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工装设计
盖晓慧1 邢 进*1 曹建猛1 付 琳1 赵华文2
（1.滨州学院 机电工程学院，山东 滨州 256600；2.滨州市公路事业发展中心，山东 滨州 256600）
摘 要：基于STM32单片机的树木喷刷石灰机主要由步进电机、舵机、丝杠、水泵、电源、机器臂、电池板等结构构成，主要通过舵机控制喷刷的张合和机械臂的旋转，由步进电机控制丝杠正反转，从而控制喷刷上下移动实现刷树功能。动力可由电机提供，也可由太阳能板转换，操作简单，充分利用可再生资源，实现可持续发展。关键词：石灰；机器臂；STM32单片机；树木喷刷；太阳能 引言
目前最流行的刷树技术就是人工粉刷或人工喷刷，这样不但粉刷速度慢，而且需要大量劳动力，有很多石灰水喷溅到外部，浪费大量原料[1]。机器喷刷树木并没有很好的普及。学校、城市等大部分地方的树木都需要对树木进行粉刷，树木的数量非常多。据调查这些树木都是人工粉刷或喷刷的[2]。粉刷虽然涂
抹均匀，但速度太慢，喷刷虽然速度较快，但石灰大量浪费，并对周围环境形成污染。该装置只需一人操控，操作简单，粉刷速度快。舵机控制毛刷张合，机器臂带动毛刷的旋转，上下喷刷全都实现自动化[3]。另一优点是喷头部位由喷孔和毛刷交替制作，这样既避免了石灰水喷溅，又使石灰水得到充分利用，实现绿更环保。
1 树木喷刷石灰机整体方案设计
树木喷刷石灰机的整体结构图如图1所示。工作过程如下：当操作者使用石灰机时，可根据具体工作情况控制机器臂的张开闭合程度。然后控制丝杠传动，毛刷首先自上而下工作，然后机器臂控制毛刷旋转一定角度，再由下面刷到上面，使第一次没刷到的地方进行第二次喷刷[4]
。喷刷的内部是水管和毛刷交替制成；既喷刷的均匀又充分利用了资源，而且减少了环境的污染[5]
。
1机械臂 2毛刷 3舵机 4丝杠 5太阳能电池板
图1 树木喷刷石灰机的整体结构图
2 喷刷石灰装置结构
考虑到实际应用等方面，整体框架需要小巧灵活，方便移动，因此采用40mm ×40mm 方形钢管焊接而成，保证系统的稳定。喷刷内部是由毛刷和水管交替做成，这样避免了石灰水的溅出，资源利用更充分，减少了污染[6]。喷刷石灰装置具体结构如图2所示。
1毛刷 2水管
图2 喷刷石灰装置结构图
2.1水桶水位测定结构
在该装置开有进水口和进石灰口，由于水桶在机器内部无法观测到水位的变化，需要设计一个测定水位的结构，当水位快要满的时候，机器报警。
2.2喷刷的张合、旋转及上下移动机构
图3为喷刷的张合、旋转及上下移动机构图。喷刷内部是由两层水管和三层毛刷叠加形成，这样使石灰水喷到树和毛刷上，由于外层有毛刷的阻挡，所以石灰水不会过多的喷溅到外面。从一个喷刷的根部安有一个舵机，能控制喷刷的张合；把喷刷固定到机器臂
[7]
上，再把机器臂固定到丝杠上，这样既能控制喷刷的上下移动又
能控制喷刷的旋转
。
1喷刷舵机 2机械臂舵机 3丝杠
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《装备维修技术》2021年第17期
图3 喷刷的张合、旋转及上下移动机构图
2.3光能转化机构
太阳能电池板通过51单片机与光敏电阻配合，根据太阳的位置不同，利用舵机调节太阳能电池板的角度，可以实最大限度的光能转化。
3 石灰喷刷系统各部件选型
树木喷刷石灰机控制系统以STM32单片机为主控芯片，通过继电器控制步进电机的运动；其他辅助部件包括电能数据采集模块、电能数据处理模块、矩阵键盘等。通过按键控制整个系统的工作，方便快捷、简单易操作。步进电机控制电路如图4所示
。
图4 步进电机控制电路图
3.1 STM32单片机
本系统采用的是由意法半导体公司推出的基于ARMCortex-M3内核的STM32F103RBT6增强型32位处理器。其工作频率为72 MHz ，内置高速存储器（高达128 K 字节的闪存和20 K 字节的SRAM ），丰富的增强型I/O 端口和联接到2条APB 总线的外设。包含2个12位的A/D 、3个通用16位定时器和1个PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个IIC 接口和SPI 接口、3个USART 接口、一个USB 接口和一个CAN 接口。STM32较市场上同种类的单片机具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等优势
。
图5 STM32单片机
3.2 电能数据采集模块
对于前端电压电流的采集选用高精度的电压电流互感器。其体积小、精度高、全封闭、机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，安全可靠且工作频率范围在20 Hz ～20 kHz 。运用互感器将大电压电流信号转换成小信号，再通过分压将其转换成STM32的A/D 输入通道的合理电压。
3.3 电能数据处理模块
电能数据处理主要分为2个模块，即谐波采集、分析模块和ATT7022B 高精度三相电能专用计量芯片模块。是通过STM32处理器内置的A/D 转换器对采集的信号运用FFT 算法进行谐波处理和分析。该模数转换器是12位的逐次逼近型的，多达18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。A/D 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。其模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户的高/低阀值该设计是运用STM32内置A/D 的同步规则模式将所测得的数据通过DMA 传输，以节省CPU 资源。
4 功能
基于STM32单片机控制的树木喷刷石灰机采用高性能蓄电池供电，利用舵机精确定位，通过智能控制模块将设备工作状态预先编程，通过按键控制，实现树木粉刷的均匀度，利用毛刷与管道结合的方式，降低石灰水的浪费，人机交互良好。
5 结论
基于STM32单片机控制的树木喷刷石灰机应用机电一体化技术，突破传统刷树的模式，实现电气控制部分智能控制机械结构，完成刷树的自动化、批量化。本系统操作简单，灵活性强，节能环保，大幅度提高了刷树效率，适合性强。同时，最大化保证石灰粉刷的完整度，解决传统机器涂刷不均匀、石灰水浪费严重等问题。
参考文献：
[1] 曹山山，黄凌玉，杨秀辉，何祥丁.新型防寒防虫刷树工具的设计[J].理论前沿报.2015，（04）：380.
[2] 郭警伟.国内外研究现状及分析[J].机械设计及理论.2011，（02）：2-10.
[3] 鞠红香.机械设计制造及其自动化发展方向分析[J].装备制造技术.2015，（05：261-272.
[4] 周长江，唐进元，钟志华.齿轮传动的线外啮合与冲击摩擦[J].机械工程学报，2008， （03）：75-81.
[5] 何政强.园林果树绿环保防虫措施[J].现代园艺.2015，（1）：84.
[6] 张学飞，李健. 基于PLC 的内壁自动喷涂机控制系统设计[J].江苏工业学院学报.2009，21（1）：50-52.
[7] 邱会强， 金慧， 章艳等. 深海水下作业型机械手仿形手柄控制技术研究[J].浙江大学.2005，22（6）：40-43.
作者简介：
盖晓慧（2000-），男，山东烟台，滨州学院机电工程学院车辆工程专业本科生。
通讯作者：邢进（1980-），民族：汉，籍贯：山东菏泽，单位：滨州学院机电工程学院
基金项目：“山东省大学生创新创业训练计划项目”：基于STM32单片机的树木喷刷石灰机 项目编号：S201910449021
