基于C8051F的果树施药控制系统设计

摘要：为了提高果园施药的作业效率和农药使用率，介绍了一种参数可调的施药机构及其控制系统。本系统基于SILICON公司C8051F020和C8051F340单片机作为微处理器，采用主从通讯方式，通过实验室模拟调试和现场调试，实现了对执行机构和喷雾参数的有效控制。
关键词：控制系统；C8051F；执行机构；喷雾参数

    水果种植业是我国农业发展的重要组成部分，果树病虫害防治作业也越来越被重视。当下我国施药水平总体偏低，主要表现在自动化技术落后、作业强度大、农药浪费严重等问题。为了解决这一现象，提高果树施药喷雾效率和农药附着率，文中设计了新型喷雾机构及其控制系统，该机构能够针对不同果树尺寸来调节喷雾距离。作业人员可以远距离操作手持式控制器即可调节喷雾参数(包括每侧喷雾头的开闭、喷雾机构伸缩长度、轴流风机送风转速等)，这在很大程度上降低了劳动强度，提高了施药效果。

1 系统工作原理
    本系统结合了机械和电子技术，由机械部分和控制部分构成。施药喷雾过程中喷雾头与冠层的距离要求适中，而果园内的果树形状尺寸各异，因此应用了电动推杆作为执行元件安装于机械系统中；为了增加喷雾头的射程、提高雾化效果，采用风送式喷雾，将多个喷雾头置于由轴流风机驱动的转叶风扇表面；为了调节风机转速，选用了变频调速器来适应不同冠层密度的果树；为了增加作业效率，机械部分采用
两侧对称的形式，可以同时对两行果树实施作业；为了操作可靠方便，系统中所有的参数值(喷雾头的开闭、机构伸缩长度、轴流风机送风转速、喷雾时间等)都由手持遥控器通过上位机与下位机之间的无线通讯来设定。
    针对上述作业工况和技术要求，设计了施药机构运动简图如图1所示。整个机构固定于拖车尾部底盘上，由机动车牵引该喷雾机构在田间作业，而果树位于每侧喷雾架之中。

    在图1中，机构左右两侧空间上完全对称，每侧各有3个移动副和1个转动副。单侧安装有4个轴流风机和雾化盘，安装位置分别位于5、6、7、8处，每个雾化盘上设置有若干个喷雾头，机车行进时打开喷雾头和轴流风机即可实现立体喷雾。针对不同树高，可以通过调节移动副1配合移动副3来保持喷雾头与树冠的距离；而调节移动副2则可以在宽度方向调节喷雾架跨度。转动副4能够实现每侧机构绕其内侧竖直轴转动，当系统停止工作时通过转动副4收起喷雾架，来减小机器的空间尺寸。移动副通过仿形电动执行器来实现。执行器实为一步进电机驱动的丝杆螺母机构，电机旋转运动转变为推杆的轴向运动。控制步进电机的正反转和运行步数即可调节执行器的伸缩量。

2 控制系统硬件设计
    根据喷雾作业要求，电控系统需要具备以下功能：驱动电动执行器内步进电机的正反转，并且推杆能够按照设定值执行伸缩；驱动液流电磁阀的通断；通过操作变频器调节轴流风机的送风速度；可以设定喷雾时间；能够采用无线通讯方式通过手柄按键远程作业，包括与变频器的通讯。分析上述控制对象，拟定控制方法，并设计实用的人机界面，得出如图2所示的控制系统硬件结构图。

2．1 微处理器
    考虑到控制对象较多、控制精度、和经济性等因素，微处理器选用新华龙公司C8051F340与具有64个I／O端口的C8051F020单片机分别作为上位机(手持控制器)和下位机(驱动执行元件)控制芯片。C8051F340用于驱动液晶显示屏、扫描按键以及与下位机收发数据来执行相关操作。C8051F020主要任务是在接收到上位机数据后驱动电磁阀、步进电机、变频器等执行元件，同时检测电动执行器的行程开关是否到达零位。
    C8051F340器件使用Silicon Labs的专利CIP-51微控制器内核。该内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器／时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、4352字节的内部RAM、128字节特殊功能寄存器地址空间和40个I／O引脚。C8051F0 20器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I／O引脚；高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核；64 k字节可在系统编程的FLASH存储器；硬件实现的SPI、SMBus／I2C和两个UART串行接口；片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等。
2．2 人机界面设计
    人机界面作为作业人员与控制系统的对话途径，显得尤为重要。本设计将液晶显示屏与按键安装于手持的控制盒内，操作方便灵活，参数能够任意设定。液晶显示主菜单和手动工作菜单内容如图3、图4所示。界面采用菜单按键式，层层进入，进而设定控制对象的相关参数。开机上电后，显示如图3所示的主菜单，内容有手动工作、自动工作和停止工作。用户选择手动工作按键确认后，即可进入如图4所示菜单，显示有仿形架伸缩量、风机启停与转速、喷雾头开关等；若对这些参数进行设定，只需选择相应菜单按确认键进入下一层菜单然后通过按键输入设定参数值即可。

3 系统的软件实现
3．1 变频器通讯
    喷雾系统中的送风方式是使用由变频器控制的轴流风机，每个电机的功率为370 W。左右两侧完全对称的结构都装有4个电机，每侧电机由一个变频器驱动。为了满足要求，本文选用型号为VFD022M21A的台达三相变频器，功率为2．2 kW。该变频器具有高功能、超低噪音和迷你型特点，体积很小，两个方便安装于控制箱内，外形美观。
    变频器内置RS-485串联通讯界面，通过RS-485通讯方式与单片机交换数据。该变频器使用MODBUS通讯协议的RTU模式来进行数据传输。在变频器面板上P92中输入“03”，将变频器设置为Modbus RTU模式，数据格式为<8，N，2>，指的是该字符结构包括8个数据位，1个开始位和2个停止位，共11个字符框，如图5所示。

    喷雾风送强度的调节过程就是通过向变频器寄存器连续写入多个数据，来对其有效控制，例如向右侧喷雾头的变频器(地址为01H)连续写入多个数据的命令码为10H，其命令信息如表1所示。

3．2 电动执行器驱动程序设计
    控制电动执行器实质上就是控制其内部的步进电机的运转，控制目标就是要根据作业人员的需要使得步进电机的正反转及其转动的步数。
    下位机接收到上位机发送的数据后，则判断要执行的任务种类。如果是电机运行任务，继续分析接收到的数据，提取电机正反转及其转动步数信息。若要求电机电机反方向转动就要通过单片机控制引脚高低电平设定为反向转动。获得步数数据后实施变频率的分别驱动电机加速、匀速、减速运行。例如要求推杆向前伸长量为L，计算出电机运转步数为N，加速步数为N0，减速步数为N1，匀速步数为(N-N0-N1)步。执行器驱动子程序流程图如图6所示。

3．3 上位机软件设计
    系统软件程序模块主要有液晶显示模块、矩阵按键扫描模块数据收发模块、数据存储模块等。开机后，C8051F340先进行系统初始化操作，设定系统的工作条件，包括单片机引脚端口、系统时钟、中断入口和串行接口等。进入主程序后，设置串口中断寄存器和定时器中断寄存器，打开中断开关；对于液晶显示屏，首先要输入清屏指令，然后默认显示主菜单；此时需要进入数据存储模块，执行读上次存入FLASH中的数据，然后通过485通讯方式发送至C8051F020；扫描矩阵按键，判断需要进入的菜单序号，显示子菜单。进入每一层菜单后继续扫描按键来进行在此页面下的显示变化，包括开关显示、风机转速显示和电动执行器伸出量显示等。程序流程图如图7所示。

4 实验结果
    文中主要设计了针对果树不同形状实施自动喷雾的操作控制系统，该系统能够使得施药作业人员方便有效地远程控制喷雾参数，并采用了装有液晶显示屏和按键的面板式手持控制器，人机界面较为和谐，如图8、图9所示。

5 结论
    经过在实验室内对通讯模块、电机驱动模块、按键扫描模块的模拟调试后，控制系统在软件上可以有效控制了变频器、电动推杆以及电磁阀等执行元件。针对现场调试中存在变频器对通讯干扰的问题，采取了增加电源滤波器、远离干扰源等手段，使得控制器能够可靠地工作。试验表明，本施药系统大大提高了工作效率，减小了作业强度。