基于NEC單片機田間超聲波測距的應用

　　為了方便農機手能夠迅速、準確地知道機具作業的深度，提出一種基于NEC單片機的田間超聲波測距方法，設計非剛性接觸地面仿形裝置和電子控制系統，利用超聲波測距傳感器和NEC單片機，通過NEC專用軟件開發工具Applilet自動生成代碼，在PM+集成環境平中建立目標源文件，最后將程序經燒寫器燒入到單片機中實現控制任務，駕駛員通過觀察LCD顯示的實時運行參數，LED狀態指示燈，或根據蜂鳴器報警等情況及時監測和調整機具作業深度，本研究為研制智能化裝備提供了開發平臺。

　　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。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，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。

　　圖1 超聲波傳感器模擬測量地面試驗

　　圖2 超聲波測距試驗結果

　　2非剛性接觸仿形裝置設計

　　2.1結構原理

　　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

　　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可以列出以下方程：

　　圖4 地輪滾動受力分析

　　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，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

　　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ZY2405 UHBD-6W隔離DC—DC電源模塊，為長寬壓型，電壓輸入范圍9～36 V，1 kV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。

　　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，芯片內部集成32 KB FLASH存儲器、1KB內部高速RAM，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、蜂嗚器和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。

　　圖6 主電路原理圖