基于NEC單片機田間超聲波測距的應用

游兆延， 胡志超 ， 吳 努 ， 吳惠昌， 彭寶良， 謝煥雄

（1．農業部南京農業機械化研究所 江蘇 南京 210014；2.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019）

在田間旋耕、收獲、播種時，經常需要控制機具的作業深度，現有農業機械設備多無機具作業深度監測設備，既費力又影響田間耕作效果[1]。我國在農業機械裝備處于起步階段，以東方紅X-804拖拉機為研究對象，開發了電控液壓轉向系統和作業機具升降控制系統，實現了拖拉機自動轉向操縱控制和作業機具自動升降控制[2]，但整套設備價格昂貴，推廣尚需時日。本文提出了基于NEC單片機的田間超聲波測距方法，設計了一種地面仿形裝置，利用超聲波測距傳感器和NEC單片機，將機具作業深度通過液晶屏顯示出來。該方法在降低駕駛員勞動強度的同時提高勞動效率，具有實際應用價值。

1 超聲波傳感器發射地面試驗

由超聲波傳播理論可知，聲波在傳播過程中如果遇到直徑小于超聲波半個波長的障礙時，其聲波會繞過障礙物而繼續傳播，即產生繞射現象，選取花盆上方同一水平面3行3列的9點測量。如圖1所示，用超聲波測量距書桌高度，圖2為利用超聲波傳感器模擬測量地面的一組數據，在其傳播路徑中放有花盤時，超聲波未發生繞射，原因是由于收獲植物莖葉直徑較大時，發射的超聲波還未到達地面就發生了反射，影響測量結果。為解決此問題設計了一種非剛性接觸地面仿形裝置。

2 非剛性接觸仿形裝置設計

2.1 結構原理

圖1 超聲波傳感器模擬測量地面試驗Fig.1 Simulation test of ultrasonic sensor measuring ground

圖2 超聲波測距實驗結果Fig.2 Test results of ultrasonic distance measuring

仿形裝置由地輪，導向管a，導向管b，焊接板，壓簧，長螺桿，測量基準板等組成。壓簧嵌套在長螺桿上，并始終運動于兩導向管之間，導向管b隨著地面的起伏在導向管a內上下滑動，活動距離為335 cm，導向管a和導向管b之間連接有六角頭螺栓，限制了導向管b繞長螺桿軸線方向轉動的的自由度，更好的起到了導向作用。超聲波傳感器安裝在超聲波測量基準板上方，測量超聲波傳感器距離測量基準板的距離可以得到機具作業深度的變化。

圖3 非剛性接觸地面仿形裝置Fig.3 Nonrigid ground-contact copying mechanism

2.2 地輪滾動模型動力分析

根據車輪在平坦地面的運動、受力和只滾不滑的條件[3]可以列出以下方程：

圖4 地輪滾動受力分析Fig.4 Tension analysis of rolling ground wheel

3 電子控制系統設計

3.1 系統硬件

超聲波測距系統主要由硬件和軟件2部分組成。硬件部分主要由超聲波傳感器、DC-DC電源模塊、NEC單片機、LCD顯示器等組成[4]，以實現數據采集、存儲、分析和顯示等功能，其系統組成框圖如圖5所示。

圖5 系統硬件框圖Fig.5 Diagram of hardware system

3.1.1 超聲波傳感器

超聲波傳感器安裝在測量基準板上方，選用的是恒瑞天創公司的HR/JCS1501型測距元件，其供電電壓為12 V/24 V，檢測距離為精度為0.5%，輸出方式為模擬信號：4~20 mA/0~5 V，聲束角為10-15°，工作溫度為-10-70℃。

3.1.2 DC-DC電源模塊

在田間，單片機的工作環境比較復雜，干擾多，電源起伏變化，同時為了適應不同牽引拖拉機的電源輸出，選用致遠公司生產的ZY2405UHBD－6W隔離DC－DC電源模塊，為長寬壓型，電壓輸入范圍9～36 V，1 k V隔離單電源輸出，對單片機控制系統的穩定性起到決定性的作用[5]。

3.1.3 主控制器

主控制器采用NEC公司的 78K0/LF3系列8位單片微處理器μPD78F0483，內置高精度的環行震蕩器，在-40-85°的時候精度可達到0.1% ，最多可以使用 62個I/O端口[6]，芯片內部集成 32 KB FLASH存儲器、1KB內部高速 RAM[7]，芯片資源滿足設計需求。

3.1.4 LCD顯示與狀態指示

顯示采用LCD顯示屏，顯示設置菜單、運行實時參數和報警異常等信息。操作人員可以根據LCD顯示器、蜂鳴器和LED狀態指示等聲音和光的形式，隨時調整機具作業深度。電路原理圖如圖6所示。

3.2 系統軟件

NEC單片機有專用代碼生成工具Applilet，是一種非常方便的軟件開發工具，用戶可以根據實際要求靈活的生成相應的驅動代碼，在Applilet中設置所需要的外圍設備功能，輸出需要的C語言代碼，根據需要對代碼進行修改，由NEC專用軟件開發設計的集成環境平臺PM+建立目標源文件，最后將程序經燒寫器燒入到單片機中去，實現控制任務。圖7為Applilet生成的部分代碼。

圖6 主電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of main circuit

4 結 論

1）選用的NEC單片機內置上電復位清零電路，低電壓偵測電路和獨立源看門狗電路，不需要任何外圍元件。功耗低，抗干擾能力強，支持自編程，62個I/O能夠為滿足今后研制智能化收獲裝備提供開發平臺。

2）本文設計了一種基于超聲波測距原理的自動限深裝置，該裝置能夠適用于田間復雜的作業環境，自動化程度高，可以有效提高挖掘效果，此套裝置可安裝于整地機械、各類土下果實的收獲機械中，具有廣泛的適應性。

圖7 Applilet生成的部分代碼Fig.7 Part of the code generated by Applilet

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[6]NEC Electronics Corporation.78K0/LF3-8-BitSingle-Chip Microcontrollers User’s Manual[R].2007.

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