基于高效农业智能反光膜铺膜机的设计

烟台黄金职业学院 王晶晶 王裕欣

近年来，在果树种植过程中，为了给果实的背光面充足的阳光照射和着色，需要在地面铺设反光膜，用于反射阳光，使阳光反射到背阴面。由于果树间距较小，无法采用大中型自动农机具铺设反光膜，目前都是采用人工弯腰铺设，劳动强度较大，铺设效率较低。反光膜铺膜机的设计就是应用在每年十月摘袋以后让果实全面着色、增加水果糖分的自动铺设果树反光膜的设备。它通过履带式底盘移动和爬坡，较低的车身可以迅速通过被果实压低的树枝茂盛的地方。通过摄像头连接手机APP，观察到果园的复杂地形并及时避障。割草机可以在履带式底盘移动过程中，实现割草的功能，防止杂草对移动造成影响，并且防止杂草戳破果树反光膜。铺膜器可调节宽度，适应0.7～1.2m宽度的反光膜。

反光膜铺膜机是为了解决人力手拉的铺膜器存在的多人操作、时间过长、撞掉果实、不能适应果园复杂地形、效率过低等问题。

1 工作原理

履带车轮底盘的工作原理：左右履带包裹车轮，通过连接直流减速电机带动车轮转动，电机驱动模块连接直流减速电机与单片机控制板，实现控制车轮转速。

摄像头的工作原理：通过WIFI信号串口远程控制模块实现利用手机APP对单片机的数据信号传输操作。

舵机控制云台的工作原理：通过PS2手柄传递信号给单片机控制板，控制舵机云台转向，实现摄像头观察不同方向的位置。

小型割草机的原理与使用：通过连接单片机控制板，带动电机正转，实现刀片的旋转，去除杂草，辅助小车移动。铺膜器的原理与使用：履带车轮底盘通过连接板与铺膜器支架相连，两侧放膜臂通过螺栓固定和调节宽度，滚动万向轮辅助移动，滚轴用来固定反光膜的卷筒，通过履带车轮底盘移动滚轴带动卷筒转动实现反光膜滚出。

单片机的原理与使用：单片机作为整个系统的控制核心，决定着机器运转的稳定性和机器工作的效率，因此采用合适的单片机作为此系统的控制器是非常有必要也是非常关键的。

2 主要模块及电气特性设计

2.1 电源供电模块

（1）供电接口：供电范围 6.5～12V。

（2）舵机电压调节：舵机接口电压范围可调节，默认6V，通过电位器可调节不同电压值以适应市场上不同品牌舵机的电压需求（顺时针旋转电位器增大舵机接口电压，反之减少电压）。

（3）控制板开关：控制的是供电接口电源是否接到板子上，拨到ON接到板子使其工作，拨到OFF则切断供电，板子舵机停止工作。

（4）过载保护：是指流经舵机接口的电源中加了2A保险丝，以确保舵机在堵转或者大电流情况下及时切断电源，以防止损坏舵机（舵机特殊，没有接）。

（5）其他电源：板载5.0V、3.3V电源接口，方便接传感器等其他模块时使用。

2.2 电机驱动模块

图1

说明：电源1和2只需要一组供电即可。

2.3 Wi-Fi摄像头模块

图2

热点模块：模块上电完成后,会发出APP热点信号，当APP热点出现，将手机连接该模块热点就可以用手机APP控制了。

（1）手机连接应使用2.4GWi-Fi；

（2）供电电流需要5V@1.5A或12V@1A以上的供电能力；

（3）检查模块是否成功连接手机的APP。

视频界面说明：

图3

自动：切换分辨率，默认为本地是720P，远程是Auto自动切换。

声音：手机声音播放和静音。

拍照：手机本地拍照。

视频：手机本地录像。

语音：手机语音对讲。

2.4 割草机模块

图4 R300C微型直流电机

R300C微型直流电机连接固定在履带车的前端连接板上，通过STM32单片机控制板连接电机，由1.5～6V电压供电，最高转速可达到7000转/分钟，割草机刀片长70mm、宽8mm。

2.5 电气特性

（1）供电接口：供电范围6.5～12V。

（2）舵机电压调节：舵机接口电压范围可调节，默认6V，通过电位器可调节不同电压值以适应市场上不同品牌舵机的电压需求（顺时针旋转电位器增大舵机接口电压，反之减少电压）。

（3）控制板开关：控制的是供电接口电源是否接到板子上，拨到ON接到板子使其工作，拨到OFF则切断供电，板子舵机停止工作。

（4）过载保护：是指流经舵机接口的电源中加了2A保险丝，以确保舵机在堵转或者大电流情况下及时切断电源，以防止损坏舵机。

（5）其他电源：板载5.0V、3.3V电源接口，方便接传感器等其他模块时使用。

2.6 接口资源（节）

（1）6路舵机接口：舵机接口标有“-”一排的插针是舵机电源的负极，标有“+”一排的插针是舵机电压的正极，最里面标有引脚序号的一排是信号引脚。

（2）IIC接口：接IIC设备，比如IIC通信的OLED显示屏、IIC通信的MPU6050等模块。

（3）手柄接口：专门接PS2手柄接收器。

（4）3路传感器接口：两路模拟引脚，1路数字（模拟引脚也可以当数字引脚使用）。

（5）串口接口：蓝牙使用串口2，总线接口使用串口3，还预留一路串口1供外拓时使用（使用串口1时需要把小拨动开关拨到OFF侧，下载程序时拨到ON侧）。

（6）2路总线接口：用来转接总线设备，比如总线舵机，总线PM3等总线设备。

（7）蜂鸣器：用于低压报警，开机提示等情况下。

2.7 下载通信

（1）USB电脑通信：当下载程序或者和PC进行通信时要将USB切换开关拨到ON侧，拨到OFF是切断芯片供电。

（2）串口通信：外接单片机串口或者其他TTL设备与板子通信时，可使用串口4或者串口1进行通信。

3 调试

3.1 检查手机APP输入指令控制履带车的性能

手机APP输入指令控制履带车的调试，主要调试如下：

（1）打开配置对话框，输入履带车前进按下指令$DCR:1000,1000!抬起指令$DCR:0,0!，确认以后按下屏幕左上前进键，观看履带车操作效果。

（2）打开配置对话框，输入履带车前进按下指令$DCR:-1000,-1000!抬起指令$DCR:0,0!，确认以后按下屏幕左下前进键，观看履带车操作效果。

（3）打开配置对话框，输入履带车前进按下指令$DCR:-1000,1000!抬起指令$DCR:0,0!，确认以后按下屏幕左左前进键，观看履带车操作效果。

（4）打开配置对话框，输入履带车前进按下指令$DCR:1000,-1000!抬起指令$DCR:0,0!，确认以后按下屏幕左右前进键，观看履带车操作效果。

3.2 检查割草机性能

割草机的调试如下：

（1）先通电，观看割草机刀片转速。

（2）通过手机APP左右手杆分别控制履带车轮底盘左右履带前进，观看割草机刀片有无脱落或反转现象。

（3）草地中前进是否会有无法割草的现象。

4 结论

智能反光铺膜机的设计可以通过摄像头观察前方视野，舵机控制云台实现摄像头转向，观察不同方向的视野，可以及时避障，履带车轮底盘较低的车身可以通过果树较小的间距，割草机可以在移动过程实现割草，降低对履带车轮底盘移动的影响，通过铺膜器可以调节宽度，固定不同宽度的反光膜，滚轴可以让反光膜包裹的卷筒自如地滚出反光膜实现自动铺设，降低人工弯腰铺设的劳动强度，提高效率。