一種基于NEC單片機(jī)的田間超聲波測距方案設(shè)計(jì)

摘要：為了方便農(nóng)機(jī)手能夠迅速、準(zhǔn)確地知道機(jī)具作業(yè)的深度，提出一種基于NEC單片機(jī)的田間超聲波測距方法，設(shè)計(jì)非剛性接觸地面仿形裝置和電子控制系統(tǒng)，利用超聲波測距傳感器和NEC單片機(jī)，通過NEC專用軟件開發(fā)工具Applilet自動(dòng)生成代碼，在PM+集成環(huán)境平中建立目標(biāo)源文件，最后將程序經(jīng)燒寫器燒入到單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，駕駛員通過觀察LCD顯示的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，LED狀態(tài)指示燈，或根據(jù)蜂鳴器報(bào)警等情況及時(shí)監(jiān)測和調(diào)整機(jī)具作業(yè)深度，本研究為研制智能化裝備提供了開發(fā)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：NEC單片機(jī);超聲波傳感器;測距;Applilet

在田間旋耕、收獲、播種時(shí)，經(jīng)常需要控制機(jī)具的作業(yè)深度，現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備多無機(jī)具作業(yè)深度監(jiān)測設(shè)備，既費(fèi)力又影響田間耕作效果。我國在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備處于起步階段，以東方紅X-804拖拉機(jī)為研究對象，開發(fā)了電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和作業(yè)機(jī)具升降控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向操縱控制和作業(yè)機(jī)具自動(dòng)升降控制，但整套設(shè)備價(jià)格昂貴，推廣尚需時(shí)日。本文提出了基于NEC單片機(jī)的田間超聲波測距方法，設(shè)計(jì)了一種地面仿形裝置，利用超聲波測距傳感器和NEC單片機(jī)，將機(jī)具作業(yè)深度通過液晶屏顯示出來。該方法在降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高勞動(dòng)效率，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 超聲波傳感器發(fā)射地面試驗(yàn)

由超聲波傳播理論可知，聲波在傳播過程中如果遇到直徑小于超聲波半個(gè)波長的障礙時(shí)，其聲波會(huì)繞過障礙物而繼續(xù)傳播，即產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，選取花盆上方同一水平面3行3列的9點(diǎn)測量。如圖1所示，用超聲波測量距書桌高度，圖2為利用超聲波傳感器模擬測量地面的一組數(shù)據(jù)，在其傳播路徑中放有花盤時(shí)，超聲波未發(fā)生繞射，原因是由于收獲植物莖葉直徑較大時(shí)，發(fā)射的超聲波還未到達(dá)地面就發(fā)生了反射，影響測量結(jié)果。為解決此問題設(shè)計(jì)了一種非剛性接觸地面仿形裝置。

2 非剛性接觸仿形裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

仿形裝置由地輪，導(dǎo)向管a，導(dǎo)向管b，焊接板，壓簧，長螺桿，測量基準(zhǔn)板等組成。壓簧嵌套在長螺桿上，并始終運(yùn)動(dòng)于兩導(dǎo)向管之間，導(dǎo)向管b隨著地面的起伏在導(dǎo)向管a內(nèi)上下滑動(dòng)，活動(dòng)距離為335 cm，導(dǎo)向管a和導(dǎo)向管b之間連接有六角頭螺栓，限制了導(dǎo)向管b繞長螺桿軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)的的自由度，更好的起到了導(dǎo)向作用。超聲波傳感器安裝在超聲波測量基準(zhǔn)板上方，測量超聲波傳感器距離測量基準(zhǔn)板的距離可以得到機(jī)具作業(yè)深度的變化。

2.2 地輪滾動(dòng)模型動(dòng)力分析

根據(jù)車輪在平坦地面的運(yùn)動(dòng)、受力和只滾不滑的條件可以列出以下方程：

3 電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件

超聲波測距系統(tǒng)主要由硬件和軟件2部分組成。硬件部分主要由超聲波傳感器、DC—DC電源模塊、NEC單片機(jī)、LCD顯示器等組成，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和顯示等功能，其系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

3.1.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器安裝在測量基準(zhǔn)板上方，選用的是恒瑞天創(chuàng)公司的HR/JCS1501型測距元件，其供電電壓為12 V/24 V，檢測距離為精度為0.5%，輸出方式為模擬信號(hào)：4～20 mA/0～5 V，聲束角為10—15°，工作溫度為-10—70 ℃。

3.1.2 DC—DC電源模塊

在田間，單片機(jī)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，干擾多，電源起伏變化，同時(shí)為了適應(yīng)不同牽引拖拉機(jī)的電源輸出，選用致遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的ZY2405 UHBD-6W隔離DC—DC電源模塊，為長寬壓型，電壓輸入范圍9～36 V，1 kV隔離單電源輸出，對單片機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性的作用。

3.1.3 主控制器

主控制器采用NEC公司的78K0/LF3系列8位單片微處理器μPD78F0483，內(nèi)置高精度的環(huán)行震蕩器，在-40—85°的時(shí)候精度可達(dá)到0.1%最多可以使用62個(gè)I/O端口，芯片內(nèi)部集成32 KB FLASH存儲(chǔ)器、1KB內(nèi)部高速RAM，芯片資源滿足設(shè)計(jì)需求。

3.1.4 LCD顯示與狀態(tài)指示

顯示采用LCD顯示屏，顯示設(shè)置菜單、運(yùn)行實(shí)時(shí)參數(shù)和報(bào)警異常等信息。操作人員可以根據(jù)LCD顯示器、蜂嗚器和LED狀態(tài)指示等聲音和光的形式，隨時(shí)調(diào)整機(jī)具作業(yè)深度。電路原理圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)軟件

NEC單片機(jī)有專用代碼生成工具Applilet，是一種非常方便的軟件開發(fā)工具，用戶可以根據(jù)實(shí)際要求靈活的生成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)代碼，在App lilet中設(shè)置所需要的外圍設(shè)備功能，輸出需要的C語言代碼，根據(jù)需要對代碼進(jìn)行修改，由NEC專用軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的集成環(huán)境平臺(tái)PM+建立目標(biāo)源文件，最后將程序經(jīng)燒寫器燒入到單片機(jī)中去，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。圖7為Applilel生成的部分代碼。

4 結(jié) 論

1)選用的NEC單片機(jī)內(nèi)置上電復(fù)位清零電路，低電壓偵測電路和獨(dú)立源看門狗電路，不需要任何外同元件。功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，支持自編程，62個(gè)I/O能夠?yàn)闈M足今后研制智能化收獲裝備提供開發(fā)平臺(tái)。

2)本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測距原理的自動(dòng)限深裝置，該裝置能夠適用于田間復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，自動(dòng)化程度高，町以有效提高挖掘效果，此套裝置可安裝于整地機(jī)械、各類土下果實(shí)的收獲機(jī)械中，具有廣泛的適應(yīng)性。