基于51单片机的多功能黄瓜蘸花喷药机设计

王高乐 韩祥森

摘  要：通过对农业黄瓜种植过程中黄瓜蘸花以及种植环境的检测，制作了一种多功能黄瓜蘸花喷药机系统，并设计了一种新型黄瓜蘸花喷头，能够实现自动检测，自动喷洒，药液回收等功能。該系统还搭载了多种环境检测模块，利用单片机串口通信将环境检测参数通过蓝牙传送到手机APP，方便了基层农户及时了解环境状况。实验表明该系统设计的新型喷头达到了预期效果，环境检测方面工作稳定，切实帮助了基层农户的农业管理。

关键词：黄瓜蘸花;单片机;环境检测;串口通信

中图分类号：TP391;S126          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）24-0051-05

Abstract： Through the detection of cucumber flower dipping and planting environment in the process of agricultural cucumber planting， a multifunctional cucumber flower dipping and spraying machine system is made， and a new cucumber flower dipping nozzle is designed， which can realize the functions of automatic detection， automatic spraying， liquid medicine recovery and so on. The system is also equipped with a variety of environmental detection modules. The serial communication of single-chip microcomputer is used to transmit the environmental detection parameters to the mobile phone APP through Bluetooth， which is convenient for grassroots farmers to know the environmental conditions in time. The experiment shows that the new nozzle designed for this system has achieved the expected effect and operation stably in environment detection， which effectively helps the agricultural management of grassroots farmers.

Keywords： cucumber flower dipping; single-chip microcomputer; environmental detection; serial communication

0  引  言

随着时代的发展，农业领域也越来越倍受社会关注，一款好用的农用工具往往能推动该领域的发展。在农业黄瓜种植过程中存在黄瓜蘸花工作，对于黄瓜蘸花工作现在市面上没有成熟的工具，主要以人工蘸花为主，人工蘸花效率低，过程复杂，蘸花药液易撒溅，容易损害人体皮肤，人员安全性差。人工长时间进行蘸花工作，蘸花人员的胳膊会酸痛肿胀，十分艰苦。市面上现存的工具是一种“c”型喷头，采用喷洒的方式对黄瓜进行蘸花，导致了有将近80%的药液稀释在了空气中，造成了药液的浪费并且会对植株叶片和人体皮肤造成损害，“c”型喷头工具采用机械按键，需要人工用力按压，长时间工作会造成手指酸痛。因此市面上现存的两种黄瓜蘸花方式存在极大弊端;现阶段智慧农业大棚建设飞速发展，智慧农业大棚内搭载多种环境传感设备，主要对大棚内环境进行检测，方便工作人员进行管理，对大棚建设要求很高，与此同时带来的便是造价高昂的建设费用，无法满足基层农户对性价比的要求，导致了基层农户对大棚内环境只能依靠经验判断无法准确进行判断。所以笔者基于我校山东省大学生创新创业训练项目提出了基于51单片机的多功能黄瓜蘸花喷药机系统，旨在解决农业生产种植过程中的黄瓜蘸花问题以及种植环境的检测问题，为我国农业发展贡献一份力量。

1  系统总体设计方案

该系统设计了一款新型黄瓜蘸花喷头，该喷头采用3D打印技术制作而成，采用PLA材料打印而成，具有轻便兼顾，塑性好等特点。该喷头采用上方开口式圆形中空外观，内置三个喷头，低端留孔接药液回收导管;控制系统采用51单片机，具体芯片型号为STC12C5A60S2，这款单片机是开源的硬件开发平台，其因具有处理速度较快，资料多，操作与编程简单，芯片不容易烧坏，外设丰富等优点被广泛应用于系统设计中，故采用该单片机作为控制核心。采用单片机控制继电器模块从而间接控制水泵工作，继电器模块具有价格低廉，灵敏度高，不易损坏等优点;蘸花喷头内的红外检测装置采用E18-D80NK型号，因为E18-D80NK模块易于装配使用方便，并且为外壳全包裹式，不易进水，防水性好，因此选用E18-D80NK作为喷头内部的检测模块。该系统主要功能是采用新型喷头进行黄瓜蘸花工作和环境检测，为此设计出一款搭载多种检测模块的采用芯片控制的喷药机。此系统主要由单片机、新型黄瓜蘸花喷头、继电器及喷洒装置、环境检测装置、蓝牙模块、手机APP等组成，系统整体框图如图1所示。

本系统在开启后，首先会进行各类模块的初始化，然后动力系统运行2秒钟，目的为排出喷药导管内空气，为下一步正常运行做好准备。当红外模块检测到有黄瓜花进入时开启喷洒，当黄瓜花拿出时停止喷洒，浪费的药液会汇聚在圆球外罩底部，通过药液回收导管被水泵重新回收利用。所有环境检测模块的数据会发送到手机APP供农户进行查看，操作简单，方便快捷。整体构造如图2所示。

2  理论分析与计算

2.1  新型黄瓜蘸花喷头设计

该系统搭载了一款新型黄瓜蘸花喷头，该喷头包括圆球形外罩，三个内嵌式喷头，收集浪费药液导管和红外检测装置。圆球形外罩上端开口作为黄瓜花进入端，圆球形外罩一侧装有红外检测装置，进行检测有无黄瓜花进入，圆球形外罩左右后方分布着喷洒药液的喷头，可以实现对黄瓜花的全方位喷洒不留死角;圆球形外罩下端开口连接药液回收导管，药液回收导管另一端连接药液回收水泵，浪费药液通过此导管被回收进药筒进行重复利用;机身搭载单片机作为中控系统，当检测到有黄瓜花進入时，给单片机传入喷洒信号，单片机通过控制继电器，从而控制动力系统与药液回收水泵进行工作。其中圆球外罩为内直径12 cm薄壁3 mm的空心球，空心球左斜上方45度直径6 cm圆形开口作为黄瓜花进入端，预留三个直径为1 cm喷头孔，和右侧斜上方45度开直径1.5 cm红外模块预留孔。结构如图3所示

2.2  基于红外线反射的检测技术

系统在喷洒药液时采用了基于红外线反射的检测技术，红外线检测装置是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效地避免了可见光的干扰。红外线与光在空气中的传播速度相同，从而得知红外线的传播速度，通过计算就可得出检测到黄瓜花的所需要的时间。其计算公式为：

式中T为红外线从发送到接受的时间也就是检测到黄瓜花的时间，S为红外线发射装置到黄瓜花的距离，由圆球形外罩内直径为12 cm得知，S的范围为0 cm～12 cm。将S代入公式得T趋于0，因此当有黄瓜进入圆球外罩并进入检测区域的一瞬间系统就能立刻做出反应，能够达到灵敏高效的效果。

2.3  浪费药液自动回收技术

系统在喷洒药液时，仅仅需要将黄瓜上喷洒上药液即可，未喷洒到黄瓜上的药液会吸附在圆球外罩内壁上，最终形成水滴，最终由于重力原因，汇聚到圆球外罩底部，其重力公式为：

G=mg

由于水滴与内表面具有吸附力，当汇聚的水滴重力大于吸附力时就会沿内壁流向圆球外罩底部，在底部接有药液回收导管如图4所示，药液回收导管另一端与水泵相接，将汇聚的药液重新回收到药桶进行多次利用。

2.4  基于蓝牙模块的串口通信技术

系统在正常运行时，用户可以在手机APP端观测周围环境内的环境数据，如温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度都会通过蓝牙模块将数据回传到手机端。串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。它很简单并且能够实现远距离通信。该系统用的是HC-42蓝牙模块，具有低功耗、低延时的特点。符合本系统短距离数据传输，方便快捷，低延时，低功耗的需求。

3  硬件电路与软件设计

3.1  硬件电路设计

系统控制模块采用了STC12C5A60S2单片机，该单片机的运算能力强，处理速度较快，用其来完成重量数据的采集、运算处理以及计时模块的时间转换极大程度上提高了系统的灵敏度与准确性，用其来完成黄瓜花检测，控制继电器通断，信息传输，环境数据处理，语音提醒、效果监测等功能。依据实际需求采用12 V大功率隔膜泵来实现药液的雾化控制和12 V蠕动泵作为药液回收水泵，喷头与喷杆处采用硅胶管进行连接，喷头采用三个可调雾化直喷喷头代替，采用两个1路5 V继电器作为水泵的间接控制开关，测温模块采用DS18B20，二氧化碳传感器采用MH-Z19B模块，在搭建完成基本电路加入了充电过冲保护模块和开机锁等功能。

新型黄瓜蘸花喷头采用PLA材料打印，尾端采用1 m不锈钢导管与手柄进行连接，使整个喷头重量不超过400克，使之达到轻便效果，并在新型喷头上添加红外检测装置，检测到有黄瓜花进入时，进行自动喷洒，当检测到有黄瓜进入时，红外检测装置信号输出角就会对单片机输出高电平信号，供单片机进行识别，并且由公式得，红外检测装置极其灵敏，如图5为药液喷洒装置电路图

3.2  系统软件设计

系统程序开始后单片机会启动系统电源自检程序、对环境检测模块、蓝牙模块进行初始化，最后对喷洒系统进行初始化，启动喷洒系统2秒钟，排空导管内空气使导管内充满药液。当红外检测装置检测到有黄瓜进来时给单片机传入信号，单片机启动喷洒。当手机与蓝牙模块连接后，就会自动向手机APP进行发送环境信息。系统软件工作流程如图6所示。

红外检测装置与水泵药液喷洒以及药液回收工作过程关键代码为：

if（c3==0）//红外检测

{ms1=1;c2=1;PS_Start（）;}//喷洒中

else{ms1=0;c2=0;PS_Stop（）;}//喷洒停止

if（miao1>=5）//喷洒工作总时长

{c1=0;miao1=0;ms2=1;miao2+=30;//水泵工作时长

if（miao2==0）CS_Stop（）;//抽水停止

elseCS_Start（）;//抽水中

环境检测中以温度检测为例，关键代码为：

int Ftemperature（）

{unsigned char low=0，high=0;int temp=0;

init_ds18b20（）;

Write_DS18B20（0xCC）;

Write_DS18B20（0x44）; //启动温度转换

Delay_OneWire（200）;

init_ds18b20（）;

Write_DS18B20（0xCC）;

Write_DS18B20（0xBE）; //读取寄存器

low = Read_DS18B20（）; //低字节

high = Read_DS18B20（）; //高字节

temp=high;temp<<=8;temp|=low;

if（（temp&0xf000）==0x0000）

{temp>>=4;}

temp = temp*10 + （low&0x0f）*0.625;温度转化

return temp;}

4  实验测试与分析

最终本系统包括硬件与手机APP，如图7（a）所示，该系统供电后开始运行，红外检测装置会处于检测状态，当检测到有黄瓜进入到喷头内时开启自动喷洒，此时OLED屏幕会显示此时的工作状态，当喷洒达到规定时间后药液回收水泵会自动开启，将药液会收到药桶内进行二次使用。同时搭载了两块太阳能板为电池持续充电，延长了续航时间。同时手柄处还设置了应急开关，可以随时关闭喷洒系统，各类传感器如图7（b）所示。APP页面如图7（c）所示，将环境检测模块显示出来供管理者读取。

在对该系统的黄瓜蘸花速度进行测试时，选取了三亩黄瓜种植农田，分别将三亩农田划分为等面积的三块农田标号为1、2、3号，采用该系统蘸花与人工蘸花和“c”型喷头工具蘸花三组蘸花方式进行蘸花工作，定义该系统为甲组，人工蘸花为乙组。“c”型喷头工具蘸花为丙组，使甲、乙、丙组分别对1、2、3号黄瓜农田轮流进行蘸花作业，因此每亩农田会被蘸花3次，确保对植株的安全性，因此使用清水代替蘸花药液。三组同时开始蘸花，每工作一亩记录一次时间，最后得到如表1测试数据：

从实验结果来看，甲组（该系统组）从喷洒效率上遥遥领先了人工蘸花组，同时大幅度提升了药液使用的效率，对此喷头的改进达到了预期的效果。

除此之外，对于其他模块的性能也进行过多次测试，通过与其他温度计和其他测试器件多次比测试，测量的环境参数误差也在允许范围内，对HC-42蓝牙模块的灵敏度与在保证传输数据准确的情况下，发送数据的时延性也符合要求。测试表明本系统良好，准确度较高，灵敏性较强，能够满足设计的要求。

5  结  论

该系统对基于51单片机的多功能黄瓜蘸花喷药机进行设计研究，给出了一款携带有革新蘸花喷头于能进行环境检测的多功能蘸花喷药机系统，能够借助喷药机电源使喷药机在农闲时成为一套大棚内的环境检测系统，方便了基层种植者对农作物的管理，满足了基层种植者对环境检测的需要，达到了智慧农业大棚最基础的功能。此外，研究设计的新型黄瓜蘸花喷头，通过在结构和设计上的创新，使其在蘸花速率和药液使用率上大幅度提升，能够在保证了不浪费药液的情况下，工作效率提升了近三倍，并且减轻了工作劳动量，简化了工作流程，保障了人员的安全性，同时对黄瓜叶片的影响达到最小。此系统达到了研究的目的与效果，在一定程度上推动了农业的发展。

参考文献：

[1] 武宇星，韩祥森.基于Arduino单片机的智能药盒系统设计 [J].现代信息科技，2021，5（7）：29-32+37.

[2] 谢文和.传感器及其应用 [M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 刘巍.应变式传感器的原理及对应变片性能的测定 [J].科技经济市场，2015（2）：102-103.

[4] 高天学.基于STM32的无线运动传感節点设计 [J].现代信息科技，2020，4（24）：35-38.

[5] 高天学，曹伟.基于物联网的新型农药化肥自动喷洒系统设计 [J].现代信息科技，2021，5（9）：154-157.

[6] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础 [M]，第四版，清华大学出版社，2006.

[7] 求是科技.单片机典型模块设计实例导航 [M].北京：人民邮电出版社，2004.

[8] 谭浩强.C程序设计 [M].北京：清华大学出版社，1991.

作者简介：王高乐（2002—），男，汉族，山东聊城人，本科在读，研究方向：电子信息工程;韩祥森（1994—），男，汉族，山东淄博人，助教，本科，研究方向：电子与通信技术、智能控制。