馮燕柱 ，鐵風(fēng)蓮 ，林思嬪

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動化學(xué)院，廣東 廣州 510550）

0 引言

2021 年，我國糧食總產(chǎn)量達到了6.82 億t[1]，而大部分的糧食都需要干燥后才能儲存和運輸，因而糧食干燥技術(shù)對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展十分重要。目前，糧食干燥的方法主要有兩種，一是自然晾干，二是機器烘干[2]。大型的糧食生產(chǎn)基地主要采用機械設(shè)備進行烘干，這種方法效率高、勞動強度小，但成本高，只適合大型農(nóng)場。而我國存在大量的小型糧食種植戶，主要采用自然晾干的方式進行糧食干燥，該方法勞動強度高、作業(yè)環(huán)境艱苦。因此，迫切需要研發(fā)一款能夠替代人工翻曬、成本低的自動化設(shè)備，以釋放勞動力，減輕農(nóng)民負擔(dān)。

谷物翻曬設(shè)備必須讓人無需在露天環(huán)境下進行干燥作業(yè)。湯成建等提出了一種以ATmega128 為主控板的太陽能谷物翻曬機器人，其主要功能包括太陽能發(fā)電和人工遠程控制機器人進行谷物翻曬[3]。周湘博等提出了一種無人值守的太陽能自動翻曬裝置，以太陽能發(fā)電的方式給裝置供電，通過兩組氣囊形成高度差實現(xiàn)谷物翻曬[4]。這兩種方法在一定程度上能夠解決谷物翻曬的問題，但也存在適用性差的問題。因此，本文提出了一種基于單片機的實用性強的谷物翻曬小車。

目前，單片機在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中，在控制[5-7]、監(jiān)測[8-9]和自動化[10-11]方面應(yīng)用廣泛?；趩纹瑱C技術(shù)，結(jié)合谷物翻曬的特點，設(shè)計了一臺谷物翻曬智能小車。該小車具有定時按照設(shè)置的路線自主行走的功能；利用傳感器模塊采集溫度與濕度信息，當溫度和濕度低于設(shè)定值時，發(fā)出警報提醒農(nóng)民收拾谷物；利用電量檢測模塊檢測小車電池的電量，當電量低于設(shè)定值時，小車將自動回到充電點充電。

1 谷物翻曬小車設(shè)計概述

谷物翻曬小車主要由底板、輪子、主控板、電機和翻場板構(gòu)成，如圖1所示。底板主要起支撐作用，其他元件都是安裝在底板上。谷物翻曬小車有4 個輪子，每個輪子都與電機連接，電機的驅(qū)動力通過齒輪箱傳遞給輪子，通過控制電機讓小車按照預(yù)設(shè)的路徑行走。主控板主要包括STC8H8K64U芯片、陀螺儀、電機控制模塊、蜂鳴器、溫濕度采樣模塊和電量采集模塊。谷物翻曬小車的總體控制框圖如圖2 所示，主控芯片產(chǎn)生PWM 波傳遞給電機控制模塊，實現(xiàn)電機的速度控制、小車的直線行走和轉(zhuǎn)彎；溫濕度采樣模塊通過傳感器采集空氣的溫度與濕度信息，并輸入主控芯片的引腳，主控芯片對接收的信息進行判斷，當溫度和濕度低于設(shè)定值時，通過蜂鳴器發(fā)出警報提醒農(nóng)民收拾谷物；電量采集模塊與小車的供電模塊串聯(lián)，通過測量供電模塊的電壓實現(xiàn)對電池電量的監(jiān)控，當電量低于設(shè)定值時，小車自動回到充電點充電。

圖1 谷物翻曬小車模型圖

圖2 谷物翻曬小車的總體控制框圖

2 谷物翻曬小車功能實現(xiàn)

2.1 谷物翻曬小車的路徑規(guī)劃

傳統(tǒng)的谷物翻曬方式一般是先橫向翻曬，再縱向翻曬，然后再交替翻曬。谷物翻曬小車先設(shè)定成橫向行走，橫向行走結(jié)束后，使用芯片的定時器定時一段時間，定時結(jié)束后讓小車縱向行走，縱向行走結(jié)束后再定時一段時間，然后再橫向行走，如此重復(fù)，便能夠達到人工翻曬的效果。小車橫向與縱向的行走路徑如圖3 所示。橫向行走首先從充電點出發(fā)，沿著圖3（a）中的黑色虛線路徑行走，到達末端時再沿著紅色虛線路徑回到充電點，完成橫向翻曬。圖3（a）中相鄰兩條虛線的間距為W，W為小車車身的寬度?？v向行走與橫向行走類似，首先從充電點出發(fā)，沿著圖3（b）中的黑色虛線路徑行走，到達末端時再沿著紅色虛線路徑回到充電點，完成縱向翻曬，圖3（b）中相鄰兩條虛線的間距也是W。

圖3 小車行走路徑示意圖

一般谷物翻曬的場地大小都是固定的，用戶可以通過外設(shè)獨立按鍵設(shè)置谷物翻曬場地的大小。小車在翻曬過程中設(shè)定以恒定的速度V行走。假設(shè)翻曬場地長為A、寬為B，那么每次橫向行走的距離為B-2W，縱向行走W距離的總次數(shù)為A/W-1；每次縱向行走的距離為A-2W，橫向行走W距離的總次數(shù)為B/W-1。采用編碼器來計算小車行走的距離，通過小車上陀螺儀反饋的信息來確定順時針轉(zhuǎn)動還是逆時針轉(zhuǎn)動。由于每次翻曬行走的路徑和速度都是固定的，所以可以把行走的數(shù)據(jù)信息以數(shù)組方式存儲，使用時調(diào)用即可。

2.2 溫濕度信息采集模塊

露天翻曬谷物最怕遇到雷雨天氣，來不及收拾曬好的谷物，導(dǎo)致谷物發(fā)霉，并增加晾曬的次數(shù)和農(nóng)民的負擔(dān)。因此，了解環(huán)境的溫度與濕度信息十分重要，可以提醒農(nóng)民提前收拾好谷物，避免淋雨。

溫濕度信息采集模塊選用DS18B20 模塊，該模塊由內(nèi)部的單片機完成單線通信采集溫度和濕度信息的工作，并通過串口方式輸出給主控芯片。DS18B20 模塊有4 個引腳，VDD 引腳接3.3 V 電源，GND 引腳接地，TX 引腳接主控芯片的P3.0 串口1 的接收引腳，RX 引腳接主控芯片的P3.1 串口1 的發(fā)送引腳，如圖4（a）所示。當溫度與濕度低于設(shè)定值時，蜂鳴器將發(fā)出響聲提醒農(nóng)民及時收拾谷物，蜂鳴器通過主控芯片引腳P2.3 控制，蜂鳴器的連接電路圖如圖4（b）所示。

圖4 元件連接電路圖

2.3 電池電量采樣模塊

谷物翻曬小車在行走過程中消耗電量，使用電量采樣模塊對電池電量進行監(jiān)測。當監(jiān)測到電量低于設(shè)定值時，小車在執(zhí)行完當前操作后，再沿設(shè)定的路徑回到充電點充電。電量采樣模塊使用LT-211-B 型模塊，該模塊由5 V 的直流電源供電，測量直流電壓的范圍為1 V~260 V，能夠滿足對小車電池電量的測量。該模塊提供RS485 和UART 兩種通信方式獲取測量的電壓、電流和功率信息。本文使用UART 通信方式與主控芯片進行通信。

以小車橫向行走為例，說明小車接到充電提醒信號后回到充電點的路徑規(guī)劃。小車橫向行走時提醒充電的位置可以分成四種情況，如圖5 所示。當小車在E 位置時，先讓小車沿黑色虛線行走完路程，然后順時針旋轉(zhuǎn)90°后沿紅色虛線回到充電點；當小車在F 位置時，先讓小車沿黑色虛線行走到箭頭末端，然后順時針旋轉(zhuǎn)90°后行走W距離，再順時針旋轉(zhuǎn)90°后行走B-2W距離，最后順時針旋轉(zhuǎn)90°后沿紅色虛線回到充電點；當小車在G 位置時，先讓小車沿黑色虛線行走到箭頭末端，然后順時針旋轉(zhuǎn)90°后行走B-2W距離，最后順時針旋轉(zhuǎn)90°后沿紅色虛線回到充電點；當小車在H 位置時，先讓小車沿黑色虛線行走完W距離，再讓小車順時針旋轉(zhuǎn)180°后沿紅色虛線回到充電點?？梢酝ㄟ^記錄縱向行走W距離的次數(shù)為n，推斷出沿紅色虛線行走的距離為n×W。把每種情況的路徑信息以數(shù)組方式存儲，使用時再調(diào)用。同理，小車的縱向行走也可以分成幾種情況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用C 語言，基于Keil 5 進行開發(fā)，系統(tǒng)程序流程圖如圖6 所示。系統(tǒng)上電后，將各模塊的參數(shù)初始化。首先進行行走路徑的選擇，選擇好路徑后，主控芯片發(fā)送PWM 給電機控制模塊控制小車沿設(shè)定的路徑行走；在行走過程中一直判斷是否行走完設(shè)定的路徑、是否下雨和是否缺電，若否則小車繼續(xù)行走，若是則小車沿設(shè)定的路線返回充電點；當小車沒遇到下雨和缺電的情況，順利行走完設(shè)定的路徑時，小車返回充電點，等待一段時間后再進行行走路徑的選擇，在等待過程中也進行是否下雨的判斷。當溫度與濕度低于預(yù)設(shè)值時，判斷為下雨，蜂鳴器響起。溫濕度采集模塊與電量采集模塊通過UART 通信傳輸采集的數(shù)據(jù)給主控芯片，主控芯片將其與預(yù)設(shè)值進行比較并作出判斷。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

4 結(jié)論

好的谷物翻曬設(shè)備可以降低自然翻曬的勞動強度，釋放勞動力。因此，本文基于單片機設(shè)計了一臺谷物翻曬小車，提出了橫向行走翻曬和縱向行走翻曬交替翻曬的方式，小車缺電時能自主返回充電點充電，并具有下雨前兆提醒功能，可以實現(xiàn)較好的谷物翻曬效果。該設(shè)計適合小型種植戶在太陽下翻曬稻谷、花生等谷物時使用。