基于单片机的变量施药系统设计

本科生毕业论文（设计）题目基于单片机的变量施药系统设计姓名张诗权学院工学院专业自动化班级81班学号3228113指导教师王玲职称副教授2012年5月10日南京农业大学教务处制1目录摘要2关键词2ABSTRACT2KEYWORDS2绪论21材料与方法411元器件412研究方法52结果与分析621硬件电路设计与实现6211隔膜泵工作原理6212PWM控制调速原理7213ATMEGA16简介8214晶振电路9215复位电路10216按键电路10217电源转换电路设计11218驱动放大电路设计1221912864显示模块1422软件设计与实现16221ICCAVR简介16222软件子程序17223软件主程序1823系统实验18231系统最佳频率选定18232系统PWM波形测定19233实物图203讨论2231系统功能2232展望22致谢22参考文献23附录242基于单片机的变量施药系统设计自动化专业学生张诗权指导教师王玲摘要在农业生产中，喷洒农药是很平常的作业方式，现有的电动喷雾器采用调节电位器的方式来调节喷雾器流量的大小，系统功耗大，不经济，且流量调节不方便。本文描述了一种新型的电动喷雾器，系统采用高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATMEGA16为主控制器，结合隔膜泵的工作特点，用软件算法的形式输出一个占空比可调的PWM信号，信号经过驱动放大后，控制MOSFET的通断，以此控制隔膜泵工作。经过试验新型的电动喷雾器具有功耗低，控制简单，调节方便等优点。在实际的生产生活中具有一定的应用和推广价值。关键词电动喷雾器；低功耗；单片机；PWM；隔膜泵DESIGNINGOFSINGLECHIPBASEDVARIABLESPRAYINGSYSTEMSTUDENTMAJORINGINAUTOMATIONZHANGSHIQUANTUTORWANGLINGABSTRACTINAGRICULTURALPRODUCTION,THESPRAYINGOFPESTICIDESISVERYCOMMONPRACTICES,THEEXISTINGELECTRICSPRAYERADJUSTMENTPOTENTIOMETERUSEDTOADJUSTTHEWAYTHESIZEOFAEROSOLFLOW,THESYSTEMPOWERCONSUMPTION,NOTTHEECONOMY,ANDTHEFLOWCONTROLISNOTCONVENIENTTHISPAPERDESCRIBESANEWTYPEOFELECTRICSPRAYER,THESYSTEMUSES8BITHIGHPERFORMANCEANDULTRALOWPOWERATMEGA16MICROCONTROLLERBASEDCONTROLLER,COMBINEDWITHTHEWORKINGCHARACTERISTICSOFDIAPHRAGM,USINGSOFTWAREALGORITHMSTOOUTPUTAPWMSIGNALWITHADJUSTABLEDUTYCYCLE,THESIGNALAFTERDRIVERAMPLIFIER,THECONTROLMOSFETONOFF,ASTHECONTROLDIAPHRAGMWORKAFTERTESTINGTHENEWTYPEOFELECTRICSPRAYER,ITHASTHEADVANTAGESOFLOWPOWER,SIMPLECONTROLANDEASYADJUSTMENTINTHEACTUALPRODUCTIONANDLIFEHASACERTAINVALUEFORAPPLICATIONANDPOPULARIZATIONKEYWORDSELECTRICSPRAYERLOWPOWERCONSUMPTIONMICROCONTROLLERPWMDIAPHRAGM绪论3中国是一个农业大国，农业生产中，农药的用量巨大，传统喷雾器技术落后带来了污染严重、农药使用效率低、资源浪费、劳动者工作强度高等一系列问题，迫切的需要一种新的智能化电动喷雾器来解决上诉问题，因此新的电动喷雾器的设计具有一定的价值。农业用喷雾器是农业植保机械的重要组成部分，是农民在喷药、施肥过程中不可缺少的常用农用机械。现在我国农村仍然使用着传统型的背腹压缩式机械喷雾器给农作物喷药、施肥，这种喷雾器施药效率低，而且容易造成农药浪费和农药污染。该种喷雾器有许多不足之处（1）体积大、笨重，尤其是在喷药、施肥时又兑入大量的水后，其总重量达几十千克。因此，在使用过程中对农民来说是一种负担。（2）用水量大，农药的利用率低、不宜在干旱地区使用。由于传统型压缩式喷雾器喷出来的是水注，射在农作物的叶面上又流至地面。因此，等于用药液给农作物的叶子冲了一遍。由于药液浓度太低，害虫并不能一次杀死。而且害虫产生了抗药性，有越治越难治的趋势。由于压缩式喷雾器的雾化性能不好，不加大量的水稀释农药，就会使农作物受到损害。所以，必须加大量的水。据中国农业专家的测定其农药的利用率只有2325。（3）由于传统的喷药方式比较落后，每年造成大量的农药浪费，大量的农药使用对周围环境、人畜和地下水造成污染。电动喷雾器的优点在于取消了抽吸式吸筒，从而有效地消除了农药外滤伤害操作者的弊病，隔膜泵压力比人手动吸筒压力大，增大了喷洒距离和范围，能提高喷药机械的精度，提高农药的有效利用率，而且能明显地减轻劳动强度。雾化效果好，省时、省力、省药电动喷雾器除了应用于农业生产外，还能广泛应用于通用工业设备、医药设备、化工设备旅游车辆、专用车辆、船舶、饮料、车辆清洗、地毯清洗、地面清洗、水净化及水处理设备。（1）解决车辆、船舶、游艇、船艇等在使用中的饮食、洗簌、沐浴、厕所、冲洗的用水。（2）食品、饮料加工及处理等设备，实现流体食品的转移、分配、灌装等。（3）家庭供水。例如，节水卫生间、节水座便器、电动座便器、水管增压系统等。（4）太阳能工业。（5）水净化业。例如，净化设备、水处理设备、饮水机、纯水机等。可为柔巾机、饮水机、可乐机、果汁机、洗碗机、消毒机、太阳能盆景、汽车玻璃冲洗等生产企业配套。（6）其他需液体转移、喷射乃至计量的设备和系统。例如，垃圾车、洒水车、地毯清洁设备、地面清洗设备、车辆清洗设备、道路施工设备、洗碗机、医药设备、化工设备、防化设备、消毒设备、冷却系统、增压系统等。目前市面上已经存在一种背负式电动变量喷雾机，这种喷雾器设备由五部分组成，包括蓄电池、变量控制部分、压力单元、管路、喷枪。它的变量控制部分主要采用旋钮式可调电位器进行调节，原理是电位器与蓄电池并联，电位器抽头与隔膜泵相连，隔膜泵的端电压相当于由两个电阻分压得到，当我们调节电位器时，也就调节了隔膜泵的端电压，进而控制了压力的大小和喷药流量，以满足不同压力和流量的要求。这种设备与传统的喷雾设备相比，在提高农药利用率、减轻劳动者工作强度方面都有显著的提高。尽管如此，这种设备仍然存在一些缺点，总结如下4（1）由于采用旋钮式调节，调节精度较差，且调节量不好掌握，在生产生活中，显得很不方便。（2）机械旋钮的磨损，再加上有电流电弧的损害，影响调节器的使用寿命。（3）电源利用率不高。考虑到喷雾器成本和重量，通常电动喷雾器内装一个12V的蓄电池，如果电源利用率不高，会使得蓄电池内储存的电能很快用完，使用时间较短。针对现有电动喷雾器的特点，本文设计一种新型的电动喷雾器智能化控制系统，以解决现有电动喷雾器上述缺点，能更好的在现代农业生产中运用。本文研究的主要内容有（1）系统硬件的设计。系统硬件设计主要包括ATMEGA16最小系统平台（包含晶振、复位电路）、电源电路模块设计、驱动电路模块设计、按键电路等。（2）系统软件的设计与调试。系统软件包括系统晶振频率的配置、PWM波形配置输出程序、按键检测程序等。（3）系统硬件、软件的统调。系统软件、硬件要分别调试好后，然后还要实现软硬件的配合、联调。（4）PWM信号合适的工作频率,找到最适合控制隔膜泵的PWM信号频率。（5）系统调节后数据的保存方案,使得系统复位后还能回到上次的流量调节大小。1材料与方法11元器件本课题使用到的主要元器件有ATMEGA16、LCD12864、IR2103、IRF3205、示波器。其实物图片如下图1ATMEGA16实物图5图2LCD12864实物图图3IR2103实物图图4IRF32056图5示波器12研究方法使用ATMEGA16作为控制核心，由44矩阵键盘输入配置信息，然后单片机输出占空比可调的PWM波形，经由IR2103电路驱动模块控制MOS管通断，以驱动隔膜泵。因此，改变PWM占空比即可调节隔膜泵流量。LCD12864显示系统相关的信息，示波器则可测量单片机输出的PWM波形信号。2结果与分析21硬件电路设计与实现整个系统硬件主要分为7个模块。系统整体结构图（如图6），模块功能如下（1）MCU模块。ATMEGA16作为智能化控制系统的核心，其管脚输出PWM波形是关键。（2）晶振电路。包括内部晶振和外部晶振。（3）复位电路。为单片机提供良好的复位信号，同时检测单片机的工作电压，工作电压不正常时，同样复位。（4）按键电路。为用户和单片机提供最简单的交互接口。（5）电源转换电路。将便携式的12V蓄电池，转换成控制系统所需要的电压。（6）驱动放大电路。将单片机输出的控制信号驱动放大，以控制隔膜泵工作。（7）显示模块。采用LCD12864液晶显示，用于显示系统必要的一些信息，人机界面良好的交互接口。7图6系统硬件结构图211隔膜泵工作原理隔膜泵又称控制泵，是执行器的主要类型，通过接受调制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。隔膜泵在过程控制中的作用是接受调节器或计算机的控制信号，改变被调介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到生产过程的自动化。如果把自动调节系统与人工调节过程相比较，检测单元是人的眼睛，调节控制单元是人的大脑，那么执行单元隔膜泵就是人的手和脚。要实现对工艺过程某一参数如温度、压力、流量、液位等的调节控制，都离不开隔膜泵。隔膜泵一般由执行机构和阀门组成。采用压缩空气为动力源，对于各种腐蚀性液体，带颗粒的液体，高粘度、易挥发、易燃、剧毒的液体，均能予以抽光吸尽。隔膜泵按其所配执行机构使用的动力，可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动隔膜泵，以电为动力源的电动隔膜泵，以液体介质（如油等）压力为动力的电液动隔膜泵。另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型隔膜泵等。隔膜泵的产品类型很多，结构也多种多样，而且还在不断更新和变化。一般来说阀是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其他执行机构匹配。本系统主要使用电动隔膜泵，工作原理如图7，电机4通过减速箱3带动左右两端柱塞上面的隔膜2一前一后往复运动。在左右两个泵腔内，装有上下四个单向球阀1隔膜的运动，造成工作腔内的容积的改变，迫使四个单向球阀交替地开启和关闭，从而将液体不断地吸入和排出。8图7电动隔膜泵结构图212PWM控制调速原理隔膜泵调速实质上是内部直流电机的调速。（1直流电机调速的原理直流电动机的转速N和其他参量的关系式可表示为NEACRIU由上式可知，直流电机调速的原理很简单，只要改变上式中的任一参数都可以改变电机的转速。（2）直流电机调速的方法改变电枢回路总电阻当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢AR回路总电阻增大，电动机转速就降低。改变电枢电压连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内U实现无级调速。改变励磁电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。（3）各种调速方法的优缺点改变电枢回路总电阻AR优点有实现简单易行；设备制造方便；价格低廉。缺点是耗电多，效率低；电机机械特性软；调速范围小，且只能进行有级调速。改变电枢电压AU优点有可以实现平滑无级调速；调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定性高，调速范围较大；电动机转矩不变，属于恒转矩调速，适合于对恒转矩型负载进行调速；缺点是一般只能在额定转速以下调节；需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。9改变励磁优点有可以平滑无级调速；调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性较好；调速时维持电枢电压和电枢电流不变，即功率不变，属于恒功率调速。缺点是只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；调速特性较软，受电动机换向条件等的限制。通过上述三种方法的比较，可以得知，采用第二种方法来对直流电机进行调速是最好的，但是需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。因此我们想到选用MCU产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。（4）PWM波形控制电机电压原理PWM就是指在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅、等宽或不等宽的脉冲输出电压的调制方法，以达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。利用MCU产生的PWM信号控制直流电机两端电压来控制转速。电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转的越快。这种比例调节是最简单最基本的方式，调节器的输出与输入成正比，与调节比例系数成正比。比例系数越大，动态性能大，调节作用好。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量，但是比例调节存在问题，对于多数惯性环节，比例调节会引起自激震荡，而且其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差的调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。空间一矢量PWM技术有许多特有的优点系统结构简单，对电机的参数变化不灵敏、系统实现转矩、磁通闭环控制，可以获得良好的调速性能，是一种动态性能较好的PWM控制技术。它一定有广阔的应用前景。根据上述PWM控制原理系统采用的PWM控制方案如图8。原理是由MCU产生一个小幅值的PWM信号，经过驱动电路驱动放大后，转换成为一个同样占空比的方波信号，只是电压幅值较大，将这个信号加在MOSFET的门极，就可以控制功率开关器件MOSFET的通断，MOSFET与隔膜泵串联由12V蓄电池供电，这样就可以将MCU产生的PWM信号传递到隔膜泵的两端，通过键盘与单片机相连，调节按键以改变PWM信号的占空比，就可以控制隔膜泵的转速，达到智能化控制的目的。MCU12V图8PWM控制原理图213ATMEGA16简介ATMEGA16是ATMEL公司生产的具有16KB系统内可编程FLASH的8位AVR微控制器，其PDIP封装引脚如下图9，产品特性如下（1）高性能、低功耗的8位AVR微处理器；（2）先进的RISC结构。131条指令、32个8位通用工作寄存器、全静态工作、工作于16MHZ时性能高达16MIPS、只需两个时钟周期的硬件乘法器；（3）非易失性程序和数据存储器。16K字节的系统内可编程FLASH（擦除寿命10000次）、具有独立锁定位的可选BOOT代码区（通过片上BOOT程序实现系统内编程，10真正的同时读写操作）、512字节的EEPROM（擦写寿命10000次）、1K字节的片内SRAM、可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；（4）JTAG接口（与IEEE11491标准兼容）；（5）外设特点为两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器、具有独立震荡器的实时计数器RTC、四通道PWM、8路10位ADC、面向字节的两线接口、两个可编程的串行USART、可工作于主机/从机模式的SPI串行接口、具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器、片内模拟比较器；（6）特殊的处理器特点。上电复位以及可编程的掉电检测、片内经过标定的RC振荡器、片内/片外中断源、6种睡眠模式（空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、STANDBY模式以及扩展的STANDBY模式）；（7）I/O和封装。32个可编程的I/O口、40个引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装。图9ATMEGA16引脚图214晶振电路MEGA16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路，其连线图如图10。早期的90S系列，晶振两端均需要接22PF左右的电容。MEGA系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。不过为了线路的规范化，仍建议接上（注实际应用时，如果你不需要太高精度的频率，可以使用内部RC振荡。即这部分不需要任何的外围零件）。11图10晶体振荡器连接图215复位电路ATMEGA16有5个复位源上电复位、外部复位、看门狗复位、掉电检测复位和JTAGAVR复位。（1）上电复位。电源电压低于上电复位门限时，MCU复位。POTV（2）外部复位。引脚上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU复位，REST本系统外部复位电路如图11。（3）看门狗复位。看门狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生。（4）掉电检测复位。掉电检测复位功能使能，且电源电压低于掉电检测复位门限时MCU即复位。BOTV（5）JTAGAVR复位。复位寄存器为1时MCU复位。图11ATMEGA16外部复位电路图MCU控制和状态寄存器（MCUCSR）提供了有关引起MCU复位的复位源的信息，如图12。图12MCUCSR寄存器BIT4JTRFJTAG复位标志。通过JTAG指令AVR_RESET可以使JTAG复位寄存器置位，并引发MCU复位，并使JTRF置位。上电复位将使其清零，也可以通过写“0”来清除。BIT3WDRF看门狗复位标志。看门狗复位时发生置位。上电复位将使其清零，也可以通过写“0”来清除。BIT2BORF掉电检测复位标志。掉电检测复位发生时置位。上电复位将使其清零，也可以通过写“0”来清除。BIT1EXTRF外部复位标志。外部复位发生时置位。上电复位将使其清零，也可以通过写“0”来清除。BIT0PORF上电复位标志。上电复位发生时置位。只能通过写“0”来清除。216按键电路本系统采用44矩阵键盘，如图13。利用PB口四条I/O线作为行线，四条I/O线12作为列线组成键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就变为44个，该结构能够有效的提高单片机系统中I/O口的利用率。其按键识别原理为先置行线值全为0，列线值全为1。当有按键按下时（假定按键S16被按下），此时列线P17被拉低，变为0，可判定为P17列线上某一个按键被按下。此时，重新赋值8个端口。列线P17置低电平0，其余7个端口全为高电平1，再读入端口状态。由于S16被按下，此时P13被拉低。通过P13和P17这两根线，即可判定S16被按下。图1344矩阵键盘连接图具体按键功能为S1手动模式，PWM占空比，每按一次，占空比加5，直到100为止；S1手动模式，PWM占空比，每按一次，占空比减5，直到0为止；S3手动模式，PWM占空比复位，为0；S4手动模式，PWM占空比置位，为100；S5自动模式，数字1；S6自动模式，数字2；S7自动模式，数字3；S8自动模式，数字0；S9自动模式，数字4；S10自动模式，数字5；S11自动模式，数字6；S12自动模式，退格；S13自动模式，数字7；S14自动模式，数字8；S15自动模式，数字9；S16自动模式，确认，用于输入编号后确认。217电源转换电路设计电动喷雾器内只有一个12V的蓄电池电源，驱动电路和隔膜泵可以直接使用12V电源，而主控制器部分需要一个稳定的5V电源，这就需要一个电源转换模块，将12V电源转换成5V。因此为系统设计了两种电源方案，如下方案一采用线性稳压器件L7805作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转13变MCU所需的工作电压（如图14）。这种电源转换方案电路简单，成本低。但是线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会有很大的“热损失”（其值为V压降I负荷），其工作效率仅为3050。实际使用时，一般都需要在三端稳压器上加散热片。图14L7805稳压电路方案二采用开关电源调节器件LM2576外加辅助电路构成的电源电路（如图15）。开关电源调节器件以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达7090。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。图15LM2576稳压电路218驱动放大电路设计主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。隔膜泵的控制方案有三种方案一用光耦做驱动来控制隔膜泵，这种驱动电路简单，信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳14定，无触点，使用寿命长，传输效率高。由于这种控制电路没有触电，控制频率可以很高，甚至可以达到MHZ以上。但是这种驱动电路的驱动电流较小，一般只能达到500MA。光耦驱动电路与单片机的连接电路如图16。图16光耦驱动电路方案二用继电器来控制隔膜泵。继电器应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。而且控制过程可以实现0电压损耗。由于它主要是靠控制衔铁的吸合来控制主回路的通断，衔铁的吸合和释放需要时间，所以控制频率很低。继电器控制电路与单片机的连接电路如图17。图17继电器驱动电路方案三采用驱动芯片与功率开关器件相结合的驱动电路（注本课题采用此方案）。驱动电路主要功能是驱动MOSFET的通断，由于MOSFET开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点，已成为最常用的功率开关器件之一,而驱动电路的好坏直接影响开关电源工作的可靠性及性能指标。一个好的驱动电路的要求是（1）开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使栅源极间电压迅速上升到所需值，保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡。15（2）开关管导通期间驱动电路能保证栅源极间电压保持稳定使可靠导通。（3）关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路，供栅源极间电容电压的快速泄放。（4）保证开关管能快速关断关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通。（5）另外要求驱动电路结构简单可靠，损耗小，最好有隔离。IR2103是IR公司专为驱动功率开关管而设计的,是一种高电压高速的功率MOSFET和IGBT驱动器，系统采用IR2103设计一个MOSFET驱动电路，IR2103驱动芯片有自举供电能力，能在不使用外加隔离电源的情况下方便驱动小功率的电路，因此用其配合MOSFET驱动隔膜泵工作，设计方便，电路可靠性高，且电路相比使用的元件较少。具体电路如图18。原理IR2103工作电压为820V，可以由蓄电池的12V供电，电容C3可以抑制输入电源的高次谐波，电容C4和快恢复二极管D2辅助驱动芯片形成自举电路，MCU产生的PWM信号输入到驱动芯片的3脚，驱动信号由5脚输出，控制MOSFET管，由于驱动器输出会产生电压过冲，电阻R1、R2可以降低削弱驱动器输出的过应力，限制电流信号，起阻尼作用。图18IR2103驱动电路21912864显示模块本系统液晶显示型号为YM12864R，可显示汉字及图形，内置8192个汉字（1616点阵）、128个字符（816点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。其电路连接图如下图19。16图19LCD12864连线图LCD12864引脚说明请参考下表1。表1LCD12864引脚说明引脚号引脚名称方向功能说明1VSS模块的电源地2VDD模块的电源正端3V0LCD驱动电压输入端4RSCSH/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/WSIDH/L并行的读写选择信号；串行的数据口6ECLKH/L并行的使能信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择H并行；L串行16NC空脚17/RETH/L复位低电平有效18NC空脚19LED_A背光源正极（LED5V）20LED_K背光源负极（LED0V）本系统显示部分共有三页，如下图2022。第一页显示制作者基本信息；第二页显示让我们手动输入相应农作物对应的编号；第三页显示系统工作的基本信息，包括农作物名称及相应编号、PWM频率及占空比、电池电量这些基本信息。17图20显示第一页图21显示第二页图22显示第三页1822软件设计与实现软件设计是智能化系统进行数据采集、处理、控制等工作的基础。系统的软件设计直接影响整个系统的运转和硬件作用的发挥。221ICCAVR简介汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，C语言是一种结构化的高级语言。C语言优点是可读性好，移植容易，缺点是占用资源较多，执行效率没有汇编高。下图23是两种程序设计语言的编译流程图23两种语言编译流程由上图可得出，C语言程序设计在编译过程中，源文件会先被编译为相应的汇编程序，再进行和汇编语言程序设计一样的流程。好的C语言编译器，产生的目标代码在空间和运行效率上几乎和汇编语言一样。而IMAGECRAFT的ICCAVR作为AVR入门编译器为不少人使用，它是一种使用符合ANSI标准的C语言来开发微控制器MCU程序的一个工具。其特点如下（1）工程管理器还能直接生成可以直接使用的INTELHEX格式文件，该格式的文件可被大多数编程器所支持，用于下载到芯片中；（2）ICCAVR是一个32位的程序支持长文件名；（3）源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成，错误显示在状态窗口中，并且当你点击编译错误时，光标自动跳转到错误的那一行；（4）ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境（IDE）。开发环境界面如图24。19图24ICCAVR工具开发环境界面222软件子程序系统软件采用ICCAVR软件进行程序编译，软件采用模块化的设计方式，各模块介绍如下（1）LCD12864初始化配置12864的几个控制口，E（PC7）、R/W（PC6）、RS（PC5）、PSB（PC4），8个数据口PA为输出模式，并清屏。（2）矩阵键盘初始化配置矩阵键盘接口PB为输出模式。（3）PWM初始化配置PWM输出波形，设置分频数，设置信号频率等。（4）EEPROM初始化MEGA16自带512字节EEPROM，根据EEPROM的工作时序，编写EEPROM程序，包含的在某一地址写一个字节数据，在某个读出一个字节数据。（5）按键处理包括按键检测、延时去抖、松手检测、按键识别和相应操作等。（6）LCD12864显示显示内容包括制作者基本信息、选择的模式以及相应信息（农作物编号、PWM占空比、电池电量等）。（7）延时主要通过FOR循环来编写延时程序，由于CPU速度很快，延时用来等待外设反应的。本系统延时函数主要用于按键程序调用，用来延时去抖。223软件主程序由于系统软件采用模块化，主程序主要是每个程序的调用。软件整体流程如图25。20LCD12864PWMEPROMEPROMPWM手动修改占空比NY图25系统整体流程图23系统实验231系统最佳频率选定由于此实验需配有整个一套电动喷雾器系统，笔者无此设备，故该实验略去。参考前人研究，发现系统最佳工作频率为5KHZ，因此选定此频率为PWM波形频率。232系统PWM波形测定此实验以示波管为工具，分别测得5KHZ频率下PWM占空比分别为25、50和75时的波形图，如下图2625占空比波形图21图2750占空比波形图图2875占空比波形图233实物图本课题实物图如图2932。22图29ATMEGA16核心控制模块图30IR2103驱动模块图31隔膜泵23图32系统整体实物图3讨论31系统功能系统最终实现功能如下由12V蓄电池供电，启动后，用户需输入农作物编号，确认，调取对应EEPROM，输出相应PWM信号，最终得以驱动隔膜泵来喷洒农药。由于不同占空比时喷雾流量大小不一样，即实现智能喷雾。整个喷雾过程加入手动调节功能，即可通过按键增大或减小喷雾流量。液晶显示模块的加入也很好的实现了人机交流。32展望随着三农问题越来越得到重视，更多的科学技术被应用到农业的现代化生产当中去，智能电动喷雾器也将得到广泛的应用。本文设计的电动喷雾器控制系统将喷雾器很好的和CPU联系到一起，利用CPU输出的PWM波形来控制流量的大小，基本实现智能化控制。但此系统也有其自身的诸多不足之处（1）输入农作物编号后，调取的数据为参考值，此时PWM占空比不能随意改变。但农田里的信息比较复杂，同一农田农作物的疏密程度不同、不同农田农作物虫害程度不同等这些问题，若用相同的流量对这些不同状况的农作物喷洒农药，显然是不合时宜，效果不是最好的。（2）若人工按键调节喷雾流量，则其大小全凭个人经验，这显然违背了智能化的初衷。基于以上问题，提出以下整改方法相关部门制作一个专家系统，此系统包括不同作物的编号，以及作物各个情况下合适的农药喷洒量，将这个专家系统数据保存在EEPROM中。利用图像处理技术，提取农田信息，包括农作物编号、虫害信息、疏密程度等。综合这些信息，调用相应专家系统的数据，以达到真正的智能化。致谢时光匆匆转眼间，四年大学生活即将结束。感谢这四年来教过我的所有的老师，是你们让我学到了很多宝贵的知识以及做人的道理。感谢我所有的同学、朋友，这四年有你们的陪伴，我的大学生活如此多姿、精彩。24本次毕业设计，感谢王玲老师的指导。在我外地实习期间，多次对我进行指导，关心我毕业设计的进度，回校后还能提供我诸多实验的器材，使我得以顺利地完成毕业论文。特别感谢郑奎学长，对我的毕业论文无论是理论知识还是实践实验，都进行了细致地指导。可以说整个毕业设计中遇到的很多关键性问题都是在他的指导下得以解决的。马上要离开工学院，走入社会。感谢母校这四年对我地培养，让我从四年前一个懵懂无知的少年，变成今天富有朝气，有文化、有志向的青年，去实现自我，改变命运参考文献1邓巍,丁为民基于PWM技术的连续式变量喷雾装置设计与特性分析J农业机械学报，2008，396）77802邓巍,丁为民,何雄奎PWM间歇式变量喷雾的雾化特性J农业机械学报，2009,40174783曹兴乔我国植保机械发展现状及趋势分析J农业科技与装备，2011,1221062634徐钦民,刘淑芬,朱建明,李晓飞,周华一种环保型电动喷雾器的设计J天津理工学院学报,2002,18230325季振军化肥、农药、农膜、药械使用指南M北京中国农业科技出版社,199123306张生昌,方宏生,邓鸿英,郑英臣,林彬彬电动喷雾器用高效低噪双作用滚柱转子泵研制J浙江排灌机械,2008，264）18217李晓峰AVR单片机原理与应用M北京北京理工大学出版社，201035468海涛ATMEGA系列单片机原理与应用C语言教材M北京机械工业出版社，200850749狄德根AVR高速嵌入式单片机原理与