蔬菜大棚运输系统设计

时间：2024-05-23

孔繁庭郑朵朵

(兰州文理学院传媒工程学院，甘肃兰州 730010)

引言

我国是人口大国，也是农业大国，农业的发展问题一直深受人们的关注，农业对整个国家甚至整个民族的发展都是特别重要的。尤其近几年，我国一再强调农业发展的科技性。农业发展得好，不仅能够增强农户的收入，同时也能够保障国家的粮食安全。在人们不断追求健康的时代，蔬菜供不应求。由于温室大棚的结构特别简单，建造也比较容易，其可以避免恶劣天气对农作物的影响，而且建造温室大棚可以营造农作物所需要的环境，可以使得农作物种植的时间不受限制，因此，温室大棚的应用成为人们所需要的，也逐渐发展成为农民主要的经济来源，其温室大棚的产品效益直接影响到农民生活水平的提高，但是在实际的温室大棚中还存在很多的问题，最主要的问题便是农作物的运输，现在的温室大棚长宽分别都在100m和10m以上，随着蔬菜大棚的规模越来越大，对于蔬菜大棚的运输也提出了新的要求。传统的蔬菜大棚规模小，自采自用，对于运输的要求比较低。但是目前，搭建蔬菜大棚不仅仅是为了满足自家需求，更多的去向是市场输送。运输量很大，传统的运输费时费力，不够便捷。

有些虽然采用小型运输车，但其运输车都是人工推运，不够智能，且容易对工人造成伤害。所以，设计1套智能的蔬菜大棚运输系统非常有必要。本研究主要是设计1款基于单片机STC89C52芯片[1-3]、蓝牙控制、直流电机[4,5]等控制原理，控制在蔬菜大棚轨道上可遥控的智能运输车。利用手机APP操控运输车，使其能够智能化的运输蔬菜，以此来节省人力物力，高效运输蔬菜。

1 蔬菜大棚运输系统方案设计

1.1 总体方案设计

总体方案主要由电源、灯光控制模块、蓝牙控制模块、直流电机、STC89C52芯片组成。电源、灯光控制模块、蓝牙控制模块、直流电机都作用在STC89C52芯片上使其运行。总体设计方案如图1所示。

1.2 设计所需要实现的功能

在轨道上放小车，利用手机蓝牙智能控制小车，使其能够实现前进，倒车，加速减速等功能；为其加入灯光控制模块，使工作不受时间限制；为其加入喇叭控制模块。

2 硬件设计

2.1 总体硬件电路设计

总硬件部分设计的电路由复位控制电路、晶振控制电路、MCU外围控制电路和L298N对电机的驱动控制电路以及大灯和喇叭的自动控制电路等几个部分组成。复位集成电路、晶振电路和MCU外围电路又构成最小51系统电路。整体硬件电路如图2所示。

2.2 MCU外围电路

MCU外围电路是在原来设计STC89C52RC核心板的基础上制作一块带有按键，显示接口和AD9805模块的接口的底板。MCU作为集成控制系统的主要组成部分，负责采集和处理数据，以及所有的逻辑运算和最终控制的实现。MCU的外围电路所使用的是一种模块化的设计理念，就是可以将其中的部分划分为不同类型的模块，把比较好的部件作为一个单独的电路板。MCU外围电路如图3所示。

2.3 复位电路

复位控制电路可以确定STC89C52的开始运行状态，并且在整个运行过程中，可以有效确保微机系统中的各个电路能够稳定、可靠的正常工作。上电复位就是该复位电路第1个重要功能。复位电路如图4所示。

2.4 晶振电路

晶振电路的作用是为电路提供一个参考频率。晶振电路如图5所示。

2.5 电源电路

给单片机供电的就是1个电源控制器。电源电路如图6所示。

2.6 硬件电路所需要的各个模块

2.6.1 灯控制模块

为了使其工作不受时间限制，给其增加了灯光控制，如图7所示。

2.6.2 喇叭控制模块

给其增添了新的功能，喇叭。通过蜂鸣器传递一些信息。晶体管电路激发膜片振动产生音响。如图8所示。

2.6.3 蓝牙控制的显示模块

JDY-31是1种基于蓝牙3.0 SPP接口设计，可以支持Windows、Linux、Android数据透传，有着2.4GHz的最大数据发射工作功率频段，调制工作方式主要采用GFSK高斯频移键控调制，最大的发射功率是8dB，最大的数据接收到整个发射器的距离也不过30m，用户随时都可以不通过AT等命令来进行数据的修改，波特率等多种指令，方便迅速使用灵便。JDY-31为1种非常经典的免费蓝牙无线网络协议，可以和所有已经支持无线蓝牙的智能手机设备进行无线连接。可广泛应用于Windows等电脑专用蓝牙无线串口视频透传、Android等无线蓝牙串口视频透传、智能家居蓝牙监视和自动控制、汽车等蓝牙检测电子装置、蓝牙电子玩具、共享无线移动通话电源、大家都可以使用的体重秤、医生所用的仪器设备等。

小车通过蓝牙连接到手机，在手机里安装一个APP，可以通过APP对小车进行遥控。如图9所示。

2.6.4 蓝牙SPP串口透传模块引脚图

蓝牙SPP串口透传模块引脚图如图10所示。

其功能引脚说明如下。STATE：连接状态引脚(未连接低电平，连接后高电平)；RXD：串口输入引脚(TTL电平)；TXD：串口输出引脚(TTL电平)；GND：电源地；VCC：电源(支持3.6～6V)；EN：空。

3 各个元器件的选择

3.1 单片机的芯片选择

为确保设计的轨道运输小车的资金不会过高，超出预算，所以，单片机的芯片选择STC89C52RC。

3.2 STC89C52RC芯片

STC89C52RC是1种只读存储器，带有8K字节，可编程，可擦除。电压不是很高，但其性能特别好，拥有8位微处理器，还可以称其为单片机。其运算功能特别厉害，可以灵活地对其进行软件编程，灵巧的软件编程可以实现多种多样的算法和一些逻辑控制，功率的损耗不是很大、体积也比较小、技术成熟和成本廉价等诸多优点，使其在各个领域内都能得到广泛应用。

STC89C52RC与MCS-51兼容，数据传输时间能够长期连续保存很久，全方位动态可连续工作，其最大数据工作频率的锁定范围一般是0Hz～40MHz；外部程序中的存储器一般可以进行锁定并分为3级，工作电压的锁定值一般是5.5～3.3V；内部RAM共有128×8位，可以进行编程使其I/O线路的长度一般为32；16位的中断计数器/中断定时器一共3个，中断源一共有5个，闲置和自动掉电的工作模式都可以是较低的总功耗，还有片内信号振荡器和片内时钟自动控制电路。

TC89C52RC的稳态逻辑相当好，其中的静态掉电逻辑不仅可以允许其在零设定频率的掉电情况下同时运行，而且还可以同时允许支持2个处理软件之间各自建立可进行选择的动态掉电响应模型。而在一个非常闲置的工作模式下，CPU都是自动暂时停止正常运行工作的。但是RAM、定时器、计数器、串口及网络中断等硬件系统还是无法继续正常工作。在一个实时掉电控制模式下，可以将RAM的掉电内容数据进行实时保存并且同时锁定一个电源振荡器，阻拦所用其他电源芯片的掉电功能，直到其掉电模式排除为止。如图11所示。

其引脚说明如下。VCC：供电电压；GND：接地；P0口：8位双向I/0口，作为输出端口；P1口：在编程和校验时，P1口作为第8位地址接收端口；P2口：在编程和校验时接收高8位地址信号和控制信号；P3口：可作为特殊功能口。

P3.0/RXD(串行输入口)；P3.1/TXD(串行输出口)；P3.2/INT0(外部中断0)；P3.3/INT1(外部中断1)；P3.4/T0(记时器0外部输入)；P3.5/T1(记时器1外部输入)；P3.6/WR(外部数据存储器的写选通)；P3.7/RD(外部数据存储器的读选通)；RST：复位输入。其可以保持RST脚2个机器周期的高电平时间。

3.3 电机的选择

由于直流电机[3]的起动能力很强，调速[5]性能也很好，有较强的过载能力，电磁干扰对直流电机的影响也很小，有着较大的旋转矩，而且维修成本和价格也相对更加便宜，直流发电机的交换功率相比于交流来说更加环保。和步进电机相比，直流电机驱动力也可以说是很强的，电源利用率也很好，故电机选用直流电机。

直流驱动电机主要用途是一种指将直流驱动电能直接转化为直流机械驱动功率或者将直流机械驱动功率直接转化为直流驱动电能，直流驱动电机又被称之为高速旋转直流电机。其电机是一种能够直接进行直流机械输出的传动电能与交流机械传动功率相互作用转化的直流电动机。当其被使用当作风力电动机在正常高速运行的正常情况下，其本身就是直流电力发动机，可将所有的直流电能转换为直流机械驱动功率，其被工作风力发电机在正常高速运行时，是由于直流机械驱动的风力发电机，可以把所有的机械驱动力都转换成机械电能。

控制1个直流电机的正负转矩就能够实现运输车的向前推移和后退等功能，采用了L298N直流电机驱动器芯片。前进时5脚为1个持续的高电平，7脚为低电平；在后退过程中5脚是1个低电平，7脚是1个高电平。另外，再次通过改变方波的评率和高低电平就可以实现直流发电机运行速度的控制。直流电机L298n驱动电路如12所示。

4 软件程序设计

程序就是一组能识别和执行的指令，每一条指令都会使计算机执行指定的操作。程序设计先有一个整体的构思，确定其任务和想要实现的结果，画出程序框图，写出程序的过程，并对程序所出现的问题进行修改，使得最终程序正确运行。

在单片机应用程序中，最普遍也是最容易的一种典型框架就是前后台系统，这种框架通常是由主函数的大循环和一个或几个中断服务程序组成。除了前后台系统，还有一个设计思路，是通过设置一个全局变量global，改变global的值从而使单片机工作在不同的状态以应对不同的需求，这其实也是前后台系统的一个改进版，一个变量上可以汇聚不同的中断触发情况，方便后台系统在各个状态之间切换。除了这2种设计思路外，还可以选择在嵌入式操作系统中处理一些更加复杂的任务。软件设计流程图如图13所示。

5 系统的组装与调试

系统的调试过程主要分模块调试和系统统调。

其中系统的模块调试在各模块的设计过程中完成，基本上按照“设计—调试—修改”的过程反复进行直到能达到设计要求。

系统软件的调试在系统统调中占据很大的比重。在软件的设计过程中使用了C语言，Keli软件，用这些来代替单片机能够及时看到程序运行的结果。

写好所需要的程序，进行测试，测试就是发现程序中的错误，发现错误之后，就要对其进行调试，调试分为2步：确定其错误的位置并将其修改。

软件的自动调试使用方法主要包括诸如暴力分析法自动调试、归纳法自动调试、演绎分析法自动调试、回归分朔法自动调试、测试法自动调试等多种新的调试使用方法。其中暴力法调试糜费脑力，效率不高，在软件调试中尽量不使用。回朔法调试一般适用于小型程序。归纳法调试是统揽全局，不错过任何一个细节。将这些数据联系起来，就可以归纳得出结果。其具体步骤：锁定出现错误的位置，将这些错误的信息联系起来，总结出其有用的信息，并对这些有用的数据进行分析且作出合理的假设，再证明假设是否成立，若假设成立，则解决问题就可以。演绎法和归纳法的逻辑相反，测试调试可以结合归纳法和演绎法一起使用。

APP就是电脑用C++编辑器编写代码后，再打包运行。给运输车插上电，打开手机蓝牙，运输车的蓝牙和手机蓝牙配对成功，开始在手机上点击前进、后退、左转、右转、加速、减速等按键测试性能。