基于单片机的循迹喷药小车设计

金彦 胡威 刘阳 陈春玲

摘要：为减少农药对人体的危害，设计一款基于单片机控制的循迹喷药小车，代替人工在温室大棚进行药物喷洒。采用单片机作为核心控制芯片，精心设计小车检测、驱动和喷洒等外围电路，利用C语言编写程序，实现小车智能循迹和自动喷洒功能。

关键词：智能小车；单片机；循迹；喷药

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）05-0025-02

随着智能控制技术的不断发展，智能小车越来越受到人们关注。近年来，我国智能小车技术快速发展，但在应用方面还有所欠缺，具体表现为在温室大棚进行药物喷洒工作时，存在农药危害人体健康的情况。基于此背景，通过采用51单片机控制小车各个模块，实现小车的循迹与喷药功能，提高智能小车的实用性，减少对操作人员造成伤害的风险。

1 系统方案设计

1.1 电源模块

根据单片机与大电流元器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰的原则，采用7.4 V可充电锂电池组为单片机、小车电机供电，并采用12 V可充电航模电池单独给工作电压为12 V的水泵供电。选择电池时，主要考虑电池自身容量及其能否进行充电，目的是减少试验成本。

1.2 控制模块

控制模块采用STC89C52单片机作为主控制器。该单片机内部资源十分丰富并且功能强大，其内部从硬件到软件有一套完整的操作系统及8个中断源、3个定时器、32个IO口。同时，该单片机价格便宜、使用简单、编程操作难度低，非常适合作小车系统的主控制器。

1.3 循迹模块

循迹模块根据红外线探测法进行设计。红外线对不同颜色的表面具有不同的反射性质，据此可实现路面情况分析。小车行驶路线通过黑线与灰色水泥地组合方式来确定。

利用红外传感器TCRT5000发射管不断向路面发射红外线，当红外线遇到黑线时，黑线会吸收红外线，使接收管接收不到红外线；当红外线遇到灰色地面时，会发生发射，使接收管接收到红外线。根据此原理，红外传感器将检测到的路面情况以高低电平的形式发送到单片机，单片机通过控制车轮的正反转来实现小车循迹。为提高小车循迹的精确性，将4个红外传感器分别安装在小车车头和车尾（车头2个，车尾2个）。

1.4 电机及驱动模块

由于直流电机具有动力强、反应快、体积小、重量轻的特点，因此小车电机选用直流电机。拟设计动力和转向相结合的小车，小车车速控制根据PWM调速原理设计，通过改变单片机中的高低电平占空比来实现小车车速控制；小车转向功能则是通过单片机控制小车车轮的正反转来实现的。

1.5 喷洒模块

喷洒模块主要通过单片机控制水泵实现喷洒功能。由于单片机驱动能力不足，无法直接驱动电机这样的大电流外部元器件，因此使用L298N驱动模块实现对水泵控制。当小车运动时，可以发挥喷洒农药的作用。

1.6 软件程序

设计软件部分时，先画出各功能实现的流程图，再根据流程图设计实现相应功能的程序。采用C语言编写主程序、定时程序、循迹程序、喷洒程序。将整个程序分割成多个程序块，降低编写程序难度，且可使程序具有可移植性。

2 试验测试结果与分析

当小车按照指定路线行驶时，如果小车其中一侧的传感器检测到黑线，小车会立刻调整行进方向，直到所有传感器不再检测到黑线，然后沿着指定路线继续行驶。在小车行驶过程中，喷洒模块会向一侧的农作物喷洒药物（小车运动时，喷洒模块工作；小车停止时，喷洒模块停止工作）。当小车车头或车尾的2个传感器同时检测到黑线时，小车会立刻停止运动并进行短暂计时，向反方向运动，同时重复对农作物进行药物喷洒。试验结果表明，实物小车可以完成所有要求并实现设计要求的所有功能。循迹喷药小车实物图如图1所示，电路如图2所示。

3 结论

在实践过程中，采用单片机作为核心控制芯片，精心设计小车检测、驱动和喷洒等外围电路，利用C语言编写程序，从而实现小车智能循迹和自动喷洒功能。灵活应用微机技术、传感器技术等相关学科的理论知识，结合电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。试验结果表明，循迹喷药小车可以代替人工在危险环境中工作，准确完成农作物药物喷洒任务。

参考文献

[1] 边春元，李文涛，江杰，等.C51单片机典型模块设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 张焕启.单片机自动控制应用系统的设计探讨[J].文摘版：工程技术，2015，38（8）：262.

[3] 林明祖.单片机C程序编写思路的讨论[J].课程教育研究：学法教法研究，2015（31）：53-55.

Abstract： In order to reduce the harm of pesticides to body， a tracking spraying bogie based on single chip Microcomputer was designed to take the place of manual spraying in greenhouse. With the single chip Microcomputer as its core control chip， peripheral circuit of bogie detection， drive and spraying was well designed， and C language programming was used to realize bogies function of intelligent tracking and auto spraying .

Key words： intelligent bogie； single chip microcomputer； tracking； spraying