基于STM32微控制器的沙漠植樹(shù)車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中國(guó)擁有廣闊的沙漠、戈壁以及荒漠化土地，三者合計(jì)面積為3.96×106 km²，占據(jù)國(guó)土面積的41.3%，同時(shí)人類對(duì)資源的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，產(chǎn)生了許多的生態(tài)問(wèn)題，加劇了土地荒漠化。現(xiàn)如今生態(tài)保護(hù)、綠色發(fā)展成為新的時(shí)代口號(hào)，《關(guān)于推動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見(jiàn)》，更是促進(jìn)了更多的人和企業(yè)參與到了環(huán)境保護(hù)型發(fā)展領(lǐng)域當(dāng)中^[1]。在城鄉(xiāng)綠色發(fā)展的同時(shí)，我們的目光也關(guān)注到了偏遠(yuǎn)的沙漠地區(qū)，在這些荒涼的大戈壁上，綠色發(fā)展更顯得尤為重要?！蛾P(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見(jiàn)》鼓勵(lì)著我們投身于生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展，對(duì)于荒漠而栽種綠色植被是抵御它最有效措施^[2]。但是，荒漠化地區(qū)植樹(shù)成本高，成活率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大規(guī)模精準(zhǔn)化種植，且國(guó)內(nèi)現(xiàn)有植樹(shù)車結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，操作復(fù)雜，環(huán)境適應(yīng)能力差，針對(duì)以上問(wèn)題我們?cè)O(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于土地荒漠化，使用方便、高效率的沙漠植樹(shù)車。

1 概述

對(duì)于當(dāng)前荒漠地區(qū)植樹(shù)難，耗費(fèi)大，無(wú)法精準(zhǔn)種植等問(wèn)題，本文所介紹的沙漠植樹(shù)車使用STM32F103 微控制器作為主控，配合esp8266 無(wú)線模塊將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，遠(yuǎn)程控制直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)植樹(shù)車運(yùn)動(dòng)和植樹(shù)工作。因此可以極大的減少人力投入，并能快速、準(zhǔn)確的完成沙漠的植樹(shù)工作。在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，積極的響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠水青山就是金山銀山的總體目標(biāo)。

2 植樹(shù)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 沙漠植樹(shù)車整體結(jié)構(gòu)

植樹(shù)車借鑒越野車框架，能夠?qū)崿F(xiàn)在沙漠環(huán)境下的穩(wěn)定行走，因此也保證了種植的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)樹(shù)苗高種植率的目標(biāo)。除此之外，植樹(shù)車機(jī)械結(jié)構(gòu)還集結(jié)了鉆孔機(jī)構(gòu)、送苗機(jī)構(gòu)、灌溉機(jī)構(gòu)、掩埋機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證植樹(shù)機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，實(shí)現(xiàn)沙漠植樹(shù)功能一體化，其主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 沙漠植樹(shù)機(jī)

2.1.2 空心鉆頭打孔機(jī)構(gòu)

空心鉆頭設(shè)計(jì)成螺旋結(jié)構(gòu)，鉆頭底部設(shè)計(jì)成錐形空心結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。一方面便于給地面更大壓強(qiáng)，加速打洞，另一方面便于高壓水槍進(jìn)行注水操作，兩者同時(shí)工作出土效率更高打洞更快。空心鉆頭頂部具有齒輪結(jié)構(gòu)，目的是與另一齒輪嚙合，在電機(jī)的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)鉆頭旋轉(zhuǎn)這一運(yùn)動(dòng)。

圖2 打孔新型空心鉆頭

移動(dòng)裝置主要由絲桿電機(jī)組成，如圖3 所示。左右兩個(gè)電機(jī)的帶動(dòng)下，使空心鉆頭可以準(zhǔn)確垂直的鉆向沙土中，電機(jī)設(shè)計(jì)成左右兩個(gè)，既加大了鉆頭向下的鉆的力度，又實(shí)現(xiàn)了限位的功能。

圖3 鉆頭移動(dòng)裝置

空心鉆頭的設(shè)計(jì)，使得植樹(shù)機(jī)在鉆孔過(guò)程中與注水結(jié)合為一體，樹(shù)苗栽種的同時(shí)完成灌溉，減少表層水分的蒸發(fā)，提高了樹(shù)苗的成活率。實(shí)現(xiàn)種植效率的最大化并且保證了更高的精確性、穩(wěn)定性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)一步阻止了土地荒漠化的擴(kuò)散。

2.1.3 送苗機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要由樹(shù)苗分苗器、分苗滾筒組成，如圖4、圖5。樹(shù)苗分苗滾筒由步進(jìn)電機(jī)控制，轉(zhuǎn)筒表面為凹槽設(shè)計(jì)，保障桿狀的植物可進(jìn)入凹槽裝置，之后滾筒旋轉(zhuǎn)，當(dāng)樹(shù)苗被攜帶到與樹(shù)苗暫存盤成60°時(shí)，樹(shù)苗滑進(jìn)至分苗器，完成分苗；之后分苗器在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傾斜，傾斜至75°時(shí)樹(shù)苗滑進(jìn)至空心鉆頭內(nèi)部，掉落至空洞中，自此完成樹(shù)苗分苗、正位等操作。

圖4 分苗器

圖5 分苗滾筒

2.1.4 覆土掩埋裝置

掩埋裝置主要由掩埋輪組成，如圖6。裝置位于植樹(shù)車尾部，與打孔位置位于同一直線，當(dāng)完成植樹(shù)之一步驟之后，植樹(shù)車前進(jìn)，掩埋裝置經(jīng)過(guò)剛剛完成植樹(shù)的工作區(qū)域就會(huì)對(duì)攜帶出來(lái)的沙土進(jìn)行向中間的掩埋，不僅使得樹(shù)苗更加牢固，更加的減少了水分的蒸發(fā)速率，大大提高了樹(shù)苗的成活率。

圖6 掩埋輪

2.1.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

植樹(shù)車采用全新機(jī)械結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)治沙方法進(jìn)行全面改進(jìn)，以機(jī)器代替人力^[3]，實(shí)現(xiàn)沙漠中自動(dòng)化種植, 在大幅度提高種植效率的同時(shí)，大幅度提高種植的精確度，保證樹(shù)苗的成活率；另外，避免人直接暴露在沙漠中進(jìn)行人工種植，減少人力付出，保證人員安全。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 電控系統(tǒng)硬件

1）單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

主控板以STM32F103 微控制器為核心，通過(guò)esp8266無(wú)線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)至云端^[4]，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊從而達(dá)到控制植樹(shù)車運(yùn)動(dòng)和工作如圖7。

圖7 植樹(shù)車電控框架圖

2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

植樹(shù)車使用了直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)等不同電機(jī)，所用配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)完成對(duì)植樹(shù)車運(yùn)動(dòng)控制，如圖8，L298N 作為單塊集成電路，可直接控制高電壓、高電流馬達(dá)，不需要絕緣電路，可直接驅(qū)動(dòng)雙路直流馬達(dá)，并且在單片I/0 輸出下L298N 的控制端電平可以改變，實(shí)現(xiàn)了控制馬達(dá)的工作方式。

圖8 L298N原理圖

ULN2003 驅(qū)動(dòng)板，如圖9所示。通過(guò)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)控制脈沖數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)植樹(shù)車精準(zhǔn)送苗功能。

圖9 ULN2003 實(shí)物圖

2.2.2 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次使用的編程調(diào)試軟件為Keil_5 和STM32CudeIDE，以STM32 微控制器，搭配L298N、ESP8266、ULN2003 模塊實(shí)現(xiàn)植樹(shù)車運(yùn)動(dòng)和植樹(shù)功能控制。根據(jù)植樹(shù)車所要實(shí)現(xiàn)的功能，大致分為3 個(gè)部分，植樹(shù)車運(yùn)動(dòng)，植樹(shù)功能的實(shí)現(xiàn)，esp8266 連接上端云平臺(tái)控制STM32單片機(jī)的部分。工作流程見(jiàn)圖10。

圖10 軟件設(shè)計(jì)工作流程圖

首先進(jìn)行準(zhǔn)備工作：在植樹(shù)車后部裝有蓄水箱，對(duì)水箱進(jìn)行注水，之后在樹(shù)苗暫存箱進(jìn)行樹(shù)苗放置。啟動(dòng)esp8266 無(wú)線傳輸模塊，使用STA+AP 模式接入到無(wú)線傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與云端的互聯(lián)，通過(guò)云和esp8266 與STM32 微控制器發(fā)送植樹(shù)車運(yùn)動(dòng)或植樹(shù)命令^[5-6]。

準(zhǔn)備工作完成之后進(jìn)行植樹(shù)工作：首先通過(guò)兩個(gè)絲桿電機(jī)帶動(dòng)空心鉆頭向下移動(dòng)進(jìn)行鉆孔，同時(shí)高壓水槍在水泵的作用下進(jìn)行工作，完成鉆孔之后，樹(shù)苗正位機(jī)構(gòu)的滾筒在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下對(duì)樹(shù)苗進(jìn)行分苗操作，樹(shù)苗掉入分苗器，分苗器在對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)的帶動(dòng)下傾斜75°，使得樹(shù)苗在重力作用下掉入鉆出的孔洞中。在車輪底部直流電機(jī)的帶動(dòng)下，車輪進(jìn)行定距移動(dòng)，車尾部帶有掩埋裝置——掩埋輪，當(dāng)車尾經(jīng)過(guò)剛剛新植好的樹(shù)苗位置時(shí)，即可對(duì)剛剛鉆洞導(dǎo)致外漏的沙子和土壤進(jìn)行掩埋操作，使得樹(shù)苗更加穩(wěn)固，減少水分喪失。完成一次種植之后，即可進(jìn)行之后的循環(huán)種植。

2.3 整車調(diào)試

為測(cè)試沙漠植樹(shù)車能否在沙漠地區(qū)工作，選擇在沙質(zhì)地進(jìn)行實(shí)地測(cè)驗(yàn)，如圖11。沙質(zhì)地柔軟，植樹(shù)車速度過(guò)快，會(huì)揚(yáng)起沙塵，使電機(jī)負(fù)載過(guò)大，損壞電機(jī)。為解決這一問(wèn)題，使用PWM 算法，減少脈沖輸出，降低速度，同時(shí)使植樹(shù)車能夠平穩(wěn)運(yùn)行^[7]。經(jīng)最終測(cè)試，沙漠植樹(shù)車可以在沙漠及荒漠地區(qū)前行，植樹(shù)效率為1~2棵/min，滿足預(yù)期效果。

圖11 沙漠植樹(shù)車試車圖

3 結(jié)束語(yǔ)

沙漠植樹(shù)車能夠有效的解決沙漠地區(qū)植樹(shù)困難，人力成本高，栽種精度低的問(wèn)題，作為新型沙漠植樹(shù)車，致力于解決土地荒漠化^[8]，為世界生態(tài)和人類環(huán)境做出貢獻(xiàn)，避免人類在惡劣環(huán)境下的工作，為沙漠地區(qū)植樹(shù)造林計(jì)劃，綠洲計(jì)劃帶來(lái)有效助力。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）