基于AVR單片機的自動對靶噴霧控制系統(tǒng)設計

1、 基于A VR單片機的自動對靶噴霧控制系統(tǒng)設計1吳澤祎1,何雄奎2,肖健1,宋曉光11 中國農(nóng)業(yè)大學工學院,北京 (1000832 中國農(nóng)業(yè)大學理學院,北京 (100094E-mail:wuzeyi_001摘要:本文設計了以ATmega16單片機為核心的自動對靶控制系統(tǒng),該系統(tǒng)利用PC機作為上位機,控制攝像頭定時攝取圖像,利用2g-r-b顏色特征分割該彩色圖像,當綠色顏色分量大于預設閥值時,便判定攝像頭下有靶標,用PC機的串口通信系統(tǒng)發(fā)送指令到單片機,延遲預設的時間后,控制執(zhí)行機構進行噴霧,實現(xiàn)自動對靶噴霧。并且可以設定延遲時間,從而實現(xiàn)在不同行走速度下的自動對靶噴霧。關鍵詞:自動對靶;A V

2、R;串口通信;顏色分割中圖分類號:S241. 引言眾所周知,我國農(nóng)藥生產(chǎn)技術處于國際先進水平,而我國植保機械和農(nóng)藥使用技術嚴重落后的現(xiàn)狀與我國高速發(fā)展的農(nóng)藥水平極不相稱,已嚴重妨礙了農(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、環(huán)境污染、作物要害、操作者中毒等負面影響。農(nóng)藥利用率最好的也不足30%,農(nóng)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(nóng)殘問題”和環(huán)境污染。而采用自動對靶噴霧技術,可節(jié)省農(nóng)藥50%80%,因此開展對靶噴霧技術研究將成為我國植保機械的下一個重要的研究方向。為此,本文提出了一種以A VR系列的ATmega16單片機為CPU,以PC機作為上

3、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和數(shù)字圖像處理技術,實現(xiàn)自動對靶噴霧的控制系統(tǒng)。2. 系統(tǒng)工作原理該系統(tǒng)結構框圖如圖1所示,該實驗裝置以PC機作為上位機,以轉盤的轉動模擬拖拉機的行走,轉盤上放置著模擬雜草作為靶標。通過PC機對由CCD攝像頭采集進來的信號進行處理,對采集的彩色圖像用綠色占優(yōu)法進行顏色分割,當綠色分量大于一定閥值時,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(jù)轉盤速度的不同,設定相應的延遲時間,對信號進行延遲處理,當雜草到達噴頭下方后,控制執(zhí)行機構執(zhí)行噴霧,從而實現(xiàn)自動對靶噴霧。1本課題得到國家“十五”攻關項目(2001BA504

4、B05和863項目(2003AA209040的資助。 圖1 自動對靶系統(tǒng)框圖3. 硬件結構設計該硬件系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)以下功能:(1與上位機實現(xiàn)串口通信;(2提供人機口,可根據(jù)轉速不同,設定不同延遲時間;(3輸出控制信號控制電磁閥的開閉。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能要求、可靠性、產(chǎn)品成本以及使用方便等因素,設計如圖2所示的自動對靶控制器硬件原理圖。 圖2 自動對靶控制硬件原理圖3.1 單片機選型該系統(tǒng)選擇AVR系列的單片機ATmega16作為系統(tǒng)的CPU,A VR是Atmel公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8位新型單片機,采用先進的RISC指令結構,執(zhí)行速度快,可達到1MIPS/MHZ,端口驅動能力強(2040

5、mA,而且全部具有在線下載功能。ATmega16屬于A VR的mega系列高檔單片機,具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash,以及一個通用同步和 異步串行接受器和轉發(fā)器(USART,能為主機或從機提供時鐘的同步操作,能大大簡化單片機與PC機的串口通信。而且ATmega16單片機還具有JTAG接口,通過JTAG接口可進行在線程序下載以及片上調試。本系統(tǒng)就是采用JTAG接口進行在線程序下載以及片上調試的。3.2 數(shù)據(jù)顯示以及按鍵設定考慮到實際的對靶延遲時間,采用2位共陰極超亮LED,延遲時間范圍為0.09.9秒, IN74HCX245作為LED的顯示驅動器。其中管腳1為方向選擇位,管腳19為輸出使

6、能位,管腳1接高電平,管腳19接地,表明數(shù)據(jù)輸出方向為從A到B。該系統(tǒng)總共有4個按鍵,分別為2個加按鍵,2個減按鍵,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,通過掃描上述四位是否為變?yōu)榈碗娖?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間,并送數(shù)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。T

7、XD和RXD為ATmega16的USART串行口的發(fā)送引腳和接收引腳。3.4 輸出控制單片機的控制信號通過PC0引腳輸出。PC0接固態(tài)繼電器(SSR,通過固態(tài)繼電器控制電磁閥的開閉。當PC0為高電平時,繼電器吸合開關,接通電源,打開電磁閥進行噴霧;當PC0為低電平時,開關斷開,電磁閥關閉,不進行噴霧。4. 軟件結構設計自動對靶控制系統(tǒng)運行程序采用C語言編寫,采用模塊化設計,整個程序由功能模塊子程序構成。上位機軟件是基于Visual C+6.0開發(fā)的。4.1 下位機軟件結構下位機軟件的主要軟件模塊有初始化、延時、顯示、鍵盤掃描、中斷處理等功能模塊。其中延時函數(shù)采用循環(huán)計數(shù)的方法,單片機晶振頻率為

8、7.3728MHZ,計數(shù)循環(huán)次數(shù)為1832,在AVR Studio下仿真,1ms誤差為0.44us,所以完全可以滿足實際要求。初始化時延遲時間為0.0s,串口為異步通信模式,8位數(shù)據(jù)位,2位停止位,波特率設為9600。其主程序流程圖如圖3所示。 圖3 系統(tǒng)主程序流程圖4.2 上位機軟件結構上位機軟件是基于Visual C+6.0開發(fā)的。上位機軟件主要由兩部分組成:(1串口通信部分,(2圖像處理部分。其中串口通信通過串口類CSerialPort實現(xiàn)3。圖像處理部分采用采集卡實時采集圖像,該系統(tǒng)的圖像采集卡為嘉恒中自公司的OK_C30A采集卡。該卡是基于PCI總線,能采集彩色又能采集黑白圖像的采集

9、卡,適用于圖像處理、工業(yè)監(jiān)控和多媒體的壓縮、處理等研究開發(fā)和工程應用領域8。通過該公司提供的API實現(xiàn)圖像的采集和顯示。圖像的實時采集通過VC中的響應WM_TIMER消息實現(xiàn),即每隔一定時間通過在OnTimer函數(shù)中調用采集卡的API將圖像采集進來并顯示。而由于雜草為綠色,所以用2g-r-b分量對圖像進行分割4,當其值大于一定閥值后便認為此像素為綠色,當綠色像素所占整個圖像超過一定比例時便判定攝像頭下有雜草,然后通過串口將信號發(fā)送給下位機。5. 實驗結果本實驗在直徑67cm的轉盤上進行,通過轉盤轉動模擬拖拉機的行走。本實驗測定了不同轉速下的實際對靶延遲時間,其中每個轉速下用秒表測定20次,實驗

10、數(shù)據(jù)如表1所示。表1 不同轉速下的對靶延遲時間轉速r/min 設定的延遲時間s 實際延遲時間s 延遲時間差值s15 1.8 1.95 0.1520 1.3 1.43 0.1325 1.1 1.29 0.1930 0.9 1.07 0.1738 0.6 0.72 0.12設定的延遲時間即軟件中的延遲時間T,實際延遲時間為攝像頭從采集到靶標圖像到執(zhí)行機構進行噴霧之間所經(jīng)過的實際時間。其能實現(xiàn)自動對靶的最大轉速為38r/min即1.33m/s。 而且通過表1數(shù)據(jù)可知,延遲時間誤差小于0.2s,可滿足自動對靶的要求。6. 結論本系統(tǒng)通過對電磁閥的控制實現(xiàn)了農(nóng)藥噴施的自動對靶,并在實驗室條件下調試成功。

11、該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,延時準確,在一定速度范圍內能實現(xiàn)精確對靶,從而大大提高了農(nóng)藥的利用率,并且硬件實現(xiàn)簡單,為進一步在田間推廣打下了很好的基礎。若能進一步優(yōu)化圖像處理算法,減少圖像處理時間,以及提高硬件的響應速度,從而提高能響應自動對靶的行走速度,并且提高圖像處理算法處理復雜背景下的雜草識別的能力,實現(xiàn)在田間復雜環(huán)境下的自動對靶噴霧。參考文獻1 何雄奎.改變我國植保機械和施藥技術嚴重落后的現(xiàn)狀J .農(nóng)業(yè)工程學報, 2004, 20(1:13-152 楊學軍,嚴荷榮,徐賽章,劉仲. 植保機械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2002, 33(6:129-131,137.3代明軍,孫士友.用串

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14、icultural University, Beijing, PRC (1000832. College of Science, China Agricultural University, Beijing, PRC (100094AbstractThe design of the automatic target detecting based on atmega16 is introduced in this paper. The special MCU receives the orders from PC, controls digital camera shoot photo by

15、a fixed interval. Then the image is sent to computer, and segmented by color feature of 2g-r-b. We should determine that the target is under the camera, when the green color component of the image is lager than the threshold value that was set above. Then the PC transfers order to the MCU by serial communication, controls actuator to spray as the delay time designed described above, that achieved automatic target detecting