1、基于单片机的自动化农业喷药机器人

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1.1、项目背景与研究意义

随着农业现代化的发展，传统人工喷药方式逐渐暴露出效率低、劳动强度大、喷洒不均匀以及人员长期接触农药带来健康风险等问题。尤其在果园、蔬菜大棚、苗圃以及园区绿化等场景中，喷药作业属于高频且重复的任务，通常需要大量人工投入。人工喷药不仅耗时耗力，而且喷药质量受操作者经验影响较大，容易出现喷洒不均、药液浪费或漏喷，从而导致病虫害防治效果不稳定。

自动化农业喷药机器人正是为解决这些痛点而提出的一种智能设备。它通过单片机作为核心控制器，结合电机驱动、喷药泵控制、位置检测、按键交互与显示模块，实现机器人自主移动与均匀喷药，从而达到“无人化、均匀化、可监控”的作业目标。相比传统方式，自动化喷药机器人能够带来以下优势：
1、提高作业效率：机器人可持续运行，减少人工参与，提升喷药速度与覆盖范围。
2、降低健康风险：避免人员长期暴露于农药环境，提升安全性。
3、喷洒更均匀：通过固定速度与喷药控制策略，使药液分布更加均匀，减少浪费。
4、便于管理与监控：通过显示屏实时展示当前位置与喷药次数，操作透明，便于管理者掌握作业进度。
5、具备扩展潜力：可进一步扩展路径规划、障碍检测、远程控制、自动配药、智能调速等功能。

因此，基于单片机的自动化农业喷药机器人设计既具有实际工程价值，也适合用于课程设计、毕业设计与农业自动化原型验证。

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1.2、系统总体目标与功能概述

本系统以“按键控制—自主移动—自动喷药—实时显示—状态提示”为核心设计思路，实现以下功能：

1、按键控制
通过按键实现系统启动、暂停与复位操作。用户可以在现场快速控制机器人工作状态，提高灵活性与安全性。例如：当有人进入喷药区域或机器人需要临时停止时，可按暂停键立即停止运动与喷药。

2、自动喷药
系统启动后，机器人在园区内自动来回移动，并进行均匀喷药作业。机器人采用往返运动方式，适用于长条形通道、温室大棚走廊、果树行间等场景。系统可通过路径边界检测或计时/里程方式实现往返控制。

3、实时显示
通过显示屏实时显示机器当前位置（例如：行进方向、当前段编号、里程计数或区域编号）以及喷药累计次数。喷药次数可用于估算喷药覆盖面积、药液用量与作业进度。

4、状态提示
在工作状态下，蜂鸣器会发出提示音，提醒用户机器正在运行，避免误入作业区域，也便于远距离判断机器是否处于运行状态。蜂鸣器可采用间歇鸣叫方式，既能提示又不造成过大噪音。

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2、系统总体方案与工作流程设计

2.1、系统硬件组成结构

系统硬件主要由以下模块构成：
1、单片机最小系统模块（核心控制）
2、按键控制模块（启动/暂停/复位）
3、显示模块（LCD1602或LCD12864/OLED等）
4、蜂鸣器提示模块（运行提示音）
5、电机驱动与运动控制模块（左右轮电机或履带驱动）
6、喷药执行模块（喷药泵/电磁阀/喷头）
7、位置检测模块（编码器/霍尔传感器/红外反射/限位开关，可选）
8、电源管理模块（主电池供电、稳压、保护、滤波）

系统软件主要由以下模块构成：
1、系统初始化模块
2、按键扫描与状态机模块
3、运动控制模块（前进/后退/转向/往返）
4、喷药控制模块（喷药启停、喷药次数计数）
5、位置计算与更新模块（里程/段编号/方向）
6、显示刷新模块（位置+喷药次数+状态）
7、蜂鸣器提示模块（工作提示节奏）
8、安全保护与异常处理模块（暂停、复位、超时保护扩展）

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2.2、系统运行状态机设计

为了保证系统逻辑清晰、可扩展且不易出错，本系统采用“状态机”设计思想，将机器人运行过程划分为以下状态：

1、待机状态（IDLE）
系统上电后处于待机状态，电机不转、喷药关闭、蜂鸣器不响，屏幕显示“待机”以及初始位置、喷药次数。

2、运行状态（RUN）
按下启动键后进入运行状态。机器人开始自动移动，同时开启喷药系统；蜂鸣器间歇鸣叫；屏幕实时更新当前位置与喷药次数。

3、暂停状态（PAUSE）
运行中按下暂停键进入暂停状态。此时电机停止、喷药停止，蜂鸣器停止或改为短鸣提示暂停；屏幕显示暂停状态。再次按启动键可恢复运行。

4、复位状态（RESET）
按下复位键触发复位逻辑：停止电机与喷药，清零喷药次数与位置计数，恢复初始方向与初始状态，并显示复位完成提示。

采用状态机的优势在于：

• 避免大量if-else导致逻辑混乱。
• 易于扩展新的状态（例如：故障报警、低电量返回、补液提示等）。
• 易于实现“按键控制优先级”，确保在任何情况下暂停键都能立即生效，提高安全性。

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2.3、自动往返移动逻辑设计

农业园区常见的喷药场景具有明显的“长通道”特征，例如大棚走廊、果树行间。为了实现稳定可靠的自动运动，本系统采用“往返运动 + 边界检测/里程控制”的策略：
1、机器人从起点向前行驶，保持恒速喷药。
2、到达边界后（通过限位开关或红外检测到边界、或通过行驶距离到达预设值），机器人执行转向或原地掉头。
3、反向继续行驶，实现来回覆盖。
4、每完成一次往返或每经过一定距离，喷药次数累加，用于反映作业进度。

如果硬件条件允许，推荐采用左右轮编码器来检测里程与速度，这样不仅能统计位置，还能通过速度闭环提高运动平稳性，使喷洒更均匀。若不使用编码器，也可以采用定时方式估算距离，即“以固定速度运行固定时间视作走过固定距离”，但精度会受电压、电机差异影响。

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3、电路设计

3.1、电路设计总体说明

喷药机器人属于“机电一体化系统”，电路设计必须同时满足控制稳定性与驱动安全性。系统存在电机、电磁阀或水泵等大功率负载，它们在启动时会产生较大的电流冲击与电磁干扰，因此电路设计中必须重点考虑：
1、电源分区：逻辑控制部分与电机/泵驱动部分尽量分开供电或分开滤波，避免干扰导致单片机复位。
2、驱动隔离：单片机I/O不能直接驱动电机或泵，必须采用驱动芯片或MOSFET/继电器。
3、滤波与保护：电机、泵属于感性负载，需要续流二极管、TVS、滤波电容等保护措施。
4、模块化接口：便于调试与维护，减少故障定位难度。

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3.2、单片机最小系统模块

3.2.1、核心器件选择

本系统可采用常见8位单片机（如STC89C52、AT89S52等51系列），原因包括：

• I/O资源丰富，可连接按键、显示、蜂鸣器、驱动信号等。
• 定时器中断资源可用于按键消抖、喷药计数、蜂鸣器节奏控制与速度调节。
• 开发资料丰富，适合工程实现与教学应用。

3.2.2、最小系统组成

单片机最小系统由以下电路构成：
1、电源引脚：VCC与GND，建议加入0.1uF去耦电容靠近芯片放置。
2、晶振电路：常用11.0592MHz或12MHz晶振，配套两个30pF左右电容到地，保证振荡稳定。
3、复位电路：RC上电复位+复位按键，确保上电可靠启动。

3.2.3、接口资源规划

为了使系统扩展性更好，应提前规划I/O：

• LCD显示模块：占用6个I/O（4位模式）。
• 按键模块：至少3个I/O（启动、暂停、复位）。
• 蜂鸣器：1个I/O。
• 电机驱动：至少2~4个I/O（方向与PWM）。
• 喷药泵/电磁阀：1个I/O（开/关）。
• 位置检测传感器：2个I/O或更多（编码器A/B相、限位开关等）。

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3.3、按键控制模块

3.3.1、按键功能设计

按键模块用于提供人机交互，至少包括：
1、START启动键：从待机进入运行或从暂停恢复运行。
2、PAUSE暂停键：任何时刻优先暂停，停止运动与喷药。
3、RESET复位键：清零状态、回到初始待机。

在设计中应确保：

• PAUSE键优先级最高，保证安全停机。
• RESET键用于异常恢复与数据清零。

3.3.2、电路设计要点

按键一般采用低电平有效方式：

• 按键一端接地，另一端接单片机I/O并上拉。
• 上拉可使用单片机内部上拉或外接10k电阻。
  按键容易产生机械抖动，必须通过软件消抖或硬件RC消抖，否则会出现一次按键触发多次事件的情况。

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3.4、显示模块（LCD1602/OLED）

3.4.1、显示内容规划

显示模块用于实时展示：

• 当前状态：待机/运行/暂停/复位
• 当前位置：可用段编号、里程计数或方向信息表示
• 喷药累计次数：用于监控喷药进度
  例如LCD1602界面可设计为：
• 第一行：POS:xxx SPR:xxx
• 第二行：STATE:RUN / PAUSE / IDLE

3.4.2、LCD1602接口说明

LCD1602可采用4位并行方式连接：

• RS、EN为控制信号
• D4~D7为数据线
  RW一般固定接地，简化为只写模式
  这种方式可以减少I/O占用，同时满足字符显示需求。

3.4.3、显示刷新策略

为了避免闪烁与系统负担：

• 显示刷新不必过快，建议200ms~500ms刷新一次。
• 状态变化时（如启动、暂停）可强制刷新一次。
• 对喷药次数与位置显示采用局部更新，避免整屏重绘。

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3.5、蜂鸣器提示模块

3.5.1、功能与意义

蜂鸣器作为运行提示装置，主要作用：

• 提醒周围人员机器人正在运行，提高安全性。
• 提示机器人处于运行状态，便于远距离判断。
• 可扩展为故障报警（如缺药、低电量、卡死等）。

3.5.2、蜂鸣器类型与驱动

建议使用有源蜂鸣器：只需输出高/低电平即可发声。
蜂鸣器电流一般较小，可直接由单片机I/O驱动，若蜂鸣器功率较大可加入三极管放大驱动，并在电源端加入滤波电容以减少噪声。

3.5.3、提示策略

运行状态下采用间歇鸣叫，例如：

• 每1秒短鸣100ms
  既能提示运行，又不会持续高噪音影响环境。

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3.6、电机驱动与运动控制模块

3.6.1、运动机构方案

机器人移动通常采用：

• 两轮差速驱动（左右轮各一电机，结构简单，易转向）
• 或履带驱动（适合复杂地形，但摩擦较大）

本设计推荐两轮差速结构：

• 前进：左右轮同向转动
• 后退：左右轮反向转动
• 转向：一侧转另一侧停或反转

3.6.2、驱动芯片选择

电机属于大电流负载，必须使用驱动电路：

• L298N：经典双H桥驱动，可驱动两路直流电机，支持方向控制与PWM调速。
• TB6612FNG：效率更高，压降更小，适合电池供电场景。
• MOSFET H桥：效率高但设计复杂。

L298N具有结构清晰、资料丰富、适合教学的优势，因此常用于此类系统。

3.6.3、驱动控制信号设计

单片机输出控制信号一般包括：

• 左电机IN1/IN2：方向控制
• 右电机IN3/IN4：方向控制
• ENA/ENB：使能控制，可输入PWM实现调速

若无需调速，也可以固定使能为高电平，只控制方向即可。

3.6.4、电机干扰抑制

电机工作时会产生电磁干扰，可能导致单片机复位、显示乱码。建议采取：

• 电机端并联0.1uF电容（火花抑制）
• 电机供电端加大电解电容（例如470uF以上）
• 控制电路与驱动电路供电分离或加滤波
• 信号线尽量短并远离电机电源线

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3.7、喷药执行模块（水泵/电磁阀/喷头）

3.7.1、喷药系统组成

喷药系统一般由：

• 药液储罐
• 喷药泵（微型直流水泵）或电磁阀（控制液体流动）
• 喷头（雾化喷头、扇形喷头等）
• 管路与过滤装置

本设计重点在控制部分，喷头类型可按实际农作物与喷洒需求选择。

3.7.2、喷药泵控制电路

喷药泵通常为直流电机负载或电磁阀负载，电流较大，必须采用MOSFET或继电器控制：

• MOSFET方案：效率高、响应快、寿命长，适合频繁开关。
• 继电器方案：隔离性好，但寿命与噪音存在限制。

建议使用逻辑电平MOSFET（如AO3400、IRLZ44N等）作为低端开关控制：

• 泵正极接电源
• 泵负极接MOSFET漏极
• MOSFET源极接地
• 单片机通过电阻驱动栅极
• 泵两端并联续流二极管（抑制反向电动势）

3.7.3、均匀喷药控制策略

为了实现均匀喷药，喷药泵控制可采用两种策略：
1、持续喷药：机器人运行期间泵持续开启，喷药量由行驶速度决定，结构简单。
2、脉冲喷药：泵按周期开启/关闭（例如开500ms关500ms），可更精准控制喷药量并降低泵负荷。

本设计可以采用持续喷药作为基础方案，并通过喷药次数计数来反映喷药过程。

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3.8、位置检测模块（可选）

3.8.1、位置检测需求

题目要求显示“机器当前位置”，在工程实现中常见的实现方式包括：
1、编码器测距：通过车轮编码器累计脉冲换算位移，精度高，适合真实机器人。
2、霍尔传感器计数：在轮子上贴磁铁，霍尔传感器计数脉冲，成本低。
3、红外反射/黑线循迹：在地面铺设路线，传感器检测黑线位置，适合固定路线。
4、限位开关/碰撞开关：用于检测到达边界并触发掉头。
5、纯时间估算：以固定速度运行固定时间估算位置，成本最低但精度一般。

在教学设计中，可以采用“时间估算+段编号”的方式模拟位置：例如每运行2秒位置段编号+1，掉头后编号递减，从而实现“当前位置显示”。若条件允许，则推荐霍尔传感器或编码器方案，提高可靠性。

3.8.2、边界检测与往返控制

为了实现自动往返，必须具备边界检测机制：

• 两端放置限位开关：碰到开关即掉头
• 或红外测距传感器检测障碍：检测到墙或边界即掉头
• 或通过里程判断到达预设距离后掉头

本系统可采用“限位开关+掉头”的方式最直观可靠，且程序简单。

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3.9、电源管理模块

3.9.1、供电需求分析

机器人通常采用电池供电，例如：

• 7.4V锂电池（2S）或12V电池供电电机与水泵
• 通过降压模块输出5V供单片机与传感器/显示模块

由于电机和水泵工作电流大，建议：

• 控制部分使用独立稳压输出
• 驱动部分直接使用电池供电或单独稳压
• 两者地线共地，保证信号参考一致

3.9.2、保护与滤波

为避免电机启动导致电压跌落，应配置：

• 电源输入大电解电容（470uF~1000uF）
• 单片机与显示模块供电旁路电容（0.1uF）
• 低电量检测扩展（可通过ADC检测电池电压并提示）

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4、程序设计

4.1、软件总体架构与模块化设计

喷药机器人属于典型的嵌入式控制系统，程序设计应强调实时性、稳定性与可扩展性。推荐采用“定时任务调度 + 状态机”的结构：

• 定时器提供系统节拍（如10ms或1ms）
• 主循环根据标志位执行任务：按键扫描、显示刷新、位置更新、自动往返控制、喷药次数统计、蜂鸣器节奏输出等
• 系统状态机管理IDLE/RUN/PAUSE/RESET等状态

模块化划分如下：
1、系统初始化模块
2、按键模块（扫描+消抖+事件处理）
3、电机控制模块（前进/后退/转向/停止）
4、喷药控制模块（泵开关+喷药次数统计）
5、位置更新模块（编码器/计时段编号）
6、显示模块（内容格式化+刷新）
7、蜂鸣器模块（节奏提示）
8、往返运动控制模块（边界检测+掉头策略）

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4.2、系统初始化模块

4.2.1、初始化内容

1、端口初始化：设置电机控制端口、泵控制端口、蜂鸣器端口为输出，按键端口为输入。
2、定时器初始化：产生10ms节拍，用于任务调度。
3、显示模块初始化：清屏、显示开机提示。
4、变量初始化：位置清零、喷药次数清零、状态设置为待机。
5、安全初始化：关闭电机与泵，防止上电误动作。

4.2.2、初始化原则

• 先关闭执行机构再初始化控制逻辑。
• 显示初始化后再进入主循环，避免乱码。
• 所有计数器和状态变量必须明确赋值，防止随机值导致异常行为。

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4.3、按键控制程序模块

4.3.1、按键扫描与消抖

按键容易抖动，因此建议采用定时扫描消抖：

• 每10ms扫描一次
• 若连续检测到按下状态超过20ms则确认有效
• 触发事件后等待按键释放

4.3.2、按键事件逻辑

• START：在IDLE或PAUSE状态下进入RUN状态
• PAUSE：在RUN状态下进入PAUSE状态
• RESET：任何状态下清零并回到IDLE

为了安全，PAUSE应具备最高优先级，确保机器人可随时停机。

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4.4、电机运动控制模块

4.4.1、运动控制指令

电机模块应提供统一控制接口：

• Move_Forward()
• Move_Backward()
• Turn_Left()
• Turn_Right()
• Move_Stop()

4.4.2、往返运动控制逻辑

在RUN状态下：
1、机器人默认向前运动
2、检测到边界后执行掉头（可原地转180°或后退+转向）
3、改变方向标志并继续前进
4、循环往返

若采用左右轮差速，可以通过“左轮反转+右轮正转”实现原地转向。

4.4.3、速度与喷洒均匀性

喷洒均匀性与运动速度密切相关。若速度波动大，会造成喷洒不均匀。因此建议：

• 采用PWM调速保持恒速
• 或在电池电压下降时适当调整PWM占空比
  基础版本也可采用固定PWM输出，保证相对稳定。

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4.5、喷药控制模块

4.5.1、喷药启停

喷药控制与运行状态强绑定：

• RUN状态：喷药泵开启（持续喷药或脉冲喷药）
• PAUSE/IDLE/RESET状态：喷药泵关闭

4.5.2、喷药次数统计

喷药次数可以理解为“喷药动作次数”或“喷药脉冲次数”。在持续喷药策略下，也可用时间片计数模拟喷药次数，例如：

• 每喷药1秒计数+1
  这样喷药次数可反映喷药持续时间与累计喷洒量趋势。

在脉冲喷药策略下，每次开启泵一次即可计数+1，更直观。

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4.6、位置更新模块

4.6.1、位置参数定义

位置显示可以采用简化方式：

• position为段编号：每行进固定时间（如1秒）position+1
• 掉头后position递减，模拟来回运动
  这样即使没有编码器，也能满足“显示当前位置”的需求。

如果使用编码器或霍尔传感器，则位置更新更精确：

• 每个脉冲对应一定距离
• position可换算为厘米或米并显示

4.6.2、位置更新节拍

位置更新不需要过快，建议每200ms或1秒更新一次即可，同时保证显示稳定。

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4.7、显示模块程序设计

4.7.1、显示内容与格式

显示模块至少显示：

• 当前位置：POS=xxx
• 喷药累计次数：SPR=xxx
• 当前状态：RUN/PAUSE/IDLE

LCD1602可采用两行显示：

• 第1行：POS:xxx SPR:xxx
• 第2行：STATE:RUN / PAUSE / IDLE

4.7.2、刷新策略

• RUN状态：周期刷新（例如500ms一次）
• 状态切换：立即刷新一次
• 避免频繁清屏，采用光标定位覆盖更新即可

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4.8、蜂鸣器提示模块

4.8.1、运行提示音策略

在RUN状态下蜂鸣器间歇鸣叫，例如：

• 每1秒响100ms
  在PAUSE或IDLE状态下蜂鸣器保持静音。

4.8.2、扩展策略

后续可扩展：

• 低电量：快速短鸣
• 缺药：长鸣+显示提示
• 卡死：连续鸣叫并停机

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4.9、安全保护与复位模块

4.9.1、暂停优先

任何时候按下暂停键必须立即停机：

• 电机停止
• 喷药停止
• 蜂鸣器停止
  这属于安全控制逻辑核心。

4.9.2、复位功能实现

复位不仅是变量清零，更重要的是恢复设备安全状态：

• 所有执行机构关闭
• 清零喷药次数与位置
• 恢复默认方向
• 显示复位完成

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5、关键程序代码示例（模块化实现）

5.1、全局变量与硬件定义

#include <reg52.h>

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int  u16;

// ====== 按键定义（低电平有效） ======
sbit KEY_START = P3^0;
sbit KEY_PAUSE = P3^1;
sbit KEY_RESET = P3^2;

// ====== 蜂鸣器 ======
sbit BEEP = P1^7;

// ====== 喷药泵控制（MOSFET/继电器驱动） ======
sbit PUMP = P1^6;

// ====== 电机驱动控制（示例：左右轮两个方向控制） ======
sbit L_IN1 = P2^0;
sbit L_IN2 = P2^1;
sbit R_IN1 = P2^2;
sbit R_IN2 = P2^3;

// ====== 系统状态 ======
typedef enum {
    ST_IDLE = 0,
    ST_RUN,
    ST_PAUSE
} SysState;

volatile SysState sysState = ST_IDLE;

// ====== 位置与喷药次数 ======
volatile int position = 0;      // 当前位置段编号，可正可负
volatile u16 sprayCount = 0;    // 喷药累计次数

// ====== 方向标志：1向前，0向后（往返） ======
volatile bit dirForward = 1;

// ====== 定时标志 ======
volatile bit flag_10ms = 0;
volatile bit flag_200ms = 0;
volatile bit flag_1s = 0;

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5.2、定时器初始化与中断（10ms节拍）

void Timer0_Init(void)
{
    TMOD &= 0xF0;
    TMOD |= 0x01;

    // 11.0592MHz，10ms：初值 0xDC00
    TH0 = 0xDC;
    TL0 = 0x00;

    ET0 = 1;
    EA  = 1;
    TR0 = 1;
}

void Timer0_ISR(void) interrupt 1
{
    static u8 cnt200 = 0;
    static u8 cnt1s = 0;

    TH0 = 0xDC;
    TL0 = 0x00;

    flag_10ms = 1;

    cnt200++;
    if(cnt200 >= 20) // 200ms
    {
        cnt200 = 0;
        flag_200ms = 1;

        cnt1s++;
        if(cnt1s >= 5) // 1秒
        {
            cnt1s = 0;
            flag_1s = 1;
        }
    }
}

---

5.3、电机控制模块

void Motor_Stop(void)
{
    L_IN1 = 0; L_IN2 = 0;
    R_IN1 = 0; R_IN2 = 0;
}

void Motor_Forward(void)
{
    // 左右轮正转
    L_IN1 = 1; L_IN2 = 0;
    R_IN1 = 1; R_IN2 = 0;
}

void Motor_Backward(void)
{
    // 左右轮反转
    L_IN1 = 0; L_IN2 = 1;
    R_IN1 = 0; R_IN2 = 1;
}

void Motor_TurnAround(void)
{
    // 原地掉头：左轮反转，右轮正转
    L_IN1 = 0; L_IN2 = 1;
    R_IN1 = 1; R_IN2 = 0;
}

---

5.4、喷药控制模块

void Pump_On(void)
{
    PUMP = 1;
}

void Pump_Off(void)
{
    PUMP = 0;
}

// 持续喷药时可用时间计数模拟喷药次数
void Spray_Count_1s(void)
{
    if(sysState == ST_RUN)
    {
        sprayCount++;
    }
}

---

5.5、蜂鸣器提示模块

void Beep_On(void)  { BEEP = 1; }
void Beep_Off(void) { BEEP = 0; }

// RUN状态每秒短鸣100ms
void Beep_Process_200ms(void)
{
    static u8 beepStep = 0;

    if(sysState != ST_RUN)
    {
        Beep_Off();
        beepStep = 0;
        return;
    }

    beepStep++;
    if(beepStep == 1)
        Beep_On();
    else
        Beep_Off();

    if(beepStep >= 5) // 200ms*5=1s循环
        beepStep = 0;
}

---

5.6、按键扫描与状态机控制

bit Key_Scan(sbit key)
{
    if(key == 0)
    {
        u16 i;
        for(i=0;i<500;i++); // 简易延时消抖
        if(key == 0)
        {
            while(key == 0); // 等待松手
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

void Key_Process(void)
{
    // RESET优先级最高
    if(Key_Scan(KEY_RESET))
    {
        sysState = ST_IDLE;
        Motor_Stop();
        Pump_Off();
        Beep_Off();
        position = 0;
        sprayCount = 0;
        dirForward = 1;
        return;
    }

    // PAUSE优先
    if(Key_Scan(KEY_PAUSE))
    {
        if(sysState == ST_RUN)
        {
            sysState = ST_PAUSE;
            Motor_Stop();
            Pump_Off();
            Beep_Off();
        }
        return;
    }

    // START键：从IDLE/PAUSE进入RUN
    if(Key_Scan(KEY_START))
    {
        if(sysState == ST_IDLE || sysState == ST_PAUSE)
        {
            sysState = ST_RUN;
            // 启动后立即进入运动与喷药
            if(dirForward) Motor_Forward();
            else Motor_Backward();
            Pump_On();
        }
    }
}

---

5.7、往返运动与位置更新逻辑（示例：时间估算位置）

void Move_Process_1s(void)
{
    static u8 travelSec = 0;

    if(sysState != ST_RUN) return;

    // 每秒更新位置（模拟）
    if(dirForward) position++;
    else position--;

    // 简单往返：每走10秒掉头一次（示例）
    travelSec++;
    if(travelSec >= 10)
    {
        travelSec = 0;

        // 掉头动作
        Motor_TurnAround();
        // 掉头持续一段时间（简化：用阻塞延时演示）
        // 实际建议用非阻塞计时方式
        {
            u16 i;
            for(i=0;i<30000;i++);
        }

        // 切换方向继续走
        dirForward = !dirForward;
        if(dirForward) Motor_Forward();
        else Motor_Backward();
    }
}

---

5.8、显示模块示例（LCD1602显示伪函数）

// 以下为显示伪函数，实际项目需要LCD驱动实现：
// void LCD_ShowString(u8 row, u8 col, char *str);

void Display_Process_200ms(void)
{
    char line1[17];
    char line2[17];

    // line1: POS:xxxx SPR:xxxx
    line1[0]='P'; line1[1]='O'; line1[2]='S'; line1[3]=':';
    line1[4]=(position/1000)%10+'0';
    line1[5]=(position/100)%10+'0';
    line1[6]=(position/10)%10+'0';
    line1[7]=(position%10)+'0';
    line1[8]=' ';
    line1[9]='S'; line1[10]='P'; line1[11]='R'; line1[12]=':';
    line1[13]=(sprayCount/100)%10+'0';
    line1[14]=(sprayCount/10)%10+'0';
    line1[15]=(sprayCount%10)+'0';
    line1[16]='\0';

    // line2: STATE:XXX
    line2[0]='S'; line2[1]='T'; line2[2]='A'; line2[3]='T'; line2[4]='E'; line2[5]=':';
    if(sysState==ST_IDLE)
    { line2[6]='I'; line2[7]='D'; line2[8]='L'; line2[9]='E'; }
    else if(sysState==ST_RUN)
    { line2[6]='R'; line2[7]='U'; line2[8]='N'; line2[9]=' '; }
    else
    { line2[6]='P'; line2[7]='A'; line2[8]='U'; line2[9]='S'; line2[10]='E'; }
    line2[16]='\0';

    // LCD_ShowString(0,0,line1);
    // LCD_ShowString(1,0,line2);
}

---

5.9、主循环框架（任务调度）

void main(void)
{
    Timer0_Init();

    // 上电安全状态
    Motor_Stop();
    Pump_Off();
    Beep_Off();

    // LCD_Init(); // 若使用LCD需初始化
    sysState = ST_IDLE;
    position = 0;
    sprayCount = 0;
    dirForward = 1;

    while(1)
    {
        if(flag_10ms)
        {
            flag_10ms = 0;
            Key_Process();   // 按键扫描
        }

        if(flag_200ms)
        {
            flag_200ms = 0;
            Beep_Process_200ms();     // 蜂鸣器节奏
            Display_Process_200ms();  // 显示刷新
        }

        if(flag_1s)
        {
            flag_1s = 0;
            Spray_Count_1s();   // 喷药次数统计
            Move_Process_1s();  // 位置更新与往返运动
        }
    }
}

---

6、关键设计要点与工程实现建议

6.1、均匀喷药的关键因素

喷洒均匀性取决于三个主要因素：
1、运动速度稳定：速度越恒定，喷洒密度越均匀。
2、喷药流量稳定：水泵输出压力稳定、喷头雾化稳定。
3、喷药控制策略合理：持续喷药简单稳定，脉冲喷药可精细控制。

在工程实践中，最容易导致喷洒不均的是电池电压变化导致速度变化。为提升均匀性，可以扩展：

• PWM闭环调速（利用编码器反馈）
• 电池电压检测（低电压补偿PWM或提醒更换电池）

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6.2、安全性与可靠性设计要点

1、暂停键优先级最高：任何时候必须能立即停机停喷。
2、驱动隔离与保护：电机与水泵必须使用驱动电路，并加续流二极管与滤波。
3、供电分区与滤波：防止电机启动造成单片机复位。
4、复位恢复安全状态：复位必须确保执行机构关闭。
5、蜂鸣器提示避免误入：运行中间歇提示，提高现场安全。

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6.3、可扩展升级方向

本系统作为基础喷药机器人平台，具备良好扩展性，可进一步加入：
1、循迹或路径规划：通过红外循迹、二维码定位、GPS/北斗定位，实现更智能路径。
2、障碍物检测：超声波/红外测距检测障碍并绕行或停机。
3、自动回充/回仓：低电量自动返回充电或补液点。
4、药液余量检测：液位传感器检测缺药并报警。
5、远程控制与数据上传：蓝牙/WiFi/LoRa通信，实现远程监控。
6、喷量闭环控制：流量传感器+PWM调速，实现精准喷药。

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7、总结

基于单片机的自动化农业喷药机器人系统通过按键控制、自动移动喷药、实时显示与蜂鸣器状态提示，实现了农业园区内的无人化喷药作业。系统采用模块化电路设计，包含单片机最小系统、按键控制模块、显示模块、蜂鸣器提示模块、电机驱动模块、喷药泵控制模块及电源管理模块，保证了控制稳定性与驱动安全性。在程序设计上，系统采用定时任务调度与状态机管理思路，实现启动、暂停、复位控制，并在运行状态下完成往返移动、喷药执行、位置更新、喷药次数统计与实时显示，同时通过蜂鸣器间歇提示提醒用户设备处于运行状态。

该设计方案成本低、结构清晰、易实现、可扩展性强，适用于农业温室、果园园区、绿化带等场景的喷药自动化需求，并可进一步升级为具备循迹导航、障碍检测、远程管理与精准喷药能力的智能农业机器人平台。