基于STM32的多功能辣椒苗移栽機(jī)設(shè)計

摘 要：【目的】為解決傳統(tǒng)移栽機(jī)功能性單一，靈活性和可操作性低的問題，提出一種基于STM32的多功能辣椒苗移栽機(jī)設(shè)計。【方法】首先，為完成多批次幼苗移栽，設(shè)計鴨嘴式X橫向可調(diào)間距移動機(jī)構(gòu);其次，為實(shí)現(xiàn)多地形工作切換，設(shè)計基于STM32主控芯片的集成遠(yuǎn)程多功能操控系統(tǒng);最后，基于有限元法對移栽機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析?！窘Y(jié)果】基于上述方案，成功制造出了實(shí)物樣機(jī)并進(jìn)行測試。結(jié)果表明，該多功能辣椒苗移栽機(jī)滿足機(jī)械強(qiáng)度要求，并且完成一株辣椒幼苗的移栽需要17.64 s。【結(jié)論】該多功能辣椒苗移栽機(jī)的集成度較高，提高了辣椒苗種植的機(jī)械化水平。

關(guān)鍵詞：吊籃式移栽結(jié)構(gòu)；多功能移栽機(jī)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；興農(nóng)產(chǎn)業(yè)

中圖分類號：TH6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）19-0020-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.19.004

Design of Multi-functional Pepper Seedling Transplanting Machine Based on STM32

CHEN Jingming1 XIAO Jinyong1 LI Junlin1 TIAN Yuyang1 WU Jing1 GONG Qingshan1 XIN xin2

（1.Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002，China;2.Dongfeng Huashen Automobile Co.， Ltd.， Shiyan 442002，China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems of single functionality， low flexibility and operability of traditional transplanting machine， a design of multi-functional pepper seedling transplanting machine based on STM32 is proposed. [Methods] Firstly， the duckbill X transverse adjustable spacing mobile mechanism is designed to complete multiple batches of seedling transplanting operations; secondly， in order to realize the switching of multi-terrain work， an integrated remote multi-functional control system based on STM32 main control chip is designed; finally， the finite element method is used to analyze the strength of key parts of the multifunctional pepper seedling. [Findings] Based on the above scheme， a physical prototype was successfully manufactured and tested. The results show that the multifunctional transplanting machine meets the mechanical strength requirements， and it takes only 17.64s to transplant a pepper seedling. [Conclusions] This multi-functional pepper seedling transplanting machine has a high degree of integration， and improves the mechanical automation level of pepper seedling planting.

Keywords：basket style transplanting structure; multi functional transplanting machine; agricultural machinery; developing agricalture industry

0 引言

隨著科技的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備也正在向自動化、智能化的方向發(fā)展。幼苗移栽是辣椒作物生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，設(shè)計一種能夠?qū)苯酚酌邕M(jìn)行移栽作業(yè)的裝置，無論是對生產(chǎn)成本的控制，還是對作物質(zhì)量的提升，以及是對農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的發(fā)展，都具有十分重要的意義［1-3］。目前，農(nóng)業(yè)移栽裝置的設(shè)計逐漸成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。韓阿麗等［4］設(shè)計了吊籃式結(jié)構(gòu)移栽裝置，滿足一次性煙草幼苗移栽過程；呂志軍等［5］提出并設(shè)計了一種電動履帶自走式煙苗移栽機(jī)，在滿足遠(yuǎn)程操控的同時符合煙苗的農(nóng)藝要求；劉克福等［6］提出了一種基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與凸輪耦合的麥冬移栽機(jī)，通過機(jī)構(gòu)的夾取動作實(shí)現(xiàn)了麥冬移栽的自動化取苗；趙勻等［7］設(shè)計了一種探入式非圓齒輪行星系移栽機(jī)構(gòu)，通過虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真得到的理論軌跡，對比物理樣機(jī)經(jīng)過高速攝影試驗(yàn)得到的實(shí)際軌跡，最終驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的正確性，提高了番茄苗的取苗成功率和移栽質(zhì)量。綜上所述，大部分學(xué)者對農(nóng)作物移栽裝置的研究還主要集中在移動方式的便利性和裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化上，而對于移栽裝置的控制和移栽作物的實(shí)時監(jiān)控方面的研究較少。

因此，為了解決目前移栽裝置功能單一、無法遠(yuǎn)程進(jìn)行操控、作業(yè)狀況難以實(shí)時監(jiān)控等問題，本研究設(shè)計了一種可實(shí)時監(jiān)控辣椒苗作業(yè)狀況的移栽裝置，基于STM32主控芯片開發(fā)了語音控制、溫濕度測量等遠(yuǎn)程操控軟件，基于有限元模塊分析了裝置關(guān)鍵零件的應(yīng)力，并通過田間性能測試，為移栽裝置的實(shí)用性提供了依據(jù)。

1 裝置方案設(shè)計及工作原理

多功能辣椒苗移栽裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。移栽裝置整體采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為六個部件，分別為焊接機(jī)架、四工位移栽機(jī)構(gòu)、行距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、覆土機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)、澆水機(jī)構(gòu)。在移栽幼苗的過程中，首先，將幼苗放入投苗機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)驅(qū)動，使投苗撥盤旋轉(zhuǎn)一周，將幼苗送入鴨嘴式移栽器；其次，通過調(diào)整絲杠來改變投苗撥盤的間距，同時調(diào)節(jié)下方的移栽機(jī)構(gòu)間距，以適應(yīng)不同間距的栽苗需求；再次，凸輪旋轉(zhuǎn)使鴨嘴入土器進(jìn)入土壤，末端打開，實(shí)現(xiàn)幼苗入土；最后，覆土機(jī)構(gòu)和澆水機(jī)構(gòu)依次工作，完成覆土和澆水，從而完成辣椒苗的移栽。

2 移栽裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 四工位移栽機(jī)構(gòu)

四工位移栽機(jī)構(gòu)為多功能移栽機(jī)的關(guān)鍵部位［8］，其三維模型示意如圖2所示，其由鴨嘴口入土器、接苗口、偏心盤、推桿機(jī)構(gòu)、連桿等構(gòu)成。

移栽機(jī)構(gòu)中的鴨嘴式入土器通過推桿機(jī)構(gòu)和扭簧來實(shí)現(xiàn)開合動作。推桿機(jī)構(gòu)設(shè)計為X、Y軸對稱，確保動作的均衡性。整個運(yùn)動過程分為兩個階段：擠壓和收縮。在擠壓階段，推桿機(jī)構(gòu)會推動鴨嘴打開，而收縮階段則會使鴨嘴閉合。這兩個階段的運(yùn)動是等速且柔性的，避免了速度突變點(diǎn)，保證了移栽過程的平穩(wěn)性。

推桿機(jī)構(gòu)工作流程為電機(jī)驅(qū)動移栽機(jī)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動偏心盤轉(zhuǎn)動。當(dāng)偏心盤旋轉(zhuǎn)至特定角度時，凸輪頂開鴨嘴，鴨嘴隨之插入土中。在鴨嘴打開的瞬間，幼苗或種子被種入土壤。移栽完成后，由于扭簧的作用，鴨嘴會在一段時間后自動閉合［9］，完成整個移栽過程。推桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示。

2.2 行距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為了適應(yīng)不同間距的辣椒幼苗移栽，設(shè)計了一種行距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，與四工位移栽機(jī)構(gòu)協(xié)同工作。該機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)軌、絲杠、投苗口、投苗盤和滑塊等部件，該機(jī)構(gòu)的三維模型如圖4所示。通過絲杠和滑塊的配合，可以調(diào)整各投苗機(jī)構(gòu)之間的距離，確保投苗口與接苗口在同一平面上，以適應(yīng)不同作物的種植需求。

在投苗盤轉(zhuǎn)動周期固定的情況下，確定了六個投苗口為最優(yōu)配置，相應(yīng)地，四工位移栽機(jī)構(gòu)的鴨嘴數(shù)量也設(shè)置為六個一組［10］?？紤]到移栽環(huán)境的潮濕性，投苗口采用熱塑性聚乳酸（PLA）材質(zhì)設(shè)計，以提高耐用性。

根據(jù)模型圖紙，對移栽機(jī)的各個零部件進(jìn)行精確加工。其中的特殊部件，例如四工位移栽機(jī)構(gòu)和行距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)會被特別定制，以滿足特定的功能需求。當(dāng)所有零部件加工完成并檢驗(yàn)合格后，便開始樣機(jī)的裝配工作。在裝配過程中，需要確保每個部件的安裝精度和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最終，經(jīng)過裝配后的多功能移栽實(shí)物樣機(jī)如圖5所示。經(jīng)過一系列的測試和優(yōu)化后，樣機(jī)的性能得到了驗(yàn)證和確認(rèn)，滿足設(shè)計要求。

3 關(guān)鍵零件有限元分析

移栽機(jī)構(gòu)的核心部件包括入土器、棘輪和推桿機(jī)構(gòu)。由于入土器經(jīng)常與泥土直接接觸，而推桿機(jī)構(gòu)和棘輪則因鴨嘴入土器的頻繁開合動作容易受到磨損。為了確保這些關(guān)鍵部件的強(qiáng)度和可靠性，需要采用有限元分析方法對其進(jìn)行詳細(xì)評估。這三個主要部件的材料均使用PLA材料，材料的屬性見表1。

通過建立有限元模型及仿真，根據(jù)實(shí)物加載情況，輸入500 N的力和力矩的載荷條件，求解得到入土器、棘輪、推桿機(jī)構(gòu)三個關(guān)鍵零件的變形仿真結(jié)果如圖6所示。有限元仿真結(jié)果見表2。

對有限元結(jié)果進(jìn)行分析，三個關(guān)鍵零件最大應(yīng)變遠(yuǎn)小于PLA材料屈服點(diǎn)應(yīng)變值0.04 mm/min［11］，則該零件的強(qiáng)度可靠。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制功能集成方案

在設(shè)計辣椒苗移栽機(jī)的控制系統(tǒng)時，選擇合適的單片機(jī)對確保系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性非常關(guān)鍵?？紤]到系統(tǒng)的功能需求和復(fù)雜性，選擇STM32F407ZGT6作為主控芯片［12］?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計采用模塊化方法，每個模塊負(fù)責(zé)特定的功能，通過這些模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)的多功能性［13-14］。具體的模塊功能設(shè)計如圖7所示。

4.2 語音控制模塊設(shè)計

在辣椒苗移栽機(jī)的設(shè)計中，采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，通過串口向STM32單片機(jī)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制。此外，該設(shè)計還集成了天問BlockLU-ASR01模塊，支持語音識別，允許用戶通過語音命令來操作設(shè)備。LU-ASR01模塊與天問Block圖形化編程軟件配合使用，使得編程變得簡單直觀，支持自定義語音命令，可以控制多種電子設(shè)備。這種結(jié)合藍(lán)牙和語音識別的通信方式，提升了系統(tǒng)的交互性和用戶友好度。

4.3 溫濕度測量模塊設(shè)計

DHT11是一款成本低廉、接口簡單、協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)的溫濕度測量模塊，其內(nèi)置了單片機(jī)來完成溫度和濕度的測量與校準(zhǔn)，主要通過測量周圍環(huán)境的濕度和溫度來工作?？紤]到本研究設(shè)計的辣椒苗移栽機(jī)對溫濕度監(jiān)測的需求，故選擇了DHT11作為測量工具，測量的具體流程如圖8所示。通信過程中，DHT11會先發(fā)送一個低電平信號，主機(jī)收到信號后拉高數(shù)據(jù)線，等待DHT11響應(yīng)。

4.4 電機(jī)控制模塊設(shè)計

對于該移栽機(jī)的電機(jī)控制模塊，選擇了BTN7971作為控制電機(jī)的驅(qū)動芯片。該芯片專為高效驅(qū)動電機(jī)而設(shè)計，有助于減少能量損耗，提升系統(tǒng)效率。同時，其還具備過流、過熱和短路等保護(hù)功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

在本研究設(shè)計的辣椒苗移栽機(jī)中，三個電機(jī)都連接到BTN7971驅(qū)動器上，由STM32的兩個GPIO端口控制。其中一個GPIO端口輸出50 Hz的PWM信號，通過調(diào)整占空比來控制電機(jī)的速度；另一個GPIO端口則通過上拉或下拉控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，利用AI模型匹配算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了對障礙物的動態(tài)或手動識別。這種方法可以調(diào)整識別邏輯，從而檢測并避開堅(jiān)硬物體，保護(hù)辣椒苗免受損傷。

5 實(shí)物測試

在對多功能辣椒移栽機(jī)進(jìn)行實(shí)物測試時，將辣椒幼苗放入裝置的投苗口，通過遠(yuǎn)程語音命令發(fā)出移栽指令。電機(jī)隨即啟動，帶動投苗撥盤將幼苗送入鴨嘴式入土器。當(dāng)幼苗觸碰到入土器內(nèi)的限位開關(guān)，移栽機(jī)構(gòu)的偏心盤和凸輪開始運(yùn)轉(zhuǎn)，精確地將入土器移動到目標(biāo)位置。入土器進(jìn)入泥土后，前端開口自動打開，將幼苗投遞到土中。隨后，裝置前進(jìn)，鴨嘴式入土器上升，覆土和澆水機(jī)構(gòu)進(jìn)行覆土和澆水操作，完成整個移栽過程。為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，整個實(shí)驗(yàn)重復(fù)了8次，并取平均值。移栽幼苗實(shí)物測試過程如圖9所示。

通過分析，設(shè)計出的整體移栽裝置的實(shí)物尺寸為1.2 m×0.8 m×1 m。對實(shí)物進(jìn)行移栽幼苗測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，完成1顆株辣椒幼苗的移栽流程平均需要時間17.64 s。在運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)異常，總體達(dá)到預(yù)期效果，滿足移栽幼苗作業(yè)要求。

6 結(jié)語

本研究成功開發(fā)了一種新型多功能辣椒苗移栽機(jī)，有效克服了傳統(tǒng)移栽機(jī)在功能和效率上的局限性。該裝置通過凸輪擠壓和扭簧收縮機(jī)制精確控制鴨嘴開合，輔以溫濕度監(jiān)測，確保了移栽位置的適宜性。其可調(diào)節(jié)的投苗口和接苗口間距，提升了空間利用率和作業(yè)靈活性，顯著提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價值。

盡管該設(shè)計取得了一些成果，但在極端環(huán)境中的適應(yīng)性和組件耐久性方面仍有改進(jìn)空間。未來，可以聚焦于優(yōu)化設(shè)計參數(shù)以提高環(huán)境適應(yīng)性，開發(fā)新型材料以增強(qiáng)耐久性，并進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用測試以驗(yàn)證設(shè)計的普適性和可靠性。這些改進(jìn)將進(jìn)一步推動農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展。

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