基于STM32微控制器的沙漠植树车设计与实现

作者：马良辰[1],崔传金[1],胡俊国[2](1.华北理工大学电气工程学院,河北唐山 063210;2.华北理工大学机械工程学院,河北唐山 063210)时间：2023-08-18来源：电子产品世界收藏

编者按：为了阻止土地荒漠化扩散，优化传统种植方式，减少人力付出，实现沙漠中植树自动化精准栽种。研发基于STM32微控制器的沙漠植树车。在使用STM32微控制器的同时，配合云端、esp8266无线传输模块，使其能够实现远程操作，在恶劣的沙漠环境下对树苗等杆状植物进行种植。能够实现打孔、植树、灌溉、掩埋等系列性操作，极大地提高植树的效率以及树苗的成活率。

中国拥有广阔的沙漠、戈壁以及荒漠化土地，三者合计面积为3.96×106 km²，占据国土面积的41.3%，同时人类对资源的开发活动，产生了许多的生态问题，加剧了土地荒漠化。现如今生态保护、绿色发展成为新的时代口号，《关于推动城乡建设绿色发展的意见》，更是促进了更多的人和企业参与到了环境保护型发展领域当中^[1]。在城乡绿色发展的同时，我们的目光也关注到了偏远的沙漠地区，在这些荒凉的大戈壁上，绿色发展更显得尤为重要。《关于加快推进生态文明建设的意见》鼓励着我们投身于生态文明建设的发展，对于荒漠而栽种绿色植被是抵御它最有效措施^[2]。但是，荒漠化地区植树成本高，成活率低，无法实现短时间大规模精准化种植，且国内现有植树车结构较为简单，操作复杂，环境适应能力差，针对以上问题我们设计了一款应用于土地荒漠化，使用方便、高效率的沙漠植树车。

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/202308/449725.htm

1 概述

对于当前荒漠地区植树难，耗费大，无法精准种植等问题，本文所介绍的沙漠植树车使用STM32F103 微控制器作为主控，配合esp8266 无线模块将运动数据传输到上位机，远程控制直流电机、步进电机等实现植树车运动和植树工作。因此可以极大的减少人力投入，并能快速、准确的完成沙漠的植树工作。在保护环境的同时，积极的响应国家号召，保护生态环境，实现绿水青山就是金山银山的总体目标。

2 植树车系统设计与实现

2.1 机械结构设计

2.1.1 沙漠植树车整体结构

植树车借鉴越野车框架，能够实现在沙漠环境下的稳定行走，因此也保证了种植的精准度，实现树苗高种植率的目标。除此之外，植树车机械结构还集结了钻孔机构、送苗机构、灌溉机构、掩埋机构、运动驱动机构，保证植树机结构稳固，实现沙漠植树功能一体化，其主要结构见图1。

图1 沙漠植树机

2.1.2 空心钻头打孔机构

空心钻头设计成螺旋结构，钻头底部设计成锥形空心结构，如图2 所示。一方面便于给地面更大压强，加速打洞，另一方面便于高压水枪进行注水操作，两者同时工作出土效率更高打洞更快。空心钻头顶部具有齿轮结构，目的是与另一齿轮啮合，在电机的带动下，实现钻头旋转这一运动。

图2 打孔新型空心钻头

移动装置主要由丝杆电机组成，如图3 所示。左右两个电机的带动下，使空心钻头可以准确垂直的钻向沙土中，电机设计成左右两个，既加大了钻头向下的钻的力度，又实现了限位的功能。

图3 钻头移动装置

空心钻头的设计，使得植树机在钻孔过程中与注水结合为一体，树苗栽种的同时完成灌溉，减少表层水分的蒸发，提高了树苗的成活率。实现种植效率的最大化并且保证了更高的精确性、稳定性、安全性、环境适应性，进一步阻止了土地荒漠化的扩散。

2.1.3 送苗机构

该机构主要由树苗分苗器、分苗滚筒组成，如图4、图5。树苗分苗滚筒由步进电机控制，转筒表面为凹槽设计，保障杆状的植物可进入凹槽装置，之后滚筒旋转，当树苗被携带到与树苗暂存盘成60°时，树苗滑进至分苗器，完成分苗；之后分苗器在伺服电机的带动下，进行旋转倾斜，倾斜至75°时树苗滑进至空心钻头内部，掉落至空洞中，自此完成树苗分苗、正位等操作。

图4 分苗器

图5 分苗滚筒

2.1.4 覆土掩埋装置

掩埋装置主要由掩埋轮组成，如图6。装置位于植树车尾部，与打孔位置位于同一直线，当完成植树之一步骤之后，植树车前进，掩埋装置经过刚刚完成植树的工作区域就会对携带出来的沙土进行向中间的掩埋，不仅使得树苗更加牢固，更加的减少了水分的蒸发速率，大大提高了树苗的成活率。

图6 掩埋轮

2.1.5 机械结构优势

植树车采用全新机械结构，将传统治沙方法进行全面改进，以机器代替人力^[3]，实现沙漠中自动化种植, 在大幅度提高种植效率的同时，大幅度提高种植的精确度，保证树苗的成活率；另外，避免人直接暴露在沙漠中进行人工种植，减少人力付出，保证人员安全。

2.2 电控系统设计与实现

2.2.1 电控系统硬件

1）单片机模块设计

主控板以STM32F103 微控制器为核心，通过esp8266无线传输模块传输数据至云端^[4]，控制电机驱动模块从而达到控制植树车运动和工作如图7。

图7 植树车电控框架图

2）电机驱动模块设计

植树车使用了直流电机，步进电机，伺服电机等不同电机，所用配套的电机驱动模块L298N 驱动直流电机完成对植树车运动控制，如图8，L298N 作为单块集成电路，可直接控制高电压、高电流马达，不需要绝缘电路，可直接驱动双路直流马达，并且在单片I/0 输出下L298N 的控制端电平可以改变，实现了控制马达的工作方式。

图8 L298N原理图

ULN2003 驱动板，如图9所示。通过驱动板驱动步进电机，单片机控制脉冲数来控制步进电机的角位移量，通过控制脉冲频率来控制马达旋转数，实现植树车精准送苗功能。

图9 ULN2003 实物图

2.2.2 电控系统软件设计

本次使用的编程调试软件为Keil_5 和STM32CudeIDE，以STM32 微控制器，搭配L298N、ESP8266、ULN2003 模块实现植树车运动和植树功能控制。根据植树车所要实现的功能，大致分为3 个部分，植树车运动，植树功能的实现，esp8266 连接上端云平台控制STM32单片机的部分。工作流程见图10。

图10 软件设计工作流程图

首先进行准备工作：在植树车后部装有蓄水箱，对水箱进行注水，之后在树苗暂存箱进行树苗放置。启动esp8266 无线传输模块，使用STA+AP 模式接入到无线传输服务，实现与云端的互联，通过云和esp8266 与STM32 微控制器发送植树车运动或植树命令^[5-6]。

准备工作完成之后进行植树工作：首先通过两个丝杆电机带动空心钻头向下移动进行钻孔，同时高压水枪在水泵的作用下进行工作，完成钻孔之后，树苗正位机构的滚筒在步进电机的带动下对树苗进行分苗操作，树苗掉入分苗器，分苗器在对应的伺服电机的带动下倾斜75°，使得树苗在重力作用下掉入钻出的孔洞中。在车轮底部直流电机的带动下，车轮进行定距移动，车尾部带有掩埋装置——掩埋轮，当车尾经过刚刚新植好的树苗位置时，即可对刚刚钻洞导致外漏的沙子和土壤进行掩埋操作，使得树苗更加稳固，减少水分丧失。完成一次种植之后，即可进行之后的循环种植。

2.3 整车调试

为测试沙漠植树车能否在沙漠地区工作，选择在沙质地进行实地测验，如图11。沙质地柔软，植树车速度过快，会扬起沙尘，使电机负载过大，损坏电机。为解决这一问题，使用PWM 算法，减少脉冲输出，降低速度，同时使植树车能够平稳运行^[7]。经最终测试，沙漠植树车可以在沙漠及荒漠地区前行，植树效率为1~2棵/min，满足预期效果。