基于 AVR 單片機(jī)的自動(dòng)對(duì)靶噴霧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

眾所周知，我國(guó)農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，而我國(guó)植保機(jī)械和農(nóng)藥使用技術(shù)嚴(yán)重
落后的現(xiàn)狀與我國(guó)高速發(fā)展的農(nóng)藥水平極不相稱，已嚴(yán)重妨礙了農(nóng)作物病蟲害的防治，帶來
了諸如農(nóng)藥利用率低、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染、作物要害、操作者中毒等負(fù)面影
響。農(nóng)藥利用率最好的也不足 30%，農(nóng)藥流失量高達(dá) 60%~70%，不僅經(jīng)濟(jì)損失重大，也造
成了嚴(yán)重的“農(nóng)殘問題”和環(huán)境污染。而采用自動(dòng)對(duì)靶噴霧技術(shù)，可節(jié)省農(nóng)藥 50%~80%，因
此開展對(duì)靶噴霧技術(shù)研究將成為我國(guó)植保機(jī)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(jī)為 CPU，以 PC 機(jī)作為上位機(jī)，以攝像頭采集的信號(hào)
作為觸發(fā)信號(hào)，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)靶噴霧的控制系統(tǒng)。

2. 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，該實(shí)驗(yàn)裝置以 PC 機(jī)作為上位機(jī)，以轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬拖拉
機(jī)的行走，轉(zhuǎn)盤上放置著模擬雜草作為靶標(biāo)。通過 PC 機(jī)對(duì)由 CCD 攝像頭采集進(jìn)來的信號(hào)
進(jìn)行處理，對(duì)采集的彩色圖像用綠色占優(yōu)法進(jìn)行顏色分割，當(dāng)綠色分量大于一定閥值時(shí)，便
判定攝像頭下有靶標(biāo)，識(shí)別出靶標(biāo)后，將控制信號(hào)由串口發(fā)送給單片機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)盤速度的不
同，設(shè)定相應(yīng)的延遲時(shí)間，對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲處理，當(dāng)雜草到達(dá)噴頭下方后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)
行噴霧，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)靶噴霧。

3. 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信；（2）提供人機(jī)口，
可根據(jù)轉(zhuǎn)速不同，設(shè)定不同延遲時(shí)間；（3）輸出控制信號(hào)控制電磁閥的開閉。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)
現(xiàn)的功能要求、可靠性、產(chǎn)品成本以及使用方便等因素，設(shè)計(jì)如圖 2 所示的自動(dòng)對(duì)靶控制
器硬件原理圖。

3.1 單片機(jī)選型

該系統(tǒng)選擇 AVR 系列的單片機(jī) ATmega16 作為系統(tǒng)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(jī)，采用先進(jìn)的 RISC 指令結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速度快，可達(dá)到
1MIPS/MHZ，端口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（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(jī)，具有 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，以及一個(gè)通用同步和

步串行接受器和轉(zhuǎn)發(fā)器（USART），能為主機(jī)或從機(jī)提供時(shí)鐘的同步操作，能大大簡(jiǎn)化單
片機(jī)與 PC 機(jī)的串口通信。 而且 ATmega16 單片機(jī)還具有 JTAG 接口，通過 JTAG 接口可進(jìn)
行在線程序下載以及片上調(diào)試。本系統(tǒng)就是采用 JTAG 接口進(jìn)行在線程序下載以及片上調(diào)試
的。

3.2 數(shù)據(jù)顯示以及按鍵設(shè)定

考慮到實(shí)際的對(duì)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(qū)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(shù)據(jù)輸出方向?yàn)閺?A 到 B。該系統(tǒng)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(shè)定 PB0、
PB1、PD4、PD5 位狀態(tài)為輸入，高電平，內(nèi)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(yīng)的加減標(biāo)志位置 1，然后再相應(yīng)的改變延遲時(shí)
間，并送數(shù)碼管顯示。

3.3 通訊設(shè)計(jì)

下位機(jī)與上位機(jī)的通訊采用 RS232 總線標(biāo)準(zhǔn)，由 MAX232 與 ATmega16 單片機(jī)的 USART
串行口構(gòu)成與上位機(jī)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。