基于STM32单片机的智能绿篱修剪机的设计

基于STM32单片机的智能绿篱修剪机的
设计
摘要：由于绿化养护设备的应用范围不断扩大，未来十年，国内绿化养护设备的市场容量有望达到400亿元。

然而，目前国内绿化养护设备的市场现状存在两大问题：功能单一和自动化程度低。

这些局限性阻碍了它的进一步推广和广泛应用。

绿篱种植面积的指数级增长，使绿篱的维护和修剪成为一项日益重要的任务。

然而这项任务的市场需求量大大增加了对于劳动力的需求，而路边修剪作业中频繁发生的交通事故对工人的安全构成了重大威胁。

本文在现有车载电动绿篱修剪机的基础上，提出了基于STM32微控制器的智能绿篱修剪机的总体设计方案。

该设计是对国内外绿篱修剪机的现状和发展趋势进行全面比较和分析后的结果。

其成本低廉，工作效率高，结构简单。

在设计了硬件方案与软件方案后，对整机系统进行了模拟仿真，子系统的优化设计等。

本文设计的智能绿篱修剪机相较于现有的车载式绿篱机，大幅优化了结构重量，降低了生产作业成本，提高了实际作业中的安全系数，这对提高产品的市场竞争力与性价比具有重要意义。

关键词：绿篱修剪机；STM32单片机；电子控制；远程控制
1引言
随着中国城市化进程的加快，人们对于环保化，生态化的道路绿化环境的需求不断提高。

这种需求导致了园林养护行业市场的扩大，也对园林企业的设计、技术水平和施工能力提出了更高的要求[1]。

绿篱种植面积的指数级增长，使绿篱的维护和修剪成为一项日益重要的任务，园林养护的市场需求量大大增加了对于劳动力的需求，而路边修剪作业中频繁发生的交通事故对工人的安全构成了重大威胁。

统计数据显示，路边事故在所有交通事故中占到了惊人的30%，凸显了解决这一问题的严重性和紧迫性。

园林企业面临着众多挑战，包括繁重的工作量、
安全问题、技术专长、季节性变化和环境因素，所有这些都必须仔细管理，以确保绿篱的健康和外观，同时维护工人的安全。

2绿篱修剪机国内外研究现状
（1）国外现状
国外绿篱机的历史跨越了几十年，从最初的手动大剪刀式发展到背负便携式绿篱机，最后发展到具有独立动力的机动式修剪机。

在20世纪70年代，高速公路的快速发展使得美国和日本成功开发了大型自行式修剪机。

这些外国产品具有人性化、环保化、自动化和智能化等特点。

它们大大减轻了园林工人的工作量，确保了操作的安全性。

例如，小型骑乘式割草机已经取代了步行操纵的自走式割草机[2]。

随着对这些产品的需求持续增长，这种对更先进、更高效的园艺设备的趋势预计将在未来继续。

（2）国内现状
国内绿化机械的发展一直比较缓慢。

直到20世纪70年代末，国内绿化机械才开始出现。

到了20世纪90年代，随着中国高速公路的快速发展，欧美国家的产品被引进，并根据中国的景观维护需求进行改造。

由于国内技术和高速公路绿化规模的限制，手动手持式半自动机械最先被开发出来。

然而，随着绿化规模的扩大和劳动力成本的上升，人工施工变得低效。

因此，中国开始开发车载绿篱修剪机，以提高效率，应对绿化规模扩大带来的挑战[3]。

3推广使用智能绿篱修剪机的必要性
绿篱修剪机的发展对于提高修剪工作的效率，实现显著的劳动力节约，以及降低绿篱维护成本至关重要。

此外，绿篱修剪机的远程控制对于道路交通的发展也变得越来越重要。

这项技术使操作人员可以在安全的地方利用远程控制进行修剪作业，而不需要直接在路边操作绿篱机。

这不仅提高了工作效率，也减轻了道路安全问题对操作者的影响。

因此，这一领域的研究在实际应用中具有很大的潜力。

绿篱修剪机技术的进步可以彻底改变园艺行业，改善工作安全，并促进中国绿化行业的整体发展。

为解决上述所提出的问题，结合工程机械智能化，小型化，环保化的发展趋势，研发出
一种基于STM32单片机的智能绿篱修剪机，对于降低养护成本，提升作业效率，减少环境污
染等具有重大的意义。

一套方便操作，简单实用的单片机控制系统不仅能够使机器稳定作业，安全运行，还能进一步降低施工单位的养护成本，提高作业水平。

因此，该智能绿篱机的设
计和研究具有较好的实际应用价值。

4研究内容
基于高速公路地形复杂，道路曲折的特点。

传统的便携式绿篱机在进行人工
手动工作时会遇到非常多的问题。

高速公路的植被主要是由小型灌木与观赏性树
木组成。

为了应对以上问题，本文设计了一种基于STM32单片机的智能绿篱修剪机，使用履带式底盘作为驱动，以应对高速公路边坡的复杂路况。

使用STM32单
片机进行远程无人操作，该设计也符合绿色节能园林设备的发展趋势。

（1）根据本文设想的设计要求与绿篱机的实际工作情况，设计构成绿篱机
的主要结构与实际动作要求。

分析智能绿篱修剪机要实现的各项功能，进行控制
系统芯片，信号采集模块等硬件的选型。

（2）分析整机控制系统的要求，并设计智能绿篱修剪机的整机仿真电路。

编译软件部分，与智能绿篱机控制系统的功能要求相结合，设计智能绿篱机的整
体系统。

（3）对绿篱机的整机系统进行仿真，包括设计仿真实验来验证智能绿篱机
整体控制系统的有效性与合理性。

5智能绿篱修剪机设计和解决问题的方法
5.1方案设计
单片机作为控制系统的核心部件，主要负责车身各部位输入信号的采集，处理，输出，不同模块之间的通信协调工作。

单片机系统设计的好坏直接影响到机
器系统整体的稳定性。

本绿篱机的单片机控制器要完成机器的行驶，DC调速电机的控制，电池模块，红外识别模块，超声波测距模块之间的通信控制，还要在显
示屏上实时的显示工作状态以便实现对系统的实时监控。

5.2解决问题的方法
（1）主控模块：整机系统由控制器模块、红外识别模块、超声波测距模块,
电机驱动模块、电源模块及OLED 显示模块组成。

避障检测为本设计的核心功能，由超声波测距模块、红外识别模块协同工作。

（2）红外识别模块：绿篱机在工作时，通过检测红外传感器的输出电平状
态来区分绿化区的冬青与树干等障碍物的区别，及时调整刀头电机的转速来避免
刀头撞击障碍物产生的安全事故。

（3）超声波测距模块：超声波模块与红外模块协同工作，给予红外识别一
个阈值，在设定范围之内的障碍物才会引起系统的报警，使得刀头电机停止旋转，避免安全事故。

（4）电机驱动模块：绿篱机系统采用多电机驱动模式进行驱动，故而配备
左行走驱动电机与右行走驱动电机，刀头的旋转电机与升降电机。

使用l298n电
机驱动模块进行控制。

（5）OLED显示模块：将STM32 单片机配置为SCL 和SDA 的PB10，PB11 引
脚另引出一组，用于与OLED 模块进行模拟I2C 通信，实时显示绿篱机的实际运
行状态。

6结束语
本文基于国内外绿篱机的发展历程，分析了一种适用于复杂地形，成本较低
的基于STM32单片机的智能绿篱修剪机的控制系统需求，对绿篱机的控制方案进
行了研究设计。

参考文献：
[1].宋芳琳.新形势下园林绿化养护精细化管理策略[J]南方农
业,2022,16(16):66-68.
[2].韦锦. 绿篱苗木修剪机械手的设计与研究[D]广西大学,2021.
[3].张波,张学敏,邵书山等.电动遥控绿篱修剪机的设计[J]中国农机化学报,2018,39(03):19-25.
[4].蒋鹏.基于STM32的无线遥控山区物资运输车研究与设计[J]内燃机与配件,2023(10):
[5].谢昌伟,顾瀚戈,钟洪念,祁瑞.HTTP模式下STM32程序远程升级设计[J]电子与封装,2023,23(05):
作者简介：张子扬，2000年1月出生，男，汉族，大学本科，现就读于山东协和学院，专业：电子信息工程。

渠秋会，1981年7月出生，女，汉族，硕士毕业于山东大学，山东协和学院计算机学院教师，副教授，主要研究方向:电子信息工程、电气工程与自动化。