基于Proteus的植保喷头控制系统设计与仿真

高海峰 黄文静

摘要：葡萄喷雾机有悬挂式、牵引式不同的类型，我国葡萄喷雾机的主要机型为中小型牵引式[1]，喷雾作业又是葡萄园管理中关键环节，其喷雾质量的高低直接影响葡萄的品质和产量。一般葡萄喷雾机的喷头是固定的，由于农田环境复杂，有些葡萄叶片不能喷到药液，从而影响病虫害的防治。针对上述问题，设计一款智能植保喷头控制系统，从而提高药液利用率和喷雾机的工作质量，以减少人力和物力资源的浪费。

关键词：Proteus仿真51单片机智能控制

一、前言

我国是农业大国，每年大量的药物用于植保作业，精准的用药对农作物的病虫害防治有着积极的作用。然而，我国的喷雾设备比较落后，很多地方还在使用背负式的手动喷雾机或者高压喷枪，不仅用药不均匀，而且缺乏智能化，药液不能全部覆盖葡萄所有叶面。本文以51单片机作为系统开发的核心器件，利用超声波测距来实现喷头高低的调节，规避喷洒不均匀、漏喷等现象。单片机系统设计包括硬件电路设计和软件程序设计，调试过程一般分为软件调试、硬件测试、系统调试三个过程。本文基于51单片机的超声波模块，应用Keil和Proteus结合来实现这三个过程，不用制作具体的电路板即可完成超声波模块的调试工作，提高了开发效率，降低开发成本[3]。

二、硬件方案设计

基于Proteus设计了一种精准植保喷头控制系统，如图1所示，单片机通过超声波模块实时读取喷头与地面的距离，通过P2.0，P2.1，P2.2，P2.3四个I/O口连接电机，电机对喷头进行控制，设定某一距离为定值，当测得的距离小于定值时，电机正转，植保机喷头上移;当测得的距离大于定值时，电机反转，植保机喷头下移。考虑系统的稳定性和可靠性[4]，为实现低成本的目标，本系统选择了经济实惠的AT89C51单片机为控制核心，超声波模块选择HC-SFR-04型号，执行模块选用为步进电机。驱动步进电机的驱动芯片是ULN2003。精准植保喷头控制在Proteus中建立系统电路模型如图2。

（一）超声波模块

本设计中超声波模块使用的是HC-SFR-04。其工作原理：（1）采用I/0口TRIG触发测距，给至少10µs的高电平信号;（2）模块自动发送8个40kHZ的方波，自动检测是否有信号返回;（3）有信号返回，通过I/0口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。本模块使用方法简单，控制口发出10µs以上的高电平，接收口等待高电平输出：检测到输出信号就开启定时器，当此口变为低电平时就读取定时器的值，即为此次测距的时间[5]，算出距离，如此不断的周期测距，从而达到移动测量的定值。

（二）执行模块

1、驱动芯片ULN2003

ULN2003是一种高耐压、大电流的达林顿陈列，由七个NPN达林顿管组成。每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003的灌电流可达500mA，并且在关态时能够承受50V的电压，可以在高负载电流下并行输出运行。其中，由单片机AT89C51的P2.0-P2.3引脚作为ULN2003的输入端。

2、驱动电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制组件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数[6]，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。本设计采用四相八步执行方式，正转即A - AB - B-BC-C-CD-D-DA-A。反转即A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A。并通过ULN2003来驱动电动机转动。

三、系统软件设计

精准喷头电路在程序的控制下，以步进电机正反转带动喷头上下移动来实现精准喷雾的功能。软件设计由主程序和几个子程序组成。超声波模块中[7]，单片机通过P1.1连接超声波模块的TRIG口给至少10µs的高电平信号;超声波模块自动发送8个40kHZ的方波，自动检测是否有信号返回;当有信号返回时，通过I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，就可以测出距离，进行判断。主程序流程图如图3所示。

四、Proteus 仿真结果

在Proteus建立模型如图2所示，将Keil编译无错误的hex文件添加到单片机中，在程序中设定定值距离为50，當调节超声波模块的加减号时，当数字超过50时，电机反转;当数字小于50时，电机正转。按下按键k，电机停止工作。超声波模块仿真时可以调节距离到达模拟真实的距离。仿真时，电机随着超声波的距离从而正转和反转，来调节植保机的喷头上下移动。

五、结束语

文中以51单片机为控制核心，利用超声波测量地面的高度，ULN2003驱动芯片驱动步进电机，来带动植保机的喷头上下移动。可以很好的控制喷头的高度，来适应田间的不平整工作环境，具有成本低、可靠性强，实时性好和可扩展性等优点[8]。通过Proteus联合Keil仿真，满足预期的效果，本系统完全可以直接应用于机械化植保机喷头来提高机械精准性要求。

参考文献

[1]阿依努尔·依米提.风送式葡萄喷雾机的结构及使用[J].农家参谋，2020（08）：86.

[2]王蒙，谢峰，张宏文，王磊，李文春.我国植保喷雾装置发展现状[J].农业工程，2019，9（12）：4-7.

[3]钟珊，尹斌.基于Proteus的温度测控系统仿真研究[J].电子设计工程，2011，19（24）：123-125+129.

[4]孙瑞红，姜莉莉，武海斌，宫庆涛，徐德坤.葡萄施药机械选用及注意事项[J].落叶果树，2020，52（06）：61-63.

[5]王震涛，牛浩，唐玉荣，等.果园喷雾机械及技术的研究现状[J].塔里木大学学报，2019，31（3）：83-91.

[6]邱威，丁为民，龚艳，等.3WZ- -700型自走式果园风送定向喷雾机[J].农业机械学报，2012，43 （4） ：26-30.

[7]宋坚利，何雄奎，曾爱军，等.罩盖喷杆喷雾机的设计与防飘试验[J].农业机械学报，2007，38 （8） ，7479.

[8]何雄奎中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议[J].智慧农业（中英文），2020，2（1）：133-146.

作者简介

高海峰（1994-），男，宁夏固原人，硕士，研究方向：农业装备的智能化和自动化。

黄文静（1998-），女，宁夏银川人，本科，专业：电气工程及其自动化。