基于NEC单片机田间超声波测距的应用

游兆延， 胡志超 ， 吴 努 ， 吴惠昌， 彭宝良， 谢焕雄

（1．农业部南京农业机械化研究所 江苏 南京 210014；2.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019）

在田间旋耕、收获、播种时，经常需要控制机具的作业深度，现有农业机械设备多无机具作业深度监测设备，既费力又影响田间耕作效果[1]。我国在农业机械装备处于起步阶段，以东方红X-804拖拉机为研究对象，开发了电控液压转向系统和作业机具升降控制系统，实现了拖拉机自动转向操纵控制和作业机具自动升降控制[2]，但整套设备价格昂贵，推广尚需时日。本文提出了基于NEC单片机的田间超声波测距方法，设计了一种地面仿形装置，利用超声波测距传感器和NEC单片机，将机具作业深度通过液晶屏显示出来。该方法在降低驾驶员劳动强度的同时提高劳动效率，具有实际应用价值。

1 超声波传感器发射地面试验

由超声波传播理论可知，声波在传播过程中如果遇到直径小于超声波半个波长的障碍时，其声波会绕过障碍物而继续传播，即产生绕射现象，选取花盆上方同一水平面3行3列的9点测量。如图1所示，用超声波测量距书桌高度，图2为利用超声波传感器模拟测量地面的一组数据，在其传播路径中放有花盘时，超声波未发生绕射，原因是由于收获植物茎叶直径较大时，发射的超声波还未到达地面就发生了反射，影响测量结果。为解决此问题设计了一种非刚性接触地面仿形装置。

2 非刚性接触仿形装置设计

2.1 结构原理

图1 超声波传感器模拟测量地面试验Fig.1 Simulation test of ultrasonic sensor measuring ground

图2 超声波测距实验结果Fig.2 Test results of ultrasonic distance measuring

仿形装置由地轮，导向管a，导向管b，焊接板，压簧，长螺杆，测量基准板等组成。压簧嵌套在长螺杆上，并始终运动于两导向管之间，导向管b随着地面的起伏在导向管a内上下滑动，活动距离为335 cm，导向管a和导向管b之间连接有六角头螺栓，限制了导向管b绕长螺杆轴线方向转动的的自由度，更好的起到了导向作用。超声波传感器安装在超声波测量基准板上方，测量超声波传感器距离测量基准板的距离可以得到机具作业深度的变化。

图3 非刚性接触地面仿形装置Fig.3 Nonrigid ground-contact copying mechanism

2.2 地轮滚动模型动力分析

根据车轮在平坦地面的运动、受力和只滚不滑的条件[3]可以列出以下方程：

图4 地轮滚动受力分析Fig.4 Tension analysis of rolling ground wheel

3 电子控制系统设计

3.1 系统硬件

超声波测距系统主要由硬件和软件2部分组成。硬件部分主要由超声波传感器、DC-DC电源模块、NEC单片机、LCD显示器等组成[4]，以实现数据采集、存储、分析和显示等功能，其系统组成框图如图5所示。

图5 系统硬件框图Fig.5 Diagram of hardware system

3.1.1 超声波传感器

超声波传感器安装在测量基准板上方，选用的是恒瑞天创公司的HR/JCS1501型测距元件，其供电电压为12 V/24 V，检测距离为精度为0.5%，输出方式为模拟信号：4~20 mA/0~5 V，声束角为10-15°，工作温度为-10-70℃。

3.1.2 DC-DC电源模块

在田间，单片机的工作环境比较复杂，干扰多，电源起伏变化，同时为了适应不同牵引拖拉机的电源输出，选用致远公司生产的ZY2405UHBD－6W隔离DC－DC电源模块，为长宽压型，电压输入范围9～36 V，1 k V隔离单电源输出，对单片机控制系统的稳定性起到决定性的作用[5]。

3.1.3 主控制器

主控制器采用NEC公司的 78K0/LF3系列8位单片微处理器μPD78F0483，内置高精度的环行震荡器，在-40-85°的时候精度可达到0.1% ，最多可以使用 62个I/O端口[6]，芯片内部集成 32 KB FLASH存储器、1KB内部高速 RAM[7]，芯片资源满足设计需求。

3.1.4 LCD显示与状态指示

显示采用LCD显示屏，显示设置菜单、运行实时参数和报警异常等信息。操作人员可以根据LCD显示器、蜂鸣器和LED状态指示等声音和光的形式，随时调整机具作业深度。电路原理图如图6所示。

3.2 系统软件

NEC单片机有专用代码生成工具Applilet，是一种非常方便的软件开发工具，用户可以根据实际要求灵活的生成相应的驱动代码，在Applilet中设置所需要的外围设备功能，输出需要的C语言代码，根据需要对代码进行修改，由NEC专用软件开发设计的集成环境平台PM+建立目标源文件，最后将程序经烧写器烧入到单片机中去，实现控制任务。图7为Applilet生成的部分代码。

图6 主电路原理图Fig.6 Schematic diagram of main circuit

4 结 论

1）选用的NEC单片机内置上电复位清零电路，低电压侦测电路和独立源看门狗电路，不需要任何外围元件。功耗低，抗干扰能力强，支持自编程，62个I/O能够为满足今后研制智能化收获装备提供开发平台。

2）本文设计了一种基于超声波测距原理的自动限深装置，该装置能够适用于田间复杂的作业环境，自动化程度高，可以有效提高挖掘效果，此套装置可安装于整地机械、各类土下果实的收获机械中，具有广泛的适应性。

图7 Applilet生成的部分代码Fig.7 Part of the code generated by Applilet

[1]游兆延，吴努，胡志超，等.土下果实收获挖掘自动限深系统设计[J].中国农机化学报，2013，34（3）:184-187.YOU Zhao-yan，WU Nu， HU Zhi-chao，et al.Design of automatic depth-control system of un-derground fructification harvesting[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2013，34（3）:184-187，191.

[2]罗锡文，张智刚，赵祚喜，等.东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统[J].农业工程学报，2009，25（11）：139-145.LUO Xi-wen，ZHANG Zhi-gang，ZHAO Zuo-xi，et al.Design of DGPS navigation control system for Dongfanghong X-804 tractor[J].Transactions of the CSAE，2009，25（11）:139－145.

[3]周晓.对车轮滚动的受力分析及其应用的探讨[J].包钢科技，1991（3）:71-81.ZHOU Xiao.Investigation of tension analysis and application of rolling wheel[J].Baogang Technology，1991（3）:71-81.

[4]巫荣闻，卢荣胜，李勇.基于NEC单片机的压力变送器系统[J].仪表技术与传感器，2010（8）：19-21.WURong-wen，LURong-shen，LIYong.New design of pressure measuring system[J].Instrument Technique and Sensor，2010（8）：19-21.

[5]吴惠昌，胡志超，彭宝良，等.牵引式甜菜联合收获机自动对行系统研制[J].农业工程学报，2013，29（12）：17-24.WU Hui-chang，HU Zhi-chao，PENG Bao-liang，et al.Develo-pment of auto-follow row system employed in pulltype beet combine harvester[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE），2013，29（12）:17－24.

[6]NEC Electronics Corporation.78K0/LF3-8-BitSingle-Chip Microcontrollers User’s Manual[R].2007.

[7]孟超普，羊彦，宋职政.基于NEC单片机电动车充电器控制系统设计[J].电子设计工程，2013，21（7）:155-159.MENG Chao-pu，YANG Yan，SONG Zhi-zheng.A design of battery charger control system for electric vehicle based on NECMCU[J].Electronic Design Engineering，2013，21（7）:155-159.