基于AT89C52单片机的变量喷雾控制系统的设计

ChineseAgriculturalMechanization

中国农机化

No.2,2011TotalNo.234

基于AT89C52单片机的变量喷雾控制系统的设计*

艾剑锋，章海亮，刘雪梅，周建民

(华东交通大学基础科学学院，江西南昌，330013)

摘要：以AT89C52单片机为核心，由信息采集处理系统、自动控制系统组成，通过流量、速度传感器采集的速度、流量计算出实际的单位面积施药量，与设定的施药量相比较，自动控制系统根据比较结果自动调节电动调节阀，从而达到变量喷雾施药的目的。系统能够根据施药机车行走的速度和田间苗情自动变更喷药量，实现变量施药。基于AT89C52单片机的控制系统可以应用于自动变量施药作业，符合当前农业生产的实际情况。关键词：控制系统；单片机；变量喷雾中图分类号：S499

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1006-7205.2011.02.024

艾剑锋,章海亮,刘雪梅,周建民.基于AT89C52单片机的变量喷雾控制系统的设计[J].中国农机化,2011,(2):90~93

AIJian-feng,ZHANGHai-liang,LIUXue-mei,ZHOUJian-min.DesignofvariablespraycontrolsystembasedontheAT89C52single-chipmicrocomputer[J].ChineseAgriculturalMechanization,2011,(2):90~93

0前言

农用化学品的大规模投入给环境造成了破坏。精

统通过对喷雾机田间作业速度和喷雾压力、喷雾流量的实时检测，并根据输入的喷杆幅宽，计算出单位面积实际施药量，与设定的单位面积施药量相比较，自动控制系统根据比较结果自动调节位于旁路管道上的电动调节阀，从而引起回水管流量的变化，改变实际施药量，使之与设定值相一致。液晶屏显示采集的作业参数和设定值，以及其他一些作业参数，如机车的速度、喷药幅宽、用户设定的单位面积的施药量和实际瞬时施药量，并能显示键盘对某些参数的修改过程。系统控制框图如图1所示。

准农业的意义在于改善施药量的情况，节约资源、保持生态平衡和保护环境、促进农业的可持续发展[1]。但是我国施药技术处于国际落后的状况，已经不能适应21世纪精准农业发展的要求。因此，这就客观上要求设计一种可变量喷雾控制系统，提高我国施药水平，满足精准施药的要求[2]。

为此本文设计了一种变量喷雾控制系统，该系统能根据用户设定的单位面积的施药量，在施药机行走速度变化时和田间苗情自动改变喷药量，变量施药控制系统的硬件电路的设计和软件程序的设计满足变量施药的要求。该系统基于AT89C52的变量喷雾控制器具有实时性好、可靠性高的特点，能在很大程度上改变传统施药方法，提高施药精度。

1系统结构设计及总体方案

系统变量控制工作原理为机车动力输出轴驱动隔

膜泵皮带轮旋转，泵吸入药液，经增压后送到喷嘴处，传感器采集作业过程中的三个参数，根据田间苗情的

________________

情况通过键盘输入预先设定的作业参数，变量控制系

修回日期：2010年11月25日

图1控制系统整体设计框图

收稿日期：2010年6月23日

*基金项目：江西省科技支撑项目(2009BHC00300,2010BNA05500);江西省青年科学基金项目(2009GQS0012，GJJ10139)

艾剑锋，男，1974年生，江西南昌人，工学硕士，华东交通大学讲师；研究方向为计算机科学。章海亮，男，1977年生，江西南昌人，华东交通大学机电工程学院讲师；研究方向为机电一体化。

刘雪梅，女，1978年生，江西吉安人，华东交通大学土木建筑学院讲师；研究方向为环境工程和农产品检测。周建民，男，1975年生，湖南邵阳人，博士，华东交通大学副教授；研究方向为测控技术。

第2期艾剑锋等：基于AT89C52单片机的变量喷雾控制系统的设计91

2控制系统硬件设计

控制系统主要包括微控制器、微处理器监控器、A/

信号为模拟信号，需要微机系统扩展D/A模拟输出电路，本文选用DAC1210转换器。DAC1210是美国国家半导体公司生产的12位D/A转换芯片，是智能化仪表中常用的一种高性能的D/A转换器。DAC1210是双列直插式24引脚芯片，输入与TTL电平兼容。DAC1210的接口电路如图3所示。

D转换器、D/A转换器、串口RS232、键盘输入、液晶显

示和电源等芯片的选择、三种传感器及电动调节阀及外围电路的设计。其硬件结构如图2所示。

2.4传感器及电动调节阀的选择

速度传感器采用MID―TECHCompactⅡRadar，

速度范围：0.32~62.76km/h；电源：9~16VDC；信号输出：

128.4pulses/m。

流量传感器选择LWGY―50型液体智能涡轮流量计。它的工作压力达到50MPa，输出为方波脉冲信号，工作电压为+12VDC，幅值大约为10V[5]。

速度传感器和单片机接口电路如图4所示。流量传感器输出信号也为脉冲信号，电平同速度传感器，与单片机的接口电路图同2.3所示。

图2

控制系统硬件结构

压力传感器选择应变片式压力计，它是利用电阻应变片将被测压力转换为电阻值的变化，再通过桥式电路获得mV级电压输出，所需的管路压力与所测电压值之间成正比关系。压力传感器调整及限幅电路如图

2.1微处理器芯片

选用AT89C52单片机，AT89C52是美国ATMEL

公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，功能强大，适用于许多较为复杂控制应用场合。用来完成传感器信号的采集和电动调节阀所需控制信号的输出[3]。本系统的核心微控制芯片，主要完成车速和实际流量的采集并计算、键盘的输入和电动阀的驱动、LCD的显示以及控制算法的实施。

5所示。

电动调节阀采用TR500―X，此阀控制精度较高响应速度快，可提供阀位置反馈信号，可以接收电压或电流控制信号。控制信号起点为0，即输入信号为0~

20mA或0~10VDC，控制信号起点为20%，即输入信号

为4~20mA或2~10VDC；行程时间100s；最大行程

2.2A/D转换器

变量系统对压力传感器信息的采集处理需要A/D转换芯片，本文选用美国模拟器件公司生产的12位逐次逼近型的A/D574A转换芯片，转换时间为25~35μs[4]。片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与AT89C52单片机处理器相连，而无须附加逻辑接口电路。片内有时钟电路，无需外部时钟。

25mm；电源电压24VAC。2.5

微处理器监控器

选用X5045监控芯片。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程控制电路。特别适合应用在需要少量存储器，并对电路板空间需求较高场合，X5045具有电压监控功能，可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围(4.2V)以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。

2.3D/A转换器

变量控制系统的执行机构电动调节阀所需的控制

92中国农机化2011年

2.6键盘输入模块

本系统选用8279键盘接口的中断法。8279是专用

设定的单位面积施药量、喷雾工作压力、实际流量、机车作业速度等作业参数。

键盘、显示控制芯片，能对显示器自动扫描；能识别键盘上按下键的键号；可充分提高CPU工作效率。8279与

2.8串口232

本系统选用MAX232芯片，该芯片是Maxim公司

MCS―52接口方便，由它构成的标准键盘接口在单片机应用系统中使用越来越广泛[6]。本系统采用的是4×4矩阵式键盘，一共有16个键，分别是数字键0~9和功能

键A~F。本文定义“A”键为“幅宽”修改键，该键被按下，

生产的低功耗、单电源、双RS-232发送/接收器，可实现

TTL到EIA的双向电平转换。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换成RS-232C输出电平所需的±10V电压。采用DB-9连接器。

LCD的幅宽行上会显示星号，这时就可以使用键盘的

数字键输入新的幅宽值，再按“C”键，系统就保存该值并使LCD返回到正常显示状态。“B”键为“设定单位面积施药量”修改键，修改方式同“A”键。“D”键为删除键。“F”键暂作为保留键。电路原理图如图6所示。

3控制系统软件设计

由微控制器计算得到的实际单位面积施药量和设

定的单位面积施药量之间是一个动态调节平衡过程，需要设计一个子循环，使二者无限接近。根据系统要求，采用闭环控制法对变量施药机进行控制。

3.1控制系统

根据系统要求，采用闭环控制法[7]对变量施药机进

行控制。设计的控制系统如图7所示：

图6键盘接口电路

2.7液晶显示模块

本文选用的TG19264A是一种图形点阵液晶显示

器，它主要由一个行驱动器(HD61203)三个列驱动器

(HD61202)及192又64全点阵液晶显示器组成，可显示12×4个(16只16点阵)汉字。用来显示设定的幅宽、

图7控制系统

系统调节原理：

第2期艾剑锋等：基于AT89C52单片机的变量喷雾控制系统的设计

等时，q随v的变化而变化。

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根据单位面积实际施药量表达式[7]：

Q1=kq

vW式中：Q1———单位面积实际施药量，单位L/hm2；

——单位时间体积流量，单位L/min；q———机车的速度，km/h；v———喷杆幅宽，单位m；W———计算系数，k=600。k—(1)

3.2程序流程图

程序流程如图8所示，速度处理模块和流量处理

模块用计数器记录脉冲个数通过公式计算出速度和流量；键盘处理模块，包括设定值Q和喷杆幅宽W的输入和显示；实际值与设定值比较模块，包括实际值Q1的计算以及和设定值Q的比较；电动阀处理模块，根据单片机I/O输出值，改变调节阀开度。

喷杆幅宽W一定时，则q/v的比值与Q1成正比。如果Q1大于设定的单位面积施药量Q则调节阀门开度使得q/v的比值变小；反之，比值应变大；当二者相

4结束语

本文将AT89C52单片机应用于农业生产过程中，

经硬件电路和软件程序设计形成的自动控制系统能够实现变量施药的目的。该系统提高了农药利用率。减少了农药残留和环境污染。由于采用人工输入设定值的方法，对于设定施药量的取值还需制定一个作业决策系统，使不同作业状况下的设定值合理。

参

考

文

献

[1]玄子玉,杨方,刘立意.基于单片机的变量喷雾控制系统的设

计[J].东北农业大学学报,2009,40(8):110~112.

[2]杨学军,严荷荣,徐赛章,等.植保机械的研究现状及发展趋

势[J].农业机械学报,2002(6):121~126.

[3]张毅坤,陈善久,裘雪红.单片微型计算机原理及应用[M].西

安:电子科技大学出版社,1998,9:28.

[4]杨帮文.新编传感器实用宝典[M].北京：机械工业出版社,2005,55~62.

[5]李丽君.基于LINUX的自动变量喷药系统设计[D].长春:吉

林大学硕士学位论文,2009,6.

[6]翟长远,朱瑞祥,随顺涛,等.车载式变量施药机控制系统设

计与试验[J].农业工程学报,2009,25(8):105~109.

[7]王锦江,陈志,杨学军.基于AT89C51单片机的变量施药控

制系统研究[J].农机化研究,2007,(11):147~149.

DesignofVariableSprayControlSystemBasedontheAT89C52Single-chipMicrocomputer

AIJian-feng,ZHANGHai-liang,LIUXue-mei,ZHOUJian-min

(SchoolofBasicScience,EastChinaJiao-TongUniversity,Nanchang,330013,China)

Abstract:WithAT89C52microcontrollerasthecore,bytheinformationcollectionandprocessingsystems,automaticcontrolsystem,throughtheflow,speedsensoracquisitionspeed,flowmetercalculatestheactualapplicationrateperunitarea,andsettheapplicationrateperunitareacomparedtoautomaticcontrolsystemautomaticallyadjustedaccordingtoresultsofthecomparisonelectriccontrolvalve,vari-ablespraypesticidetoachievethepurpose.Systemiscapableofwalkingspeedlocomotivepesticidesprayingautomaticallychangetheamountofapplicationratetoachievethesameunitarea.BasedonAT89C52microcontrollercontrolsystemcanbeusedinautomaticspray-ingpesticideoperations,consistentwiththecurrentsituationofagriculturalproduction.Keywords:controlsystem;single-chipmicrocomputer;variablespraying