基于AT89C51单片机的果蔬农药可回收喷洒系统设计与实现

杨勇 曲爱军

摘要    在果蔬培育及病虫害防治工作中，需要在适当范围内喷洒一定量安全系数高的农药，传统喷洒工具作业效率低，浪费严重并容易造成果蔬农药残留超标等问题。为提高农药的喷洒利用效率，节约成本，设计了一款根据需要调节喷洒速率和回收喷洒管中农药的果蔬农药喷洒系统。开发了配套软硬件系统，通过Proteus软件对该系统进行了仿真和论证。结果表明，本次设计的基于AT89C51单片机的果蔬农药喷洒系统功能完善，速率误差2%～4%，精度±2%;速率1.7374.65 r/min，可回收残留管壁中剩余药液。该系统可将农药利用最大化，节约成本，符合预先功能设计，具有显著推广应用价值。

关键词    AT89C51;果蔬;农药喷洒;Proteus仿真

中图分类号    TP277    文献标识码    A    DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.02.017

Design and Implementation of Fruit and Vegetable Pesticide Recyclable Spraying System Based on an AT89C51 Single Chip Microcomputer

YANG Yong    QU Ayun2

（1. Comprehensive Administrative Law Enforcement Bureau of Yangxin County，Binzhou City，Binzhou，Shandong 251800，China;2. School of Plant Protection，Shandong Agricultural University，Tai'an，Shandong 271000，China）

Abstract    In fruit and vegetable cultivation it is necessary to control diseases and pests attacking fruit and vegetables by spraying a certain amount of pesticides with a high safety factor at an appropriate rate. The traditional spraying tools have low operation efficiency，and cause serious waste of pesticides and excessive pesticide residues in fruits and vegetables. In order to improve the utilization efficiency and save the cost of pesticides in the spraying process，a fruit and vegetable pesticide spraying system was designed to adjust the spraying rate and recover the pesticides left in the spraying pipe. A supporting software and hardware system is developed，and the system is simulated and demonstrated by using simulation software Proteus. The results showed that the fruit and vegetable pesticide spraying system based on an AT89C51 single chip microcomputer works well with the motor speed error being 2%～4% and the accuracy being ±2%. The motor speed is 1.73 r/min-14.65r/min，and the residual solution left in the pipe wall of the sprayer can be recovered. The system can maximize the utilization of pesticides and save costs，and it hence conforms to the previous functional design and has a significant value of popularization and application.

Keywords    AT89C51;fruits and vegetables;pesticide spraying;Proteus simulation

当前，为满足人们对生鲜瓜果的大量需求，果蔬种植规模不断扩大。传统农药喷洒方式不仅不适应新形势下高效增产增收的要求，而且还造成人力物力浪费[1]。传统小规模农药喷雾方式主要用农药喷雾器，主要特点一是作业者需背负携带喷雾器，然后手摇压力手柄，将农药传输到喷洒管中，喷雾过程较难控制喷雾速度，造成浪费;二是作业强度大，人力成本高。因此，因地制宜研发相关农业喷灌设备必要且迫切。

近年来，国内专家学者对农药喷雾方式方法研究取得了显著成效。刘佳等[2]针对已有方形喷洒域喷头存在喷灌均匀系数低、方形程度差、转动过程精度不高等问题，设计了一种适用于方形喷洒的新型喷灌装置。莫莉萍[3]设计开发了基于DSP喷雾机器人，该直流电机自动控制系统能够提高农药喷雾机器人的作业效率，实现农药喷雾的精准控制，有效减少农药浪费，防止对自然环境造成破坏。张金钱等[4]采用模糊PID控制策略搭建了飞行平台，进行农药喷洒控制。在Simulink 仿真环境下进行软件仿真实验，在田间进行现场作业，结果显示具有很好的运行效果。何志辉[5]为提高无人机喷药设备准确性，提出了基于云技术的施药量大数据实时分析平台，并通过PID调节来实现农药喷洒量的精准控制。曾新洲等[6]为提高农药的喷洒效率，以果园为研究对象，设计出一款可投入农业实际生产的基于单片机实时混药静电喷雾机。张奇等[7]设计了一款基于DSP和单片机的实时变量喷药系统，通过电磁阀控制6个喷头的开闭，实现精准变量喷药，该系统在室外田间复杂情况下可以满足实时精准喷药要求，在作业机槭速度为4 km/h时，喷药精確度可以达到91.4%。上述专家学者研究适用于大批量大范围田间作业，未提及小范围实用性较强的农药喷洒作业器槭设计与应用。

本文主要研究利用Proteus设计果蔬农药喷洒系统，要求系统能够提供更好的控制喷洒速度、解放劳动力。同时需要对果蔬农药喷洒系统的基本硬件电路和各个软件模块进行详细的分析，从而保证系统运行的稳定性和可靠性[8]。主要的研究内容如下：

（1）对整个果蔬农药喷洒系统进行调研和系统设计，包括需求分析、功能设计等等，确定各个功能模块及其实现原理，以提高果蔬农药喷洒系统的实用性和交互性为目的对系统进行设计。

（2）对系统模块的硬件部分进行选型，并使用电路设计软件设计出各个模块的电路，对硬件电路原理进行分析，确保硬件电路的稳定性。

（3）使用模块化软件设计思想，对果蔬农药喷洒系统的软件系统进行设计，根据各个硬件模块的输出接口以及时序要求，对各个模块进行程序设计，降低各个软件子程序的耦合程度，提高软件的鲁棒性[9]。

1    果蔬农药喷洒系统设计

1.1    功能设计

果蔬农药喷洒系统需要能够更好地控制喷洒速度及节约人力物力成本，并在喷洒结束后回收残留在喷洒管中的农药，避免造成不必要的浪费。当果蔬种植户判断当前种植区域的害虫比较少时，果蔬种植户根据需要调整喷洒速度，以免喷洒过量。

1.2    微型处理器的内存与接口

微型计算机是体积小，能够完成一系列的逻辑处理运算功能的电子计算机。它一般以微处理器为核心，配备合适的外围电路和输入输出设备、存储器等完成指定的功能[10]。现在广泛使用的微处理器有很多相似之处，例如80C51系列和STM32系列单片机，访问内存使用的地址和访问接口使用的地址是统一的。由于微处理的结构相对简单，所以采用这种方法能够简化操作，使用访问内存的指令就能够访问相关的接口了[11]，这极大地方便了开发人员去调用接口实现相关操作。但是同时由于操作接口和操作内存的指令一样，使得开发人员必须对相关的参数十分了解才能够辨别出两者，对程序进行维护[12]。

1.3    中断方式

在微处理器的程序设计中，CPU一般通过两种方式操作I/O，一种是直接程序控制，另外一种则是中断方式。其中程序控制方式，如果I/O设备无条件传输的情况下，消耗的CPU资源较少，但是如果不知道I/O什么时候准备好，则需要CPU不断地进行轮询，轮询的方式增加了CPU的负担[13]，将降低CPU的处理效率，同时也使得微处理无法对外部突发事件进行有效的实时响应。微处理还提供了中断的方式来处理I/O请求，当CPU接收到I/O设备发来的高优先级的中断请求时，CPU将停止当前的低优先级的工作，并对工作现场进行保存，转而完成中断任务，当中断任务完成后，原来被打断的状态将会恢复，CPU能够在原来的基础上继续执行操作[14]。采用中断的方式能够避免CPU重复访问I/O，减少了CPU冗余的操作，从而提高工作效率。

2    果蔬农药喷洒系统硬件设计

2.1    硬件总体方案

使用AT89C51芯片作为核心处理器，处理喷洒速率、档位和农药剩余量;使用LCD1602屏幕作为人机交互的接口，同时微处理会根据采集到的环境信息，通过I/O控制步进电机和灯等外围设备。硬件总体方案见图1所示。

2.2    微处理器核心电路

设计使用的微处理器为AT89C51，该芯片为ATMEL公司生产，使用该芯片作为果蔬农药喷洒系统的主控芯片比较合适。当FIASH进行校验时，P0端口输出原码，此时P0端口外部必须被拉高。

微处理器核心电路需包括电源部分，在电源部分中，使用了78M05作为DC-DC的芯片。该电源模块设计如图2所示。

通过这个电路能够将最高35 V的输入电压转换成AT89C51单片机工作需要的5 V电压[15]。

复位电路模块（图3）用于整个系统复位。在某些特殊情况下，单片机可能处于不工作的状态，这种情况下可以按下复位按键，单片机重新从程序入口执行，重新执行相关的逻辑代码。

时钟电路模块用于给系统提供必要的时钟信息，给各个组件的运行提供基本节拍。外部晶振周期经过分频后得到了机器周期[15]，从而给各个指令提供节拍。图4中P5可以选择11.059 2 MHz的无源晶振;C5和C6为2个30pf的起振电容，用于晶振的起振。X1和X2分别连接了单片机的XTAL1和XTAL2引脚。

2.3    速度控制电路

设计采用了步进电机，在外界的控制下，它能够很好地以当前需要的速度值运行。速度误差2%～4%，精度为±2%;速度范1.73～14.65 r/min。通过步进电机的特定时序，能够实现毫秒级的响应，同时它的工作电压范围宽，可在5～8V正常工作[16]。

图5为步进电机电路图，图中6根线分为A、B两组，6根线中有两根是公共线，如图5彩线是公共线。用万用表可测出公共线，测量方法如下：电阻档（最小）红笔任意接一引脚，黑笔一次接余下的4根线若黑笔和两根线接触电阻都相等那么红笔接为公共线，以上的3根线则为一组;另一组的测量方法相同，接电机时一般公共线不接，把图中的A红、C蓝作为一组线圈;B黑、D绿看做一组线圈;电机与驱动器连接时A、C接驱动器的A+、A-、B、D接驱动器的B+、B-。

2.4    按键电路

该系统主要有6个按键，分别是方向正、方向反、速度+、速度-、开/管、加药水。

如图6所示，当按键按下时，AT89C51单片机检测到对应I/O的低電平，执行相应的动作。比如在开机键按下后，可以根据需要对步进电机的转动方向和速度大小进行调整。

2.5    人机交互电路

根据显示的内容，方便用户阅读，使用LCD 1602作为人机交互的器件（图7 ）。LCD 1602这种显示器件包含14～16个管脚，本系统使用的是14个管脚（没有LED+和LED-），其中用于和单片机相连的有11个管脚，DB0到DB7是用于数据交换的总线;RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器;RW为读写信号线，高电平（1）时进行读操作，以51为例的简单原理图低电平（0）时进行写操作;E为使能信号线，作为时钟信号，控制读写时序。图7为LCD 1602的电路。图8为LCD 1602 的写入数据时序图。

3    果蔬农药喷洒系统软件设计

3.1    软件总体方案

结合系统软件总体设计要求，终端软件设计的总体方案如图9所示，整个设计方案包括初始化子程序模塊、按键子程序模块、人机交互子程序模块等等。

对整体的系统进行初始化，包括时钟初始化和外设初始化，如显示屏和DHT11的初始化等，读取DHT11获取的环境温湿度信息，并在显示屏上进行更新。若检测到按键按下，可进行数据的清空等操作。图9为多功能智慧阅览室的软件总体框图。

3.2    初始化子程序

在微处理器的使用过程中，启动时需要对一些必要的参数进行设置，以便满足期望达到的功能需要。单片机通过I/O连接各传感器模块，通过串口连接串口调试模块，通过IO端口连接显示模块单元电路。因此，MCU上电时必须首先对各端口进行初始化操作，初始化操作见表1。

3.3    步进电机子程序

步进电机子程序主要通过单片机控制ULN 2003，然后驱动步进电机，从而设置需要的速度。

当检测到P2端口输出不为0时，根据当前的方向和速度运行。计算方法：转一圈需要节拍数：360/（5.625/64）=4 096个节拍。转速r/min = （60×1 000）/（4 096×定时时间）。

3.4    人机交互子程序设计

在进行显示字符串时，LCD1602会先对显示坐标进行计算，得到坐标后，写入显示坐标的命令，然后将字符串中的数据写入显示屏。由于字符串通常以’＼0’结束，所以当前字符为’＼0’时，意味着字符显示结束，程序返回。

主要子函数：

4    仿真调试

使用Proteus作为仿真和调试的工具。Proteus 能够仿真8051、ARM、AVR等常用的单片机，能够支持IAR、MDK等多种单片机的集成开发环境;具有超过27 000种元器件，能够满足大部分的使用场景需要;支持多种虚拟仪器，包括示波器、虚拟串口、万用表等，同时能够进行具有互动性的电路仿真。

首先需要布置元器件，可以从器件库中选择。放置完毕后，可以通过连线的方式将需要连接的管脚连接起来，也可以通过标签的方式连接。在终端选项中可以选择放置电源，同时也可以在工具栏选择放置各种激励源和各种虚拟仪器。同时在工具栏中提供了文本框、线条、方框等标识工具，用于项目的模块化展示。当双击AT89C51芯片，选择keil生成的hex文件后，就能够看见LCD 1602上打印的信息，包括“D（档位）”“speed”“方向（用+和-显示）”和“体积”等信息。

当调节方向和档位时，就会更新显示，如图10所示。

从图10可以看出，设计的果蔬农药喷洒系统具有一定的智能程度，能够对喷洒速度进行调整，并于作业结束时回收管内剩余药液，同时操作界面友好，符合预先功能设计。

5    结语

设计了一种基于AT89C51单片机的果蔬农药喷洒系统，通过分析控制步进电机的速度和方向，以及农药剩余量的检测和指示灯显示，大大节约了农药喷洒成本和人力成本。经过Proteus仿真，本文设计的电源电路能够稳定有效地工作，同时AT89C51作为主控芯片，能够在喷洒农药中发挥稳定有效的作用。经田间作业，本文设计的单片机控制系统能够满足果蔬农药喷洒系统控制要求，对于果蔬农药喷雾可回收系统的广泛使用有一定的指导意义和实用价值。

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