全地形農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的設(shè)計

李杰 曾實現(xiàn) 李新瑞 李亮亮 賈昊林 劉以強

【摘?要】本設(shè)計為用于不同地形的農(nóng)藥噴灑。該裝置由履帶爬坡底盤、農(nóng)藥噴灑傳動系統(tǒng)、外部環(huán)境檢測系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、無線遙控控制系統(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，通過噴嘴向吸入室高速噴出，通過水泵和噴頭的配合高速流出。環(huán)境檢測功能：通過傳感器對外部環(huán)境的檢測，例如：溫度、風速、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時傳輸，底盤履帶配合大功率直流減速電機便于裝置的行進;采用串口智能電容屏，實時顯示裝置內(nèi)藥量情況。太陽能供電系統(tǒng)：采用太陽能供電和蓄電池供電的多種方式，避免裝置正常工作時發(fā)生電量等問題。

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

引言

每年我國都有100萬t農(nóng)藥制劑、1億t藥液噴灑農(nóng)田中，但我國在農(nóng)藥使用的技術(shù)理論和技術(shù)措施個研究嚴重不足。人們一直認為農(nóng)藥使用只是簡單的稱量、配制的藥物學問題，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，現(xiàn)階段我國大多數(shù)地區(qū)對農(nóng)藥的使用存在以下認識上的誤區(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;3.靶標針對性差;4.普遍采用大容量噴霧技術(shù)。目前國內(nèi)針對于復雜地形主要用于小型背負式噴霧器目前在我國占絕對地位。國產(chǎn)的小型人力噴霧器存在的主要問題是，噴嘴型號不全，機器加工質(zhì)量不高，費時費力，消耗極大的勞動力，并存在一定的危險性。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)全地形小車運行要求和功能需要采用STM32單片機控制。STM32單片機具有非常高的內(nèi)部集成度，體積小的特點，同時單片機具有較強的可靠性和穩(wěn)定豐富的控制功能，目前市面上STM32單片機用于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品，可以通過外部引腳進行功能拓展功能、性價比極高。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

1.1單片機選型

本設(shè)計選用STM32F103RCT6芯片作為控制處理器，STM32F103RCT6單片機擁有72MHz運行頻率，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單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

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

1.3 3.3V穩(wěn)壓電路設(shè)計

系統(tǒng)正常工作需要用穩(wěn)定3.3V的電源給單片機提供工作電壓，首選AMS1117-3.3芯片為STM32單片機供電。由于主控芯片較為脆弱，AMS1117-3.3芯片內(nèi)部集成過熱保護和限流保護電路。AMS1117-3.3穩(wěn)壓電路見圖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 電機調(diào)速電路

對于電機的調(diào)速，我們采用程序編寫進行PWM調(diào)速的方法。

PWM調(diào)速的原理是通過控制在一個周期內(nèi)輸出高電平的時間大小，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)動的速度。通過改變輸出占空比，改變裝置的運行速度。

裝置底盤驅(qū)動系統(tǒng)共用了4個電機，為控制電機達到合適的運行速度，設(shè)計電機驅(qū)動電路，電機驅(qū)動芯片的型號為L298N。L298N是一個全雙橋式的驅(qū)動芯片，內(nèi)部包括兩個H橋和4通道邏輯驅(qū)動電路，可以接收來自單片機的標準TTL邏輯電平信號。

對于電機的調(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分別接在單片機的I/O口上，通過控制I/O口輸出高低電平的變化改變裝置運行方向，通過改變輸出占空比，改變裝置的運行速度。L298N橋式電機驅(qū)動電路配合PWM，很容易實現(xiàn)電機調(diào)速，且調(diào)速范圍廣，所以在這里采用L298N驅(qū)動芯片完全滿足工作要求，電機驅(qū)動電路圖見圖4。

2.技術(shù)路線及可行性分析

全地形底盤設(shè)計采用多結(jié)構(gòu)履帶設(shè)計，底盤履帶配合大功率直流減速電機便于裝置的行進，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，通過噴嘴向吸入室高速噴出，通過水泵和噴頭的配合高速流出。環(huán)境檢測功能：通過傳感器對外部環(huán)境的檢測，例如：溫度、風速、空氣濕度等等;采用串口智能電容屏，實時顯示裝置內(nèi)藥量情況;太陽能供電系統(tǒng)：采用太陽能供電和蓄電池供電的多種方式，避免裝置正常工作時發(fā)生電量等問題。采用基于無線傳輸?shù)娜蕯z像頭，可360°旋轉(zhuǎn)，同時具有發(fā)聲功能。

2.1底盤驅(qū)動選型

針對機器人需要環(huán)境復雜的現(xiàn)場進行作業(yè)，為此考慮了三種底盤驅(qū)動方案，并對它們的優(yōu)缺點進行了比較。

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

根據(jù)三種方案的特點，考慮裝置的工作環(huán)境和要求，采用履帶式底盤驅(qū)動更優(yōu)，且完全滿足工作需要，底盤結(jié)構(gòu)見圖5。

2.2檢測方案

采用遙控器遙控方式。無線遙控結(jié)合攝像頭的實時圖像傳輸，這種方式操作簡單，對農(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太陽能自動追光系統(tǒng)測試

在考慮單一方向一塊太陽能綜合利用率較低的情況下，采用了多塊太陽能板結(jié)合鋰電池一起為整個系統(tǒng)供電。通過四個光敏電阻來配合實現(xiàn)最終的角度計算，從而實現(xiàn)最大程度的利用太陽光能。

3.結(jié)論

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

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作者簡介：

李杰（1998-），男山東濟南人，學士，研究方向：控制工程。

曾實現(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，學士，研究方向：財務(wù)管理。

李亮亮（1998-），男，山東省日照市人，學士，研究方向：控制工程。

賈昊林（1998-2020），男，山東省煙臺人，學士，研究方向：控制工程。

劉以強 1998.3.18，男，山東省聊城人，學士，研究方向：控制工程。

基金項目：

該項目由國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目《多功能鐵屑回收車》（S202013320025）支持

（作者單位：青島黃海學院）