孔繁庭 鄭朵朵

(蘭州文理學(xué)院傳媒工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730010)

引言

我國是人口大國，也是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的發(fā)展問題一直深受人們的關(guān)注，農(nóng)業(yè)對整個國家甚至整個民族的發(fā)展都是特別重要的。尤其近幾年，我國一再強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)發(fā)展的科技性。農(nóng)業(yè)發(fā)展得好，不僅能夠增強(qiáng)農(nóng)戶的收入，同時也能夠保障國家的糧食安全。在人們不斷追求健康的時代，蔬菜供不應(yīng)求。由于溫室大棚的結(jié)構(gòu)特別簡單，建造也比較容易，其可以避免惡劣天氣對農(nóng)作物的影響，而且建造溫室大棚可以營造農(nóng)作物所需要的環(huán)境，可以使得農(nóng)作物種植的時間不受限制，因此，溫室大棚的應(yīng)用成為人們所需要的，也逐漸發(fā)展成為農(nóng)民主要的經(jīng)濟(jì)來源，其溫室大棚的產(chǎn)品效益直接影響到農(nóng)民生活水平的提高，但是在實(shí)際的溫室大棚中還存在很多的問題，最主要的問題便是農(nóng)作物的運(yùn)輸，現(xiàn)在的溫室大棚長寬分別都在100m和10m以上，隨著蔬菜大棚的規(guī)模越來越大，對于蔬菜大棚的運(yùn)輸也提出了新的要求。傳統(tǒng)的蔬菜大棚規(guī)模小，自采自用，對于運(yùn)輸?shù)囊蟊容^低。但是目前，搭建蔬菜大棚不僅僅是為了滿足自家需求，更多的去向是市場輸送。運(yùn)輸量很大，傳統(tǒng)的運(yùn)輸費(fèi)時費(fèi)力，不夠便捷。

有些雖然采用小型運(yùn)輸車，但其運(yùn)輸車都是人工推運(yùn)，不夠智能，且容易對工人造成傷害。所以，設(shè)計(jì)1套智能的蔬菜大棚運(yùn)輸系統(tǒng)非常有必要。本研究主要是設(shè)計(jì)1款基于單片機(jī)STC89C52芯片[1-3]、藍(lán)牙控制、直流電機(jī)[4,5]等控制原理，控制在蔬菜大棚軌道上可遙控的智能運(yùn)輸車。利用手機(jī)APP操控運(yùn)輸車，使其能夠智能化的運(yùn)輸蔬菜，以此來節(jié)省人力物力，高效運(yùn)輸蔬菜。

1 蔬菜大棚運(yùn)輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

總體方案主要由電源、燈光控制模塊、藍(lán)牙控制模塊、直流電機(jī)、STC89C52芯片組成。電源、燈光控制模塊、藍(lán)牙控制模塊、直流電機(jī)都作用在STC89C52芯片上使其運(yùn)行?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)所需要實(shí)現(xiàn)的功能

在軌道上放小車，利用手機(jī)藍(lán)牙智能控制小車，使其能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)，倒車，加速減速等功能；為其加入燈光控制模塊，使工作不受時間限制；為其加入喇叭控制模塊。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件電路設(shè)計(jì)

總硬件部分設(shè)計(jì)的電路由復(fù)位控制電路、晶振控制電路、MCU外圍控制電路和L298N對電機(jī)的驅(qū)動控制電路以及大燈和喇叭的自動控制電路等幾個部分組成。復(fù)位集成電路、晶振電路和MCU外圍電路又構(gòu)成最小51系統(tǒng)電路。整體硬件電路如圖2所示。

2.2 MCU外圍電路

MCU外圍電路是在原來設(shè)計(jì)STC89C52RC核心板的基礎(chǔ)上制作一塊帶有按鍵，顯示接口和AD9805模塊的接口的底板。MCU作為集成控制系統(tǒng)的主要組成部分，負(fù)責(zé)采集和處理數(shù)據(jù)，以及所有的邏輯運(yùn)算和最終控制的實(shí)現(xiàn)。MCU的外圍電路所使用的是一種模塊化的設(shè)計(jì)理念，就是可以將其中的部分劃分為不同類型的模塊，把比較好的部件作為一個單獨(dú)的電路板。MCU外圍電路如圖3所示。

2.3 復(fù)位電路

復(fù)位控制電路可以確定STC89C52的開始運(yùn)行狀態(tài)，并且在整個運(yùn)行過程中，可以有效確保微機(jī)系統(tǒng)中的各個電路能夠穩(wěn)定、可靠的正常工作。上電復(fù)位就是該復(fù)位電路第1個重要功能。復(fù)位電路如圖4所示。

2.4 晶振電路

晶振電路的作用是為電路提供一個參考頻率。晶振電路如圖5所示。

2.5 電源電路

給單片機(jī)供電的就是1個電源控制器。電源電路如圖6所示。

2.6 硬件電路所需要的各個模塊

2.6.1 燈控制模塊

為了使其工作不受時間限制，給其增加了燈光控制，如圖7所示。

2.6.2 喇叭控制模塊

給其增添了新的功能，喇叭。通過蜂鳴器傳遞一些信息。晶體管電路激發(fā)膜片振動產(chǎn)生音響。如圖8所示。

2.6.3 藍(lán)牙控制的顯示模塊

JDY-31是1種基于藍(lán)牙3.0 SPP接口設(shè)計(jì)，可以支持Windows、Linux、Android數(shù)據(jù)透傳，有著2.4GHz的最大數(shù)據(jù)發(fā)射工作功率頻段，調(diào)制工作方式主要采用GFSK高斯頻移鍵控調(diào)制，最大的發(fā)射功率是8dB，最大的數(shù)據(jù)接收到整個發(fā)射器的距離也不過30m，用戶隨時都可以不通過AT等命令來進(jìn)行數(shù)據(jù)的修改，波特率等多種指令，方便迅速使用靈便。JDY-31為1種非常經(jīng)典的免費(fèi)藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以和所有已經(jīng)支持無線藍(lán)牙的智能手機(jī)設(shè)備進(jìn)行無線連接。可廣泛應(yīng)用于Windows等電腦專用藍(lán)牙無線串口視頻透傳、Android等無線藍(lán)牙串口視頻透傳、智能家居藍(lán)牙監(jiān)視和自動控制、汽車等藍(lán)牙檢測電子裝置、藍(lán)牙電子玩具、共享無線移動通話電源、大家都可以使用的體重秤、醫(yī)生所用的儀器設(shè)備等。

小車通過藍(lán)牙連接到手機(jī)，在手機(jī)里安裝一個APP，可以通過APP對小車進(jìn)行遙控。如圖9所示。

2.6.4 藍(lán)牙SPP串口透傳模塊引腳圖

藍(lán)牙SPP串口透傳模塊引腳圖如圖10所示。

其功能引腳說明如下。STATE：連接狀態(tài)引腳(未連接低電平，連接后高電平)；RXD：串口輸入引腳(TTL電平)；TXD：串口輸出引腳(TTL電平)；GND：電源地；VCC：電源(支持3.6～6V)；EN：空。

3 各個元器件的選擇

3.1 單片機(jī)的芯片選擇

為確保設(shè)計(jì)的軌道運(yùn)輸小車的資金不會過高，超出預(yù)算，所以，單片機(jī)的芯片選擇STC89C52RC。

3.2 STC89C52RC芯片

STC89C52RC是1種只讀存儲器，帶有8K字節(jié)，可編程，可擦除。電壓不是很高，但其性能特別好，擁有8位微處理器，還可以稱其為單片機(jī)。其運(yùn)算功能特別厲害，可以靈活地對其進(jìn)行軟件編程，靈巧的軟件編程可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的算法和一些邏輯控制，功率的損耗不是很大、體積也比較小、技術(shù)成熟和成本廉價等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在各個領(lǐng)域內(nèi)都能得到廣泛應(yīng)用。

STC89C52RC與MCS-51兼容，數(shù)據(jù)傳輸時間能夠長期連續(xù)保存很久，全方位動態(tài)可連續(xù)工作，其最大數(shù)據(jù)工作頻率的鎖定范圍一般是0Hz～40MHz；外部程序中的存儲器一般可以進(jìn)行鎖定并分為3級，工作電壓的鎖定值一般是5.5～3.3V；內(nèi)部RAM共有128×8位，可以進(jìn)行編程使其I/O線路的長度一般為32；16位的中斷計(jì)數(shù)器/中斷定時器一共3個，中斷源一共有5個，閑置和自動掉電的工作模式都可以是較低的總功耗，還有片內(nèi)信號振蕩器和片內(nèi)時鐘自動控制電路。

TC89C52RC的穩(wěn)態(tài)邏輯相當(dāng)好，其中的靜態(tài)掉電邏輯不僅可以允許其在零設(shè)定頻率的掉電情況下同時運(yùn)行，而且還可以同時允許支持2個處理軟件之間各自建立可進(jìn)行選擇的動態(tài)掉電響應(yīng)模型。而在一個非常閑置的工作模式下，CPU都是自動暫時停止正常運(yùn)行工作的。但是RAM、定時器、計(jì)數(shù)器、串口及網(wǎng)絡(luò)中斷等硬件系統(tǒng)還是無法繼續(xù)正常工作。在一個實(shí)時掉電控制模式下，可以將RAM的掉電內(nèi)容數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時保存并且同時鎖定一個電源振蕩器，阻攔所用其他電源芯片的掉電功能，直到其掉電模式排除為止。如圖11所示。

其引腳說明如下。VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：8位雙向I/0口，作為輸出端口；P1口：在編程和校驗(yàn)時，P1口作為第8位地址接收端口；P2口：在編程和校驗(yàn)時接收高8位地址信號和控制信號；P3口：可作為特殊功能口。

P3.0/RXD(串行輸入口)；P3.1/TXD(串行輸出口)；P3.2/INT0(外部中斷0)；P3.3/INT1(外部中斷1)；P3.4/T0(記時器0外部輸入)；P3.5/T1(記時器1外部輸入)；P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通)；P3.7/RD(外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通)；RST：復(fù)位輸入。其可以保持RST腳2個機(jī)器周期的高電平時間。

3.3 電機(jī)的選擇

由于直流電機(jī)[3]的起動能力很強(qiáng)，調(diào)速[5]性能也很好，有較強(qiáng)的過載能力，電磁干擾對直流電機(jī)的影響也很小，有著較大的旋轉(zhuǎn)矩，而且維修成本和價格也相對更加便宜，直流發(fā)電機(jī)的交換功率相比于交流來說更加環(huán)保。和步進(jìn)電機(jī)相比，直流電機(jī)驅(qū)動力也可以說是很強(qiáng)的，電源利用率也很好，故電機(jī)選用直流電機(jī)。

直流驅(qū)動電機(jī)主要用途是一種指將直流驅(qū)動電能直接轉(zhuǎn)化為直流機(jī)械驅(qū)動功率或者將直流機(jī)械驅(qū)動功率直接轉(zhuǎn)化為直流驅(qū)動電能，直流驅(qū)動電機(jī)又被稱之為高速旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)。其電機(jī)是一種能夠直接進(jìn)行直流機(jī)械輸出的傳動電能與交流機(jī)械傳動功率相互作用轉(zhuǎn)化的直流電動機(jī)。當(dāng)其被使用當(dāng)作風(fēng)力電動機(jī)在正常高速運(yùn)行的正常情況下，其本身就是直流電力發(fā)動機(jī)，可將所有的直流電能轉(zhuǎn)換為直流機(jī)械驅(qū)動功率，其被工作風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常高速運(yùn)行時，是由于直流機(jī)械驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以把所有的機(jī)械驅(qū)動力都轉(zhuǎn)換成機(jī)械電能。

控制1個直流電機(jī)的正負(fù)轉(zhuǎn)矩就能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)輸車的向前推移和后退等功能，采用了L298N直流電機(jī)驅(qū)動器芯片。前進(jìn)時5腳為1個持續(xù)的高電平，7腳為低電平；在后退過程中5腳是1個低電平，7腳是1個高電平。另外，再次通過改變方波的評率和高低電平就可以實(shí)現(xiàn)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行速度的控制。直流電機(jī)L298n驅(qū)動電路如12所示。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

程序就是一組能識別和執(zhí)行的指令，每一條指令都會使計(jì)算機(jī)執(zhí)行指定的操作。程序設(shè)計(jì)先有一個整體的構(gòu)思，確定其任務(wù)和想要實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，畫出程序框圖，寫出程序的過程，并對程序所出現(xiàn)的問題進(jìn)行修改，使得最終程序正確運(yùn)行。

在單片機(jī)應(yīng)用程序中，最普遍也是最容易的一種典型框架就是前后臺系統(tǒng)，這種框架通常是由主函數(shù)的大循環(huán)和一個或幾個中斷服務(wù)程序組成。除了前后臺系統(tǒng)，還有一個設(shè)計(jì)思路，是通過設(shè)置一個全局變量global，改變global的值從而使單片機(jī)工作在不同的狀態(tài)以應(yīng)對不同的需求，這其實(shí)也是前后臺系統(tǒng)的一個改進(jìn)版，一個變量上可以匯聚不同的中斷觸發(fā)情況，方便后臺系統(tǒng)在各個狀態(tài)之間切換。除了這2種設(shè)計(jì)思路外，還可以選擇在嵌入式操作系統(tǒng)中處理一些更加復(fù)雜的任務(wù)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖13所示。

5 系統(tǒng)的組裝與調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試過程主要分模塊調(diào)試和系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)。

其中系統(tǒng)的模塊調(diào)試在各模塊的設(shè)計(jì)過程中完成，基本上按照“設(shè)計(jì)—調(diào)試—修改”的過程反復(fù)進(jìn)行直到能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)軟件的調(diào)試在系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)中占據(jù)很大的比重。在軟件的設(shè)計(jì)過程中使用了C語言，Keli軟件，用這些來代替單片機(jī)能夠及時看到程序運(yùn)行的結(jié)果。

寫好所需要的程序，進(jìn)行測試，測試就是發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤，發(fā)現(xiàn)錯誤之后，就要對其進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試分為2步：確定其錯誤的位置并將其修改。

軟件的自動調(diào)試使用方法主要包括諸如暴力分析法自動調(diào)試、歸納法自動調(diào)試、演繹分析法自動調(diào)試、回歸分朔法自動調(diào)試、測試法自動調(diào)試等多種新的調(diào)試使用方法。其中暴力法調(diào)試糜費(fèi)腦力，效率不高，在軟件調(diào)試中盡量不使用。回朔法調(diào)試一般適用于小型程序。歸納法調(diào)試是統(tǒng)攬全局，不錯過任何一個細(xì)節(jié)。將這些數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，就可以歸納得出結(jié)果。其具體步驟：鎖定出現(xiàn)錯誤的位置，將這些錯誤的信息聯(lián)系起來，總結(jié)出其有用的信息，并對這些有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析且作出合理的假設(shè)，再證明假設(shè)是否成立，若假設(shè)成立，則解決問題就可以。演繹法和歸納法的邏輯相反，測試調(diào)試可以結(jié)合歸納法和演繹法一起使用。

APP就是電腦用C++編輯器編寫代碼后，再打包運(yùn)行。給運(yùn)輸車插上電，打開手機(jī)藍(lán)牙，運(yùn)輸車的藍(lán)牙和手機(jī)藍(lán)牙配對成功，開始在手機(jī)上點(diǎn)擊前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速等按鍵測試性能。

6 結(jié)論

通過對智能大棚運(yùn)輸車取代傳統(tǒng)運(yùn)輸車以及改善傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式的應(yīng)用研究，從總體框架、設(shè)計(jì)所需要實(shí)現(xiàn)的基本功能、硬件電路、軟件程序設(shè)計(jì)等方面都證實(shí)了本研究可以實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)輸車功能的結(jié)論，利用手機(jī)APP就能夠使得該運(yùn)輸小車可?？蛇\(yùn)，可加速、減速、倒車行駛。