基于單片機的谷物翻曬小車設計

馮燕柱 ，鐵風蓮 ，林思嬪

（仲愷農業工程學院自動化學院，廣東 廣州 510550）

0 引言

2021 年，我國糧食總產量達到了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，因而糧食干燥技術對現代農業發展十分重要。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]。大型的糧食生產基地主要采用機械設備進行烘干，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、作業環境艱苦。因此，迫切需要研發一款能夠替代人工翻曬、成本低的自動化設備，以釋放勞動力，減輕農民負擔。

谷物翻曬設備必須讓人無需在露天環境下進行干燥作業。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，以太陽能發電的方式給裝置供電，通過兩組氣囊形成高度差實現谷物翻曬[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，單片機在各個領域得到廣泛應用，其中，在控制[5-7]、監測[8-9]和自動化[10-11]方面應用廣泛。基于單片機技術，結合谷物翻曬的特點，設計了一臺谷物翻曬智能小車。該小車具有定時按照設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定值時，發出警報提醒農民收拾谷物；利用電量檢測模塊檢測小車電池的電量，當電量低于設定值時，小車將自動回到充電點充電。

1 谷物翻曬小車設計概述

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，電機的驅動力通過齒輪箱傳遞給輪子，通過控制電機讓小車按照預設的路徑行走。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，主控芯片產生PWM 波傳遞給電機控制模塊，實現電機的速度控制、小車的直線行走和轉彎；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定值時，通過蜂鳴器發出警報提醒農民收拾谷物；電量采集模塊與小車的供電模塊串聯，通過測量供電模塊的電壓實現對電池電量的監控，當電量低于設定值時，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

2.1 谷物翻曬小車的路徑規劃

傳統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。谷物翻曬小車先設定成橫向行走，橫向行走結束后，使用芯片的定時器定時一段時間，定時結束后讓小車縱向行走，縱向行走結束后再定時一段時間，然后再橫向行走，如此重復，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，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。縱向行走與橫向行走類似，首先從充電點出發，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，用戶可以通過外設獨立按鍵設置谷物翻曬場地的大小。小車在翻曬過程中設定以恒定的速度V行走。假設翻曬場地長為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動還是逆時針轉動。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據信息以數組方式存儲，使用時調用即可。

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，導致谷物發霉，并增加晾曬的次數和農民的負擔。因此，了解環境的溫度與濕度信息十分重要，可以提醒農民提前收拾好谷物，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 的發送引腳，如圖4（a）所示。當溫度與濕度低于設定值時，蜂鳴器將發出響聲提醒農民及時收拾谷物，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測。當監測到電量低于設定值時，小車在執行完當前操作后，再沿設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90°后行走W距離，再順時針旋轉90°后行走B-2W距離，最后順時針旋轉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90°后行走B-2W距離，最后順時針旋轉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180°后沿紅色虛線回到充電點。可以通過記錄縱向行走W距離的次數為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組方式存儲，使用時再調用。同理，小車的縱向行走也可以分成幾種情況。

3 系統軟件設計

系統采用C 語言，基于Keil 5 進行開發，系統程序流程圖如圖6 所示。系統上電后，將各模塊的參數初始化。首先進行行走路徑的選擇，選擇好路徑后，主控芯片發送PWM 給電機控制模塊控制小車沿設定的路徑行走；在行走過程中一直判斷是否行走完設定的路徑、是否下雨和是否缺電，若否則小車繼續行走，若是則小車沿設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設值時，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 通信傳輸采集的數據給主控芯片，主控芯片將其與預設值進行比較并作出判斷。

圖6 系統主流程圖

4 結論

好的谷物翻曬設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，可以實現較好的谷物翻曬效果。該設計適合小型種植戶在太陽下翻曬稻谷、花生等谷物時使用。