F；執(zhí)行機構(gòu)；噴霧參數(shù)

    水果種植業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，果樹病蟲害防治作業(yè)也越來越被重視。當下我國施藥水平總體偏低，主要表現(xiàn)在自動化技術(shù)落后、作業(yè)強度大、農(nóng)藥浪費嚴重等問題。為了解決這一現(xiàn)象，提高果樹施藥噴霧效率和農(nóng)藥附著率，文中設(shè)計了新型噴霧機構(gòu)及其控制系統(tǒng)，該機構(gòu)能夠針對不同果樹尺寸來調(diào)節(jié)噴霧距離。作業(yè)人員可以遠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)噴霧頭的開閉、噴霧機構(gòu)伸縮長度、軸流風機送風轉(zhuǎn)速等)，這在很大程度上降低了勞動強度，提高了施藥效果。

1 系統(tǒng)工作原理
    本系統(tǒng)結(jié)合了機械和電子技術(shù)，由機械部分和控制部分構(gòu)成。施藥噴霧過程中噴霧頭與冠層的距離要求適中，而果園內(nèi)的果樹形狀尺寸各異，因此應(yīng)用了電動推桿作為執(zhí)行元件安裝于機械系統(tǒng)中；為了增加噴霧頭的射程、提高霧化效果，采用風送式噴霧，將多個噴霧頭置于由軸流風機驅(qū)動的轉(zhuǎn)葉風扇表面；為了調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，選用了變頻調(diào)速器來適應(yīng)不同冠層密度的果樹；為了增加作業(yè)效率，機械部分采用
兩側(cè)對稱的形式，可以同時對兩行果樹實施作業(yè)；為了操作可靠方便，系統(tǒng)中所有的參數(shù)值(噴霧頭的開閉、機構(gòu)伸縮長度、軸流風機送風轉(zhuǎn)速、噴霧時間等)都由手持遙控器通過上位機與下位機之間的無線通訊來設(shè)定。
    針對上述作業(yè)工況和技術(shù)要求，設(shè)計了施藥機構(gòu)運動簡圖如圖1所示。整個機構(gòu)固定于拖車尾部底盤上，由機動車牽引該噴霧機構(gòu)在田間作業(yè)，而果樹位于每側(cè)噴霧架之中。

    在圖1中，機構(gòu)左右兩側(cè)空間上完全對稱，每側(cè)各有3個移動副和1個轉(zhuǎn)動副。單側(cè)安裝有4個軸流風機和霧化盤，安裝位置分別位于5、6、7、8處，每個霧化盤上設(shè)置有若干個噴霧頭，機車行進時打開噴霧頭和軸流風機即可實現(xiàn)立體噴霧。針對不同樹高，可以通過調(diào)節(jié)移動副1配合移動副3來保持噴霧頭與樹冠的距離；而調(diào)節(jié)移動副2則可以在寬度方向調(diào)節(jié)噴霧架跨度。轉(zhuǎn)動副4能夠?qū)崿F(xiàn)每側(cè)機構(gòu)繞其內(nèi)側(cè)豎直軸轉(zhuǎn)動，當系統(tǒng)停止工作時通過轉(zhuǎn)動副4收起噴霧架，來減小機器的空間尺寸。移動副通過仿形電動執(zhí)行器來實現(xiàn)。執(zhí)行器實為一步進電機驅(qū)動的絲桿螺母機構(gòu)，電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的軸向運動?？刂撇竭M電機的正反轉(zhuǎn)和運行步數(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
    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)動電動執(zhí)行器內(nèi)步進電機的正反轉(zhuǎn)，并且推桿能夠按照設(shè)定值執(zhí)行伸縮；驅(qū)動液流電磁閥的通斷；通過操作變頻器調(diào)節(jié)軸流風機的送風速度；可以設(shè)定噴霧時間；能夠采用無線通訊方式通過手柄按鍵遠程作業(yè)，包括與變頻器的通訊。分析上述控制對象，擬定控制方法，并設(shè)計實用的人機界面，得出如圖2所示的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

2．1 微處理器
    考慮到控制對象較多、控制精度、和經(jīng)濟性等因素，微處理器選用新華龍公司C8051F340與具有64個I／O端口的C8051F020單片機分別作為上位機(手持控制器)和下位機(驅(qū)動執(zhí)行元件)控制芯片。C8051F340用于驅(qū)動液晶顯示屏、掃描按鍵以及與下位機收發(fā)數(shù)據(jù)來執(zhí)行相關(guān)操作。C8051F020主要任務(wù)是在接收到上位機數(shù)據(jù)后驅(qū)動電磁閥、步進電機、變頻器等執(zhí)行元件，同時檢測電動執(zhí)行器的行程開關(guān)是否到達零位。
    C8051F340器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。該內(nèi)核具有標準8052的所有外設(shè)部件，包括4個16位計數(shù)器／時器、兩個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、4352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I／O引腳。C8051F0 20器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(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存儲器；硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus／I2C和兩個UART串行接口；片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等。
2．2 人機界面設(shè)計
    人機界面作為作業(yè)人員與控制系統(tǒng)的對話途徑，顯得尤為重要。本設(shè)計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，層層進入，進而設(shè)定控制對象的相關(guān)參數(shù)。開機上電后，顯示如圖3所示的主菜單，內(nèi)容有手動工作、自動工作和停止工作。用戶選擇手動工作按鍵確認后，即可進入如圖4所示菜單，顯示有仿形架伸縮量、風機啟停與轉(zhuǎn)速、噴霧頭開關(guān)等；若對這些參數(shù)進行設(shè)定，只需選擇相應(yīng)菜單按確認鍵進入下一層菜單然后通過按鍵輸入設(shè)定參數(shù)值即可。

3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
3．1 變頻器通訊
    噴霧系統(tǒng)中的送風方式是使用由變頻器控制的軸流風機，每個電機的功率為370 W。左右兩側(cè)完全對稱的結(jié)構(gòu)都裝有4個電機，每側(cè)電機由一個變頻器驅(qū)動。為了滿足要求，本文選用型號為VFD022M21A的臺達三相變頻器，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，體積很小，兩個方便安裝于控制箱內(nèi)，外形美觀。
    變頻器內(nèi)置RS-485串聯(lián)通訊界面，通過RS-485通訊方式與單片機交換數(shù)據(jù)。該變頻器使用MODBUS通訊協(xié)議的RTU模式來進行數(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個數(shù)據(jù)位，1個開始位和2個停止位，共11個字符框，如圖5所示。

    噴霧風送強度的調(diào)節(jié)過程就是通過向變頻器寄存器連續(xù)寫入多個數(shù)據(jù)，來對其有效控制，例如向右側(cè)噴霧頭的變頻器(地址為01H)連續(xù)寫入多個數(shù)據(jù)的命令碼為10H，其命令信息如表1所示。

3．2 電動執(zhí)行器驅(qū)動程序設(shè)計
    控制電動執(zhí)行器實質(zhì)上就是控制其內(nèi)部的步進電機的運轉(zhuǎn)，控制目標就是要根據(jù)作業(yè)人員的需要使得步進電機的正反轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)動的步數(shù)。
    下位機接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)后，則判斷要執(zhí)行的任務(wù)種類。如果是電機運行任務(wù)，繼續(xù)分析接收到的數(shù)據(jù)，提取電機正反轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)動步數(shù)信息。若要求電機電機反方向轉(zhuǎn)動就要通過單片機控制引腳高低電平設(shè)定為反向轉(zhuǎn)動。獲得步數(shù)數(shù)據(jù)后實施變頻率的分別驅(qū)動電機加速、勻速、減速運行。例如要求推桿向前伸長量為L，計算出電機運轉(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)動子程序流程圖如圖6所示。

3．3 上位機軟件設(shè)計
    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)存儲模塊等。開機后，C8051F340先進行系統(tǒng)初始化操作，設(shè)定系統(tǒng)的工作條件，包括單片機引腳端口、系統(tǒng)時鐘、中斷入口和串行接口等。進入主程序后，設(shè)置串口中斷寄存器和定時器中斷寄存器，打開中斷開關(guān)；對于液晶顯示屏，首先要輸入清屏指令，然后默認顯示主菜單；此時需要進入數(shù)據(jù)存儲模塊，執(zhí)行讀上次存入FLASH中的數(shù)據(jù)，然后通過485通訊方式發(fā)送至C8051F020；掃描矩陣按鍵，判斷需要進入的菜單序號，顯示子菜單。進入每一層菜單后繼續(xù)掃描按鍵來進行在此頁面下的顯示變化，包括開關(guān)顯示、風機轉(zhuǎn)速顯示和電動執(zhí)行器伸出量顯示等。程序流程圖如圖7所示。

4 實驗結(jié)果
    文中主要設(shè)計了針對果樹不同形狀實施自動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，人機界面較為和諧，如圖8、圖9所示。

5 結(jié)論
    經(jīng)過在實驗室內(nèi)對通訊模塊、電機驅(qū)動模塊、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、電動推桿以及電磁閥等執(zhí)行元件。針對現(xiàn)場調(diào)試中存在變頻器對通訊干擾的問題，采取了增加電源濾波器、遠離干擾源等手段，使得控制器能夠可靠地工作。試驗表明，本施藥系統(tǒng)大大提高了工作效率，減小了作業(yè)強度。