温室棚顶自动清洁控制系统设计

摘要：为了提高温室大棚的透光率，使作物增产增收，文章在温室大棚智能清洁机的整体机械设计方案基础上研究设计一款温室棚顶智能清洁系统，清洁系统行走的过程当中，通过毛刷将灰尘清扫干净，实现温室大棚顶部的半自动或全自动清洁。温室棚顶自动清洁系统包含主控单元、执行电机部分、传感器部分、遥控部分和电源部分。

关键词：温室大棚；智能清洁机；单片机系统；遥控

中图分类号：S625 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2012）-10-0153-1

0 引言

近年来随着科技的发展日光温室在我国得到了大面积的推广，光照是作物生命活动的能量源泉，又是某些作物完成生命周期的重要信息。无论是弱光、短日照光或强光、长日照光都可能成为某些作物生长、发育的限制因子。因此，对温室透光要求显得尤为重要，目前，除去人工补光方法外，温室增光措施一般为定期清扫棚面，保持清洁的透明屋面。

本文在机械设计基础上主要研究了温室大棚智能清洁系统的自动设计，清洁系统按照结构主要分为三部分：行走模块，清洁模块和控制系统。控制系统按照功能又分为主控单元，执行电机部分、传感器部分、遥控部分和电源部分。

1 系统总体设计

1.1 工作原理

影响自动清洁工作因素有两方面：清洁系统和自动控制系统。自动清洁系统提供了清洁的智能行为，主要为清扫模块，清扫模块由高速旋转的电动机带动清扫刷头将灰尘从表面扫起。其工作原理是由高速旋转的电机带动风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流，将尘埃和污物通过气流作用清洁。对于完全自主的自动清洁系统，其工作过程应该包括环境的适应，自动清洁和自行充电。这些行为均以传感器为基础，采集外界信息，形成对外界的统一描述，借助人工智能的方法进行决策，从而形成智能行为。自动清洁系统总体框图如图1所示。

图1 自动清洁系统总体控制框图

1.2 机械设计

本系统依附于一种温室棚顶薄膜表面灰尘的机械清洁设备，该设备由机械清洁系统和安全控制系统构成，机械清洁系统包括一个安装在工作平台的清洁设备，清洁设备和带有压力调节装置的工作平台停靠在X轴移动桥架上，X轴移动桥架沿着Y轴移动槽从温室棚顶一端移动到温室棚顶另一端，清洁设备在此过程中清洁出其自身宽度的干净棚膜，然后在X轴移动桥架的端头升起，工作平台沿X轴移动桥架移动到下一预定点停止，清洁设备落下并以平行前一清洁轨迹的路径重复清洁工作过程，工作平台由位置传感器判定沿X轴移动桥架的停止点。通过调节压力来控制清洁设备沿着任意形状的棚膜表面上移动，避免损坏棚膜，达到清除棚顶薄膜上所堆积的灰尘的目的。

1.3 模块设计

1.3.1 电机控制模块设计 要让机器有稳定的行走能力，需要选择稳定的电动机驱动系统。本设计利用三极管放大作用对单片机I/O口电流进行放大，驱动继电器控制电动机转动，且不会对输入电流由任何影响，完全可以给电动机提供大电流，保证电路工作稳定，采用的大功率MOSFET模块来完成直流电机的控制。

如要毛刷准确到位的到达指定位置完成清洁工作，需要选择步进电机作为驱动电机。本设计利用系统特定的工作周期来设定步进电机的具体参数。为了更好地清洁棚顶的灰尘和杂物，本设计中毛刷控制电机采用四档式控制思路，即采用四相反应式步进电机。将毛刷分为正常旋转、高速旋转、正向旋转和反向旋转。

1.3.2 红外遥控模块 红外通信是利用950mm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。

以单片机AT89C51为电动机的控制核心，单片机本身并不具备红外通信接口， 但可以利用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口。利用红外遥控器配以红外接收头及直流电机的正反转控制电路来实现电动机的运动控制。系统由红外线遥控器、红外线接收模块部分组成。

1.3.3 遥控发射器 当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。遥控发射通过键盘，每按下一个键，即产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在40KHz的载波上，激励红外光二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机的遥控接收器。

1.3.4 遥控接收器 接收部分主要元件是红外接收电路，本系统设计选用专用红外接收模块CX20106。单片机对接收到的数据进行处理，将相应的数据显示在LCD上。这样，一个单片机控制的红外通信系统就实现了通信。

2 结论

本文主要针对温室大棚棚顶自动清洁的设计要求、工作机理和控制系统进行了研究和探讨，在总体方案设计中，主要从行走机构、清洁模块和控制系统三个部分确定了清洁机的基本功能、结构和原理。选用AT89C51单片机作为主芯片，硬件包括主控单元、执行电机、传感器、遥控及电源，对机械部分进行自动控制，实现智能机器在温室大棚顶部的清洁功能。

参考文献

[1] 高鸿磊.光与生物：植物生长与光照的关系.中国照明电器光源灯具文摘，2006年卷04期：20-20.

[2] 应济，陈昆吕，陈子辰.多传感器集成与信息融合及其应用研究.机电工程，1997卷06期：15l-152.

作者简介：李建军（1974-），男，硕士，长春市农业机械研究院工程师，从事农业机械领域科研、推广工作。