基于 AVR 單片機的自動(dòng)對靶噴霧控制系統設計

眾所周知，我國農藥生產(chǎn)技術(shù)處于國際先進(jìn)水平，而我國植保機械和農藥使用技術(shù)嚴重
落后的現狀與我國高速發(fā)展的農藥水平極不相稱(chēng)，已嚴重妨礙了農作物病蟲(chóng)害的防治，帶來(lái)
了諸如農藥利用率低、農產(chǎn)品中農藥殘留超標、環(huán)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(jīng)濟損失重大，也造
成了嚴重的“農殘問(wèn)題”和環(huán)境污染。而采用自動(dòng)對靶噴霧技術(shù)，可節省農藥 50%~80%，因
此開(kāi)展對靶噴霧技術(shù)研究將成為我國植保機械的下一個(gè)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(fā)信號，結合單片機控制技術(shù)和數字圖像處理技術(shù)，實(shí)現自動(dòng)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(shí)驗裝置以 PC 機作為上位機，以轉盤(pán)的轉動(dòng)模擬拖拉
機的行走，轉盤(pán)上放置著(zhù)模擬雜草作為靶標。通過(guò) PC 機對由 CCD 攝像頭采集進(jìn)來(lái)的信號
進(jìn)行處理，對采集的彩色圖像用綠色占優(yōu)法進(jìn)行顏色分割，當綠色分量大于一定閥值時(shí)，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(fā)送給單片機，根據轉盤(pán)速度的不
同，設定相應的延遲時(shí)間，對信號進(jìn)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(shí)現自動(dòng)對靶噴霧。

3. 硬件結構設計

該硬件系統主要用于實(shí)現以下功能：（1）與上位機實(shí)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(shí)間；（3）輸出控制信號控制電磁閥的開(kāi)閉。根據系統實(shí)
現的功能要求、可靠性、產(chǎn)品成本以及使用方便等因素，設計如圖 2 所示的自動(dòng)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(chǎn)的
高性能、低功耗的 8 位新型單片機，采用先進(jìn)的 RISC 指令結構，執行速度快，可達到
1MIPS/MHZ，端口驅動(dòng)能力強（20~40mA），而且全部具有在線(xiàn)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(gè)通用同步和

步串行接受器和轉發(fā)器（USART），能為主機或從機提供時(shí)鐘的同步操作，能大大簡(jiǎn)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(guò) JTAG 接口可進(jìn)
行在線(xiàn)程序下載以及片上調試。本系統就是采用 JTAG 接口進(jìn)行在線(xiàn)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(shí)際的對靶延遲時(shí)間，采用 2 位共陰極超亮 LED，延遲時(shí)間范圍為 0.0~9.9 秒，
IN74HCX245 作為 LED 的顯示驅動(dòng)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(gè)按鍵，
分別為 2 個(gè)加按鍵，2 個(gè)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(shí)設定 PB0、
PB1、PD4、PD5 位狀態(tài)為輸入，高電平，內部電阻上拉使能，通過(guò)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(shí)
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(xiàn)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(fā)送引腳
和接收引腳。