全地形農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李杰 曾實(shí)現(xiàn) 李新瑞 李亮亮 賈昊林 劉以強(qiáng)

【摘?要】本設(shè)計(jì)為用于不同地形的農(nóng)藥噴灑。該裝置由履帶爬坡底盤(pán)、農(nóng)藥噴灑傳動(dòng)系統(tǒng)、外部環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、無(wú)線遙控控制系統(tǒng)、可視化圖像系統(tǒng)組成。其包括：基于STM32單片機(jī)的硬件主控電路：多角度農(nóng)藥噴灑裝置：具有一定壓力的工作介質(zhì)水，通過(guò)噴嘴向吸入室高速噴出，通過(guò)水泵和噴頭的配合高速流出。環(huán)境檢測(cè)功能：通過(guò)傳感器對(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)，例如：溫度、風(fēng)速、空氣濕度等等;Wi-Fi攝像頭，固定在車架，保證噴灑途中圖像實(shí)時(shí)傳輸，底盤(pán)履帶配合大功率直流減速電機(jī)便于裝置的行進(jìn);采用串口智能電容屏，實(shí)時(shí)顯示裝置內(nèi)藥量情況。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)：采用太陽(yáng)能供電和蓄電池供電的多種方式，避免裝置正常工作時(shí)發(fā)生電量等問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】STM32單片機(jī);環(huán)境檢測(cè);Wi-Fi攝像頭;履帶爬坡底盤(pán);太陽(yáng)能供電;

引言

每年我國(guó)都有100萬(wàn)t農(nóng)藥制劑、1億t藥液噴灑農(nóng)田中，但我國(guó)在農(nóng)藥使用的技術(shù)理論和技術(shù)措施個(gè)研究嚴(yán)重不足。人們一直認(rèn)為農(nóng)藥使用只是簡(jiǎn)單的稱量、配制的藥物學(xué)問(wèn)題，農(nóng)藥使用技術(shù)仍停留在大青、大霧滴噴霧技術(shù)水平上。概括起來(lái)，現(xiàn)階段我國(guó)大多數(shù)地區(qū)對(duì)農(nóng)藥的使用存在以下認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)：1.不重視農(nóng)藥使用技術(shù)的研究;2.農(nóng)藥使用者缺乏安全意識(shí);3.靶標(biāo)針對(duì)性差;4.普遍采用大容量噴霧技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)于復(fù)雜地形主要用于小型背負(fù)式噴霧器目前在我國(guó)占絕對(duì)地位。國(guó)產(chǎn)的小型人力噴霧器存在的主要問(wèn)題是，噴嘴型號(hào)不全，機(jī)器加工質(zhì)量不高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，消耗極大的勞動(dòng)力，并存在一定的危險(xiǎn)性。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)全地形小車運(yùn)行要求和功能需要采用STM32單片機(jī)控制。STM32單片機(jī)具有非常高的內(nèi)部集成度，體積小的特點(diǎn)，同時(shí)單片機(jī)具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定豐富的控制功能，目前市面上STM32單片機(jī)用于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品，可以通過(guò)外部引腳進(jìn)行功能拓展功能、性價(jià)比極高?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

1.1單片機(jī)選型

本設(shè)計(jì)選用STM32F103RCT6芯片作為控制處理器，STM32F103RCT6單片機(jī)擁有72MHz運(yùn)行頻率，工作速度快，效率高;片內(nèi)具有256KB FLASH，片上集成12Bit A/D、D/A、PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等資源，具有支持定時(shí)器、ADC，DAC，SPI，IIC和UART的12通道的DMA控制器，控制芯片的系列不同，擁有不同數(shù)量的輸入輸出端口，使用者可以根據(jù)自己的需求來(lái)自行配置IO的輸入輸出模式。STM32可以支持外接3.3V電源供電，或USB供電。

1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證單片機(jī)可以正常工作，需要在其周圍構(gòu)建硬件電路，由STM32F103RCT6芯片、復(fù)位電路和晶振電路組成。在單片機(jī)7引腳NRST上接一個(gè)104 的電容和復(fù)位開(kāi)關(guān)到地，便可構(gòu)成上電復(fù)位的電路。單片機(jī)5引腳、6引腳為晶振電路的接口。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路見(jiàn)圖2。

1.3 3.3V穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)正常工作需要用穩(wěn)定3.3V的電源給單片機(jī)提供工作電壓，首選AMS1117-3.3芯片為STM32單片機(jī)供電。由于主控芯片較為脆弱，AMS1117-3.3芯片內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)電路。AMS1117-3.3穩(wěn)壓電路見(jiàn)圖3。為了減少輸入電壓波紋振蕩，C28、C29在電路中起到電源輸入濾波的作用，C26、C27在電路中起到輸出濾波的作用，為了保證該電路的穩(wěn)定性。

1.4 電機(jī)調(diào)速電路

對(duì)于電機(jī)的調(diào)速，我們采用程序編寫(xiě)進(jìn)行PWM調(diào)速的方法。

PWM調(diào)速的原理是通過(guò)控制在一個(gè)周期內(nèi)輸出高電平的時(shí)間大小，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。通過(guò)改變輸出占空比，改變裝置的運(yùn)行速度。

裝置底盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共用了4個(gè)電機(jī)，為控制電機(jī)達(dá)到合適的運(yùn)行速度，設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的型號(hào)為L(zhǎng)298N。L298N是一個(gè)全雙橋式的驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包括兩個(gè)H橋和4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以接收來(lái)自單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)。

對(duì)于電機(jī)的調(diào)速，這里采用PWM調(diào)速的方法。在硬件電路的連接上，將NPUT1、INOUT2、INPUT3、INOUT4分別接在單片機(jī)的I/O口上，通過(guò)控制I/O口輸出高低電平的變化改變裝置運(yùn)行方向，通過(guò)改變輸出占空比，改變裝置的運(yùn)行速度。L298N橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路配合PWM，很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，且調(diào)速范圍廣，所以在這里采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片完全滿足工作要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖見(jiàn)圖4。

2.技術(shù)路線及可行性分析

全地形底盤(pán)設(shè)計(jì)采用多結(jié)構(gòu)履帶設(shè)計(jì)，底盤(pán)履帶配合大功率直流減速電機(jī)便于裝置的行進(jìn)，保證在各類地形正常工作;多角度農(nóng)藥噴灑裝置：具有一定壓力的工作介質(zhì)水，通過(guò)噴嘴向吸入室高速噴出，通過(guò)水泵和噴頭的配合高速流出。環(huán)境檢測(cè)功能：通過(guò)傳感器對(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)，例如：溫度、風(fēng)速、空氣濕度等等;采用串口智能電容屏，實(shí)時(shí)顯示裝置內(nèi)藥量情況;太陽(yáng)能供電系統(tǒng)：采用太陽(yáng)能供電和蓄電池供電的多種方式，避免裝置正常工作時(shí)發(fā)生電量等問(wèn)題。采用基于無(wú)線傳輸?shù)娜蕯z像頭，可360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)具有發(fā)聲功能。

2.1底盤(pán)驅(qū)動(dòng)選型

針對(duì)機(jī)器人需要環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)，為此考慮了三種底盤(pán)驅(qū)動(dòng)方案，并對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

（1）輪式底盤(pán)驅(qū)動(dòng)雖然在行走速度方面有優(yōu)勢(shì)，但是不適用于越障環(huán)境下的小型機(jī)器人;（2）全向輪底盤(pán)驅(qū)動(dòng)雖然在橫向移動(dòng)和轉(zhuǎn)向方面表現(xiàn)出色，但是無(wú)法搭載過(guò)多的消防救援設(shè)備，同時(shí)也無(wú)法面對(duì)樓梯等特殊地形。（3）在各種路面都有較好的運(yùn)動(dòng)能力在綜合比較，履帶式具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，適用環(huán)境能力強(qiáng)，越障性能好，所以履帶式機(jī)構(gòu)在消防機(jī)器人上選擇優(yōu)于其他幾種結(jié)構(gòu)。

根據(jù)三種方案的特點(diǎn)，考慮裝置的工作環(huán)境和要求，采用履帶式底盤(pán)驅(qū)動(dòng)更優(yōu)，且完全滿足工作需要，底盤(pán)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

2.2檢測(cè)方案

采用遙控器遙控方式。無(wú)線遙控結(jié)合攝像頭的實(shí)時(shí)圖像傳輸，這種方式操作簡(jiǎn)單，對(duì)農(nóng)藥噴灑環(huán)境能夠做到較全面的了解，不需要程序控制，穩(wěn)定性較高。

2.3太陽(yáng)能自動(dòng)追光系統(tǒng)測(cè)試

在考慮單一方向一塊太陽(yáng)能綜合利用率較低的情況下，采用了多塊太陽(yáng)能板結(jié)合鋰電池一起為整個(gè)系統(tǒng)供電。通過(guò)四個(gè)光敏電阻來(lái)配合實(shí)現(xiàn)最終的角度計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)最大程度的利用太陽(yáng)光能。

3.結(jié)論

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，目前多采用無(wú)人機(jī)噴灑，但利用旋翼無(wú)人機(jī)噴灑農(nóng)藥具有作業(yè)精度高、操作系數(shù)高、存在安全隱患等問(wèn)題。本次設(shè)計(jì)針對(duì)農(nóng)藥噴灑效率問(wèn)題，提出了新的解決方案，結(jié)合各種復(fù)雜的地形情況，設(shè)計(jì)了全地形農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，改進(jìn)了山區(qū)、林園的農(nóng)藥噴灑過(guò)程，降低成本，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和遙控兩種工作模式，減少人力，節(jié)約資源。

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作者簡(jiǎn)介：

李杰（1998-），男山東濟(jì)南人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

曾實(shí)現(xiàn)（1979-），男，山東省嘉祥人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。

李新瑞（1996-）山東棗莊人，學(xué)士，研究方向：財(cái)務(wù)管理。

李亮亮（1998-），男，山東省日照市人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

賈昊林（1998-2020），男，山東省煙臺(tái)人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

劉以強(qiáng) 1998.3.18，男，山東省聊城人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

基金項(xiàng)目：

該項(xiàng)目由國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《多功能鐵屑回收車》（S202013320025）支持

（作者單位：青島黃海學(xué)院）