單片機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備自動化改造中的應(yīng)用分析

王 亞

（濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濮陽 457000）

單片機(jī)有著極強(qiáng)的數(shù)學(xué)邏輯控制能力，具有結(jié)構(gòu)小、重量輕、功率消耗低等優(yōu)勢，從而受到多個行業(yè)的青睞。開展農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化改造時，合理、科學(xué)運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)備操作難度大、效率低、管控不及時等缺點(diǎn)，為農(nóng)機(jī)設(shè)備的自動化操作、控制與運(yùn)行提供可靠的技術(shù)支持。

1 農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化改造中單片機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢

農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化發(fā)展是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中需重點(diǎn)考慮以及預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，既能夠減少人工操作量，還能夠賦予農(nóng)機(jī)設(shè)備更高性能，確保其始終保持良好、穩(wěn)定的運(yùn)作狀態(tài)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量。但要想實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)設(shè)備的自動化改造，需應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與各類先進(jìn)改造技術(shù)，而單片機(jī)便是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要類型，其作用是對系統(tǒng)進(jìn)行微化處理，并優(yōu)化計(jì)算機(jī)性能，為農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化改造的順利推進(jìn)提供可靠保障，促使設(shè)備總體性能及產(chǎn)能大幅提升，以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[1]。

單片機(jī)可看作一種單片微型計(jì)算機(jī)，隨機(jī)存儲、讀取中央處理器，從而達(dá)到端口輸入與輸出的目的，是集所有功能為一體的集成電路芯片。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，單片機(jī)已從最初的8 位發(fā)展至如今的32 位，且不同單片機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)有較大差異，但彼此間相互補(bǔ)充。由此可見，農(nóng)機(jī)設(shè)備改造中單片機(jī)的應(yīng)用是未來主流發(fā)展趨勢，應(yīng)深入探究，盡可能發(fā)揮出單片機(jī)應(yīng)用價(jià)值。推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化，涉及多類型自動化、智能化機(jī)械設(shè)備的使用，同時也包括以人工操作為主的傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)設(shè)備。只有做到設(shè)備的統(tǒng)一管理，科學(xué)運(yùn)行計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，確保設(shè)備性能完善，才能推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量、高效率進(jìn)行。作為計(jì)算機(jī)的核心部件，單片機(jī)因其自身性能優(yōu)勢，可從根本上增強(qiáng)各部件抗干擾能力，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理職能，強(qiáng)化現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)備管理水平，確保設(shè)備穩(wěn)定、安全運(yùn)行[2]。

此外，農(nóng)業(yè)的發(fā)展與轉(zhuǎn)型，對農(nóng)機(jī)設(shè)備各部件的運(yùn)行性能提出更高要求，既要保留傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)生產(chǎn)性能，還要進(jìn)行外部拓展，嚴(yán)重影響農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化系統(tǒng)運(yùn)行效率，這就需要積極落實(shí)設(shè)備自動化改造工作。尤其是多個部件的集中化應(yīng)用，更能夠凸顯出計(jì)算機(jī)改造、管控作用，并在極強(qiáng)抗干擾條件下，促進(jìn)農(nóng)機(jī)設(shè)備智能化、自動化發(fā)展。

2 單片機(jī)的合理選擇及基本特征

2.1 單片機(jī)的合理選擇

科技的進(jìn)步在優(yōu)化單片機(jī)性能的同時也豐富了單片機(jī)類型，為適應(yīng)各個行業(yè)應(yīng)用發(fā)展需求，創(chuàng)新出不同類型與型號的單片機(jī)系統(tǒng)。選用單片機(jī)時，應(yīng)從以下三個角度加以思考：其一，單片機(jī)在運(yùn)行過程中應(yīng)表現(xiàn)出極強(qiáng)的實(shí)用性，可充分滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行的需求；其二，應(yīng)保證單片機(jī)產(chǎn)品的易獲取性，與其他同類型產(chǎn)品相比，應(yīng)具備極高的性價(jià)比；其三，根據(jù)農(nóng)機(jī)操作人員對單片機(jī)技術(shù)的理解程度以及應(yīng)用能力科學(xué)選用單片機(jī)類型，確保技術(shù)的完善與后續(xù)應(yīng)用開發(fā)的有序進(jìn)行[3]。

單片機(jī)入門者在選購單片機(jī)系統(tǒng)時需參考以上建議，當(dāng)前性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)類型為51 系列的8 位單片機(jī)。技術(shù)人員應(yīng)深入了解單片機(jī)運(yùn)行原理與基本功能，加強(qiáng)對其他類型單片機(jī)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對更高級操作技巧的全面掌握，以此滿足個性化、多元化使用需求。此外，選擇單片機(jī)時，以能夠直接下載程序的類型為重點(diǎn)考慮對象，為后續(xù)程序的修改與優(yōu)化提供可操作性保障。一般來說，單片機(jī)的程序存儲區(qū)可執(zhí)行1 000次～10萬次的反復(fù)擦寫，這一特征能夠基本滿足入門者對單片機(jī)的學(xué)習(xí)要求。但為獲得預(yù)期學(xué)習(xí)效果，最大程度地發(fā)揮單片機(jī)應(yīng)用價(jià)值，還應(yīng)積極了解、學(xué)習(xí)單片機(jī)資料手冊，熟悉單片機(jī)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部構(gòu)造，并做到對硬件資源的有效掌握，促使單片機(jī)性能開發(fā)與利用效率得以提高[4]。

2.2 單片機(jī)的基本特征

多種功能集中于一張芯片上是單片機(jī)最為突出的特征，很多操作人員認(rèn)為若將多類別工作整合于同一張芯片上，會減少單片機(jī)零部件使用量。但事實(shí)上，單片機(jī)具備完整的計(jì)算機(jī)性能，且系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有多個部件，如中央處理器，并在其外端連接有通信外接設(shè)備。這一構(gòu)造方式賦予單片機(jī)更高性能，從而滿足使用者運(yùn)行需求。起初所制造的單片機(jī)僅有內(nèi)存零部件，而技術(shù)的不斷發(fā)展以及各行業(yè)使用需求的不斷增多，現(xiàn)如今的單片機(jī)在整體結(jié)構(gòu)上得到相應(yīng)的完善，并具備聲音、圖像等多種要素。經(jīng)過長時間的運(yùn)作與優(yōu)化，單片機(jī)的使用也可起到網(wǎng)絡(luò)檢索的作用。在最初設(shè)計(jì)時，因單片機(jī)功能完善，可縮小計(jì)算機(jī)體積，增強(qiáng)操作便捷性，且單片機(jī)可以同網(wǎng)絡(luò)直接相連，拓寬適用范圍，有利于對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程把控，因此，僅考慮接入更多外接設(shè)備，卻忽視了對現(xiàn)場干擾因素的考慮。對此，技術(shù)人員便加強(qiáng)對單片機(jī)抗干擾性能的研究，以此豐富系統(tǒng)功能。此外，對單片機(jī)的使用特征進(jìn)行分析，其擁有良好集成度，且所占空間小，便于攜帶。單片機(jī)還表現(xiàn)出多方面優(yōu)勢，比如控制功能完善、操作難度低、性價(jià)比高等，現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)通信、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中[5]。

3 農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化改造中單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用

3.1 明確單片機(jī)控制要求

為深入、全面、準(zhǔn)確地分析單片機(jī)控制要求，應(yīng)了解、明確農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化的改造需要。單片機(jī)生產(chǎn)與應(yīng)用期間，為保證單片機(jī)能夠在農(nóng)機(jī)自動化系統(tǒng)中穩(wěn)定、良好運(yùn)作，應(yīng)在系統(tǒng)改造前，依托所設(shè)定的具體執(zhí)行要求，對單片機(jī)實(shí)際控制要求進(jìn)行深入探討。通常來說，在維護(hù)單片機(jī)整體運(yùn)行安全性的前提下，需根據(jù)自動化系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行程序，著手對存儲層傳輸信息與重要信息的分析工作，并在制作單片機(jī)的過程中，明確單片機(jī)具體安裝位置，同時做好各部件的制作與檢測工作。比如，若單片機(jī)沖頭下沖，需先執(zhí)行首孔沖制工作，緊接著檢測沖制機(jī)制，確保其整體合理性，當(dāng)達(dá)到良性循環(huán)狀態(tài)后，開展第二個單片機(jī)孔沖制作業(yè)。處理完所有孔后再回到首孔位置，對單片機(jī)材料進(jìn)行更換。這一控制要求的實(shí)施既能夠推動單片機(jī)生產(chǎn)與制作工作的有序、順利執(zhí)行，還可在農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化改造中充分發(fā)揮作用，以此滿足系統(tǒng)自動化改造需要[6]。

3.2 做好軟件功能改造工作

單片機(jī)軟件系統(tǒng)的搭建與穩(wěn)定運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)對任務(wù)細(xì)節(jié)的處理，并保證各類資源的合理利用，將更為明確的操作指令發(fā)送給農(nóng)機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動化管控。軟件是確保農(nóng)機(jī)自動化系統(tǒng)工作運(yùn)轉(zhuǎn)良好的主要動力基礎(chǔ)，這就需要在開展農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備自動化系統(tǒng)控制與改造時，加強(qiáng)對軟件設(shè)施的完善，為農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)設(shè)良好條件。使用單片機(jī)開展設(shè)備改造時，盡可能建立起各自動化子系統(tǒng)彼此間的聯(lián)系，確保所有系統(tǒng)的高度配合，以保證系統(tǒng)的完整性、先進(jìn)性，凸顯出系統(tǒng)軟件的運(yùn)行功能與價(jià)值，并滿足農(nóng)機(jī)設(shè)備機(jī)械化、自動化運(yùn)行需求。此外，功能設(shè)計(jì)時，為增強(qiáng)設(shè)計(jì)的全面性、科學(xué)性，應(yīng)按照系統(tǒng)特點(diǎn)以及實(shí)際功能劃分多個模塊，以模塊為單位著手功能設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)對各部分功能的優(yōu)化與調(diào)整，簡化設(shè)計(jì)程序的同時，降低整體化系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控難度，推動設(shè)計(jì)工作的有序、高效落實(shí)。但需注意的是，開展模塊調(diào)控工作時，應(yīng)預(yù)留充足空間，為后期系統(tǒng)運(yùn)維、升級創(chuàng)設(shè)有利條件[7]。

3.3 軟硬件抗干擾改造

要想單片機(jī)長時間保持穩(wěn)定、良好的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，強(qiáng)化農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化改造效果，僅依靠軟件、硬件的功能無法實(shí)現(xiàn)，還需增強(qiáng)軟件與硬件彼此間的配合度，并提高軟硬件系統(tǒng)整體抗干擾能力。現(xiàn)如今，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械功能完善與自動化改造作業(yè)中，但由于農(nóng)業(yè)技術(shù)水平較低，且農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行環(huán)境較差，為推動設(shè)備自動化改造工作有序、高質(zhì)量進(jìn)行，就需注重對自動化系統(tǒng)抗干擾功能的設(shè)計(jì)，確保農(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。此外，此項(xiàng)工作的開展還可從真正意義上保障設(shè)備接收運(yùn)行指令與各類信號的正確性，并嚴(yán)格按照指令信息自動運(yùn)行，降低設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的增多以及農(nóng)機(jī)設(shè)備操作技術(shù)水平的不斷強(qiáng)化，要求單片機(jī)的抗干擾設(shè)計(jì)也作出相應(yīng)的改變。而此項(xiàng)設(shè)計(jì)效果得益于軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的不斷升級，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性，可保證農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化改造的秩序性、先進(jìn)性[8]。

3.4 加強(qiáng)驅(qū)動電路改造

驅(qū)動電路是需重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)計(jì)內(nèi)容。驅(qū)動電路是保證系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵，亦是各子系統(tǒng)多元化功能充分實(shí)現(xiàn)的前提。開展驅(qū)動電路設(shè)計(jì)工作時，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括端口驅(qū)動的連接方式、需協(xié)調(diào)運(yùn)作的子系統(tǒng)、輸入輸出信號的科學(xué)處理等，為各個部位的穩(wěn)定、高性能運(yùn)作提供基本保障[9]。

3.5 控制總電路改造

農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮，需科學(xué)、合理地應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，在先進(jìn)技術(shù)的支撐下，提高設(shè)備控制系統(tǒng)靈敏度與管控力，還可實(shí)現(xiàn)多個子系統(tǒng)的良好、協(xié)調(diào)運(yùn)作，并達(dá)到控制總電路改造的效果。若所設(shè)計(jì)的控制電路缺乏合理性，無法發(fā)揮其控制作用，將不利于自動化系統(tǒng)的安全、良好運(yùn)作，甚至?xí)龃筠r(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行故障、損壞的風(fēng)險(xiǎn)。分析單片機(jī)結(jié)構(gòu)能夠發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)設(shè)置有強(qiáng)大且指令豐富的系統(tǒng)，在系統(tǒng)資源占用方面也表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，可從根本上增強(qiáng)自動化系統(tǒng)控制精準(zhǔn)性、及時性、穩(wěn)定性[10]。

4 農(nóng)業(yè)滴灌自動化系統(tǒng)功能改造設(shè)計(jì)

首先，改造、設(shè)計(jì)土壤濕度檢測模塊。為保證滴灌系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供適宜水分，需搭建土壤中水分含量實(shí)時檢測系統(tǒng)，并將傳感器作為主要工作元件。要想傳感器發(fā)揮出數(shù)據(jù)采集功能，長時間保持良好運(yùn)行狀態(tài)，傳感器需具備極強(qiáng)的防水性能，故通常由不銹鋼或防水材料制作而成。確保傳感器能夠較長時間埋藏于含水量高的土壤中，定點(diǎn)監(jiān)控、測量土壤表層與深層部分水分含量。該模塊可自動接收傳感器反饋數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以信號模擬的方式輸出，這類信號只有兩種形式，即低于既定含水量、高于既定含水量，此時自動化滴灌系統(tǒng)可根據(jù)信號控制供水量。

其次，設(shè)計(jì)信號轉(zhuǎn)換模塊。因單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號的科學(xué)處理，所以當(dāng)接收到傳感器輸出的模擬信號后，需利用信號轉(zhuǎn)換裝置將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由單片機(jī)進(jìn)行處理。在設(shè)計(jì)與改造該模塊時，應(yīng)保證配置的信號轉(zhuǎn)換裝置可以自行獨(dú)立供電，且不會消耗過多電能，并具備極為顯著的續(xù)航效果。設(shè)計(jì)模擬信號輸入端口時，其數(shù)量應(yīng)多于信號輸出端口，確保系統(tǒng)功能性運(yùn)作。此外，還應(yīng)搭建信號輸出模塊，利用單片機(jī)處理完輸入數(shù)字信號后，再通過信號輸出裝置控制系統(tǒng)實(shí)際供水量，以串行的方式設(shè)置總線，自動控制并完成模擬信號輸入與輸出、數(shù)字信號輸入與輸出，確保滴灌系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、科學(xué)性。

再次，搭建工作參數(shù)顯示模塊。為保證滴灌系統(tǒng)操控人員能夠?qū)崟r跟蹤、掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，確保滴灌作業(yè)有效進(jìn)行，需科學(xué)設(shè)置、優(yōu)化工作參數(shù)顯示模塊。在控制中心安裝LCD 液晶顯示裝置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場情況的可視化展示。由于自動化滴灌系統(tǒng)只是對供水量進(jìn)行控制，系統(tǒng)工作參數(shù)構(gòu)成較為簡單，采集、觀察、處理的數(shù)據(jù)量較少，通常以字母、數(shù)字、符號的形式加以顯現(xiàn)。因此，對于該模塊的功能要求較低，只需確保顯示裝置能夠精準(zhǔn)顯示出現(xiàn)場操作界面并反饋有關(guān)數(shù)據(jù)即可。

最后，完善遠(yuǎn)程操作模塊。為增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行人員整體使用體驗(yàn)感，并發(fā)揮出自動化滴灌系統(tǒng)管控功能，應(yīng)為系統(tǒng)配置遠(yuǎn)程遙感裝置。現(xiàn)階段，市場中應(yīng)用頻率最高的裝置為紅外線遙控裝置，利用遙感器發(fā)射紅外線，再借助控制模塊科學(xué)處理接收到的紅外線信號，對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時調(diào)控。在此過程中，自動化滴灌系統(tǒng)應(yīng)通過遙控操作實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作模式與工作時間等參數(shù)的調(diào)整。

5 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代科技水平的不斷發(fā)展與自動化程度的大幅提高，促使單片機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)與功能優(yōu)勢得到全面完善與充分彰顯，單片機(jī)在多領(lǐng)域中應(yīng)用的同時被大范圍推廣。因此，改造農(nóng)機(jī)設(shè)備自動化系統(tǒng)時，加強(qiáng)單片機(jī)技術(shù)的有效應(yīng)用，著眼于自動化系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)、軟硬件抗干擾設(shè)計(jì)、驅(qū)動電路設(shè)計(jì)等工作，可賦予自動化系統(tǒng)更高性能，并始終保持穩(wěn)定、安全的運(yùn)行狀態(tài)，在先進(jìn)技術(shù)與自動化設(shè)施的共同支撐下，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量。