基于MCU秸稈還田自動控制系統的開發與應用

耿悅桐，王若鳴

(長春工程學院電氣與信息工程學院,吉林 長春 130012)

0 引言

目前大部分土地已經可以進行現代化耕作，但仍有許多個體農戶的土地并不平整，農作物收獲完之后土地里剩下的秸稈難以處理，不僅在人下地時可能刮傷人的腳，而且由于難以降解，也讓下一季的播種變得困難[1]。我們設計的秸稈還田自動控制系統可以將秸稈從地下連根鏟起，并投入后面的粉碎機中，進行粉碎后拋散在田地里?？梢赃_到有效利用秸稈資源以及解決農民焚燒秸稈造成的環境污染以及火災隱患，意義重大。我們結合AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，STC89C52RC單片機，設計了此基于MCU秸稈還田自動控制系統的秸稈還田機器?；谝簤合到y的穩定性，本設備最初使用液壓裝置來控制犁架升降，但由于液壓反應速度太慢，所以放棄此方案，選用扭矩大的直流推桿電機來做[2]。電機本身的優越性決定了其響應速度足夠快，可以跟上農機前進的速度，使犁架的高度變化足夠及時。超聲波測距原理與雷達測距原理相似。利用超聲波發射器向地面發射超聲波,與此同時，開始計時。超聲波在空氣中傳播,其接收器一旦接收到遇到障礙返回來的超聲波就會停止計時。我們利用所計的時間，結合超聲波在空氣中的傳播速度340m/s就能計算出超聲波探頭距離地面的距離[3]。但其用的是HC-SR04超聲波測距模塊?？紤]到農機工作可能出現的惡劣天氣情況，我們選用了AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，此模塊具有防水的功能，更大程度地保證農機工作的穩定性，并且其兼容普通超聲波測距模塊HC-SR04。故操作方式與我們熟悉的HC-SR04完全相同。通過AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，我們實現了測得的距離數據的數據傳送。

1 整體設計方案

將超聲波測距探頭安置在農機前方，距離地面40 cm，且與犁架聯動。由于AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊量程為20 cm～800 cm，所以模塊放置的位置不能太低。撥草膠皮安置在農機前下方，以防止雜草干擾。AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊安裝在農機前方，將測得的距離數據傳送給后方接收的MCU，單片機IO口輸出相應高低電平以控制電機驅動器進而控制犁架升降。測得的高度數據還會實時顯示在LCD1602上，方便農戶觀察。鏟起來的秸稈被倒入粉碎機，粉碎機將秸稈打碎，拋散在田地中，被打碎的秸稈易于降解，給下一季的農作物提供養料，利于下一季的耕種。系統整體框圖見圖1。

圖1 系統整體框圖

2 控制系統的構成

2.1 高度檢測裝置

我們將AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊探頭安置在農機的前方距離地面40cm處，便于探測高度數據。AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊比普通超聲波模塊HC-SR04多了防水的功能，但其對后者完全兼容，便于我們操作。在此情況下，我們選擇了功能更加強大，穩定性更加良好的AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，這樣可以保證農戶在雨天不受天氣影響，繼續作業。同時，我們在農機前下方安裝了撥草的膠皮，結構類似于船的頭部?？梢栽谔筋^檢測距離前先將草撥開，避免了雜草對測量造成的影響。超聲波測距模塊將測得的高度數據傳給MCU。高度檢測框圖見圖2。

圖2高度檢測框圖

2.2 控制裝置

控制裝置由單片機、電機驅動器、LCD1602顯示屏構成。24V農機自帶電源給電機驅動器供電，電機驅動器同時還能給單片機供5V電。高度檢測裝置將收到的高度數據傳給單片機，單片機判斷高度所在區間，IO口輸出相應的電平以控制電機驅動器。同時將高度值顯示在LCD1602上，方便農戶觀察。電機驅動器可以控制直流推桿電機的伸縮?？刂蒲b置框圖見圖3。

圖3 控制裝置框圖

2.3 從動裝置

此裝置由直流推桿電機，犁架構成。通過電機驅動器控制直流推桿電機的升降，通過直流推桿電機的升降使犁架升降，將秸稈鏟出，倒入粉碎機中，粉碎機將秸稈打碎并拋散在大地中，完成作業任務。從動裝置框圖見圖4。

圖4從動裝置框圖

2.4 程序設計

本操作系統使用STC89C52RC單片機，程序主要包含兩部分，一是LCD1602顯示部分，主要將探頭測得的高度數據在LCD1602液晶顯示器上顯示，方便直接觀察；二是高度判斷部分，主要將測得的高度數據進行判斷，輸出相應的高低電平，以控制電機驅動器進而控制電機。程序設計框圖見圖5。

圖5 程序框圖

3 系統運行

在農機前進時，膠皮將雜草撥開，避免雜草的高度影響測量的高度值，之后農機前進，AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊發出超聲波，測量高度，并將測得的高度值傳給單片機，單片機設置的LCD1602將實際高度值顯示在屏上，方便農戶觀察，與此同時，通過單片機內部程序，將接收到的數據進行處理，判斷高度是否高于41 cm，若高，則在單片機的P1^0口輸出高電平，后在單片機的P1^1口輸出低電平，使電機正轉。單片機IO口的高低電平變化可以控制電機驅動器，進而控制直流推桿電機，改變犁架的高度，使犁架的對地高度保持恒定。與此同時，LCD1602在顯示屏上顯示模塊實際距地高度，從而達到操作目的，若高度低于39cm，則在單片機的P1^0口輸出低電平，后在單片機的P1^1口輸出高電平，使電機反轉。若高度在39 cm～41 cm，則兩個IO口同時輸出低電平,使電機剎車。因犁架與超聲波探頭聯動，故超聲波探頭也可以跟隨犁架及時改變位置，達到操作目的。此外，電機驅動器的控制PWM端一直給高電平，故無論電機正反轉，都是全速運行的。

4 實驗結論

經過與黑龍江省百耕農業科技有限公司合作，本犁地操作系統在哈爾濱經開區哈南工業新城江南中環路、南城一路西南側的農田里進行了實驗，實驗結果良好，粉碎長度合格率>=85%?？刂蒲b置具體結構見圖6。實驗農機機械裝置見圖7。

圖6 控制裝置具體結構 圖7 實驗農機機械裝置圖

4 結論

本犁地系統操作簡單，易于農戶操作;將傳統農機與現代化模塊相結合，AJ-SR04M一體化超聲波測距模塊，具有防水功能，使得在下雨等惡劣天氣下，仍能正常工作，抗干擾能力強;經過實驗驗證和現場測試，達到了預期效果，本技術可以廣泛應用于農田中，方便農戶耕作。不僅如此，與本文相關的專利《一種智能控制秸稈還田犁》(專利申請號：201911097596.0)已于2020年2月8日公布。相信不久之后，就會投入生產，真正為農戶的耕種作業奉獻一份綿薄之力。