基于 AVR 單片機的自動對靶噴霧控制系統設計

眾所周知，我國農藥生產技術處于國際先進水平，而我國植保機械和農藥使用技術嚴重
落后的現狀與我國高速發展的農藥水平極不相稱，已嚴重妨礙了農作物病蟲害的防治，帶來
了諸如農藥利用率低、農產品中農藥殘留超標、環境污染、作物要害、操作者中毒等負面影
響。農藥利用率最好的也不足 30%，農藥流失量高達 60%~70%，不僅經濟損失重大，也造
成了嚴重的“農殘問題”和環境污染。而采用自動對靶噴霧技術，可節省農藥 50%~80%，因
此開展對靶噴霧技術研究將成為我國植保機械的下一個重要的研究方向。為此，本文提出了
一種以 AVR 系列的 ATmega16 單片機為 CPU，以 PC 機作為上位機，以攝像頭采集的信號
作為觸發信號，結合單片機控制技術和數字圖像處理技術，實現自動對靶噴霧的控制系統。

2. 系統工作原理

該系統結構框圖如圖 1 所示，該實驗裝置以 PC 機作為上位機，以轉盤的轉動模擬拖拉
機的行走，轉盤上放置著模擬雜草作為靶標。通過 PC 機對由 CCD 攝像頭采集進來的信號
進行處理，對采集的彩色圖像用綠色占優法進行顏色分割，當綠色分量大于一定閥值時，便
判定攝像頭下有靶標，識別出靶標后，將控制信號由串口發送給單片機，根據轉盤速度的不
同，設定相應的延遲時間，對信號進行延遲處理，當雜草到達噴頭下方后，控制執行機構執
行噴霧，從而實現自動對靶噴霧。

3. 硬件結構設計

該硬件系統主要用于實現以下功能：（1）與上位機實現串口通信；（2）提供人機口，
可根據轉速不同，設定不同延遲時間；（3）輸出控制信號控制電磁閥的開閉。根據系統實
現的功能要求、可靠性、產品成本以及使用方便等因素，設計如圖 2 所示的自動對靶控制
器硬件原理圖。

3.1 單片機選型

該系統選擇 AVR 系列的單片機 ATmega16 作為系統的 CPU，AVR 是 Atmel 公司生產的
高性能、低功耗的 8 位新型單片機，采用先進的 RISC 指令結構，執行速度快，可達到
1MIPS/MHZ，端口驅動能力強（20~40mA），而且全部具有在線下載功能。ATmega16 屬于
AVR 的 mega 系列高檔單片機，具有 16K 字節的系統內可編程 Flash，以及一個通用同步和

步串行接受器和轉發器（USART），能為主機或從機提供時鐘的同步操作，能大大簡化單
片機與 PC 機的串口通信。 而且 ATmega16 單片機還具有 JTAG 接口，通過 JTAG 接口可進
行在線程序下載以及片上調試。本系統就是采用 JTAG 接口進行在線程序下載以及片上調試
的。

3.2 數據顯示以及按鍵設定

考慮到實際的對靶延遲時間，采用 2 位共陰極超亮 LED，延遲時間范圍為 0.0~9.9 秒，
IN74HCX245 作為 LED 的顯示驅動器。其中管腳 1 為方向選擇位，管腳 19 為輸出使能位，
管腳 1 接高電平，管腳 19 接地，表明數據輸出方向為從 A 到 B。該系統總共有 4 個按鍵，
分別為 2 個加按鍵，2 個減按鍵，S2、S3 為加按鍵，每按下一次分別為加 0.1s 和 1.0s，S4、
S5 為減按鍵，每按下一次分別為減 0.1s 和 1.0s。按鍵采用掃描方式，初始化時設定 PB0、
PB1、PD4、PD5 位狀態為輸入，高電平，內部電阻上拉使能，通過掃描上述四位是否為變
為低電平，判斷按鍵是否按下。按下后將相應的加減標志位置 1，然后再相應的改變延遲時
間，并送數碼管顯示。

3.3 通訊設計

下位機與上位機的通訊采用 RS232 總線標準，由 MAX232 與 ATmega16 單片機的 USART
串行口構成與上位機的通訊電路。TXD 和 RXD 為 ATmega16 的 USART 串行口的發送引腳
和接收引腳。