基于MCU秸秆还田自动控制系统的开发与应用

耿悦桐，王若鸣

(长春工程学院电气与信息工程学院,吉林 长春 130012)

0 引言

目前大部分土地已经可以进行现代化耕作，但仍有许多个体农户的土地并不平整，农作物收获完之后土地里剩下的秸秆难以处理，不仅在人下地时可能刮伤人的脚，而且由于难以降解，也让下一季的播种变得困难[1]。我们设计的秸秆还田自动控制系统可以将秸秆从地下连根铲起，并投入后面的粉碎机中，进行粉碎后抛散在田地里。可以达到有效利用秸秆资源以及解决农民焚烧秸秆造成的环境污染以及火灾隐患，意义重大。我们结合AJ-SR04M一体化超声波测距模块，STC89C52RC单片机，设计了此基于MCU秸秆还田自动控制系统的秸秆还田机器。基于液压系统的稳定性，本设备最初使用液压装置来控制犁架升降，但由于液压反应速度太慢，所以放弃此方案，选用扭矩大的直流推杆电机来做[2]。电机本身的优越性决定了其响应速度足够快，可以跟上农机前进的速度，使犁架的高度变化足够及时。超声波测距原理与雷达测距原理相似。利用超声波发射器向地面发射超声波,与此同时，开始计时。超声波在空气中传播,其接收器一旦接收到遇到障碍返回来的超声波就会停止计时。我们利用所计的时间，结合超声波在空气中的传播速度340m/s就能计算出超声波探头距离地面的距离[3]。但其用的是HC-SR04超声波测距模块。考虑到农机工作可能出现的恶劣天气情况，我们选用了AJ-SR04M一体化超声波测距模块，此模块具有防水的功能，更大程度地保证农机工作的稳定性，并且其兼容普通超声波测距模块HC-SR04。故操作方式与我们熟悉的HC-SR04完全相同。通过AJ-SR04M一体化超声波测距模块，我们实现了测得的距离数据的数据传送。

1 整体设计方案

将超声波测距探头安置在农机前方，距离地面40 cm，且与犁架联动。由于AJ-SR04M一体化超声波测距模块量程为20 cm～800 cm，所以模块放置的位置不能太低。拨草胶皮安置在农机前下方，以防止杂草干扰。AJ-SR04M一体化超声波测距模块安装在农机前方，将测得的距离数据传送给后方接收的MCU，单片机IO口输出相应高低电平以控制电机驱动器进而控制犁架升降。测得的高度数据还会实时显示在LCD1602上，方便农户观察。铲起来的秸秆被倒入粉碎机，粉碎机将秸秆打碎，抛散在田地中，被打碎的秸秆易于降解，给下一季的农作物提供养料，利于下一季的耕种。系统整体框图见图1。

图1 系统整体框图

2 控制系统的构成

2.1 高度检测装置

我们将AJ-SR04M一体化超声波测距模块探头安置在农机的前方距离地面40cm处，便于探测高度数据。AJ-SR04M一体化超声波测距模块比普通超声波模块HC-SR04多了防水的功能，但其对后者完全兼容，便于我们操作。在此情况下，我们选择了功能更加强大，稳定性更加良好的AJ-SR04M一体化超声波测距模块，这样可以保证农户在雨天不受天气影响，继续作业。同时，我们在农机前下方安装了拨草的胶皮，结构类似于船的头部。可以在探头检测距离前先将草拨开，避免了杂草对测量造成的影响。超声波测距模块将测得的高度数据传给MCU。高度检测框图见图2。

图2高度检测框图

2.2 控制装置

控制装置由单片机、电机驱动器、LCD1602显示屏构成。24V农机自带电源给电机驱动器供电，电机驱动器同时还能给单片机供5V电。高度检测装置将收到的高度数据传给单片机，单片机判断高度所在区间，IO口输出相应的电平以控制电机驱动器。同时将高度值显示在LCD1602上，方便农户观察。电机驱动器可以控制直流推杆电机的伸缩。控制装置框图见图3。

图3 控制装置框图

2.3 从动装置

此装置由直流推杆电机，犁架构成。通过电机驱动器控制直流推杆电机的升降，通过直流推杆电机的升降使犁架升降，将秸秆铲出，倒入粉碎机中，粉碎机将秸秆打碎并抛散在大地中，完成作业任务。从动装置框图见图4。

图4从动装置框图

2.4 程序设计

本操作系统使用STC89C52RC单片机，程序主要包含两部分，一是LCD1602显示部分，主要将探头测得的高度数据在LCD1602液晶显示器上显示，方便直接观察；二是高度判断部分，主要将测得的高度数据进行判断，输出相应的高低电平，以控制电机驱动器进而控制电机。程序设计框图见图5。

图5 程序框图

3 系统运行

在农机前进时，胶皮将杂草拨开，避免杂草的高度影响测量的高度值，之后农机前进，AJ-SR04M一体化超声波测距模块发出超声波，测量高度，并将测得的高度值传给单片机，单片机设置的LCD1602将实际高度值显示在屏上，方便农户观察，与此同时，通过单片机内部程序，将接收到的数据进行处理，判断高度是否高于41 cm，若高，则在单片机的P1^0口输出高电平，后在单片机的P1^1口输出低电平，使电机正转。单片机IO口的高低电平变化可以控制电机驱动器，进而控制直流推杆电机，改变犁架的高度，使犁架的对地高度保持恒定。与此同时，LCD1602在显示屏上显示模块实际距地高度，从而达到操作目的，若高度低于39cm，则在单片机的P1^0口输出低电平，后在单片机的P1^1口输出高电平，使电机反转。若高度在39 cm～41 cm，则两个IO口同时输出低电平,使电机刹车。因犁架与超声波探头联动，故超声波探头也可以跟随犁架及时改变位置，达到操作目的。此外，电机驱动器的控制PWM端一直给高电平，故无论电机正反转，都是全速运行的。

4 实验结论

经过与黑龙江省百耕农业科技有限公司合作，本犁地操作系统在哈尔滨经开区哈南工业新城江南中环路、南城一路西南侧的农田里进行了实验，实验结果良好，粉碎长度合格率>=85%。控制装置具体结构见图6。实验农机机械装置见图7。

图6 控制装置具体结构 图7 实验农机机械装置图

4 结论

本犁地系统操作简单，易于农户操作;将传统农机与现代化模块相结合，AJ-SR04M一体化超声波测距模块，具有防水功能，使得在下雨等恶劣天气下，仍能正常工作，抗干扰能力强;经过实验验证和现场测试，达到了预期效果，本技术可以广泛应用于农田中，方便农户耕作。不仅如此，与本文相关的专利《一种智能控制秸秆还田犁》(专利申请号：201911097596.0)已于2020年2月8日公布。相信不久之后，就会投入生产，真正为农户的耕种作业奉献一份绵薄之力。