摘 要：【目的】為解決傳統(tǒng)移栽機功能性單一，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設計?！痉椒ā渴紫?，為完成多批次幼苗移栽，設計鴨嘴式X橫向可調間距移動機構;其次，為實現(xiàn)多地形工作切換，設計基于STM32主控芯片的集成遠程多功能操控系統(tǒng);最后，基于有限元法對移栽機的關鍵結構進行強度分析?！窘Y果】基于上述方案，成功制造出了實物樣機并進行測試。結果表明，該多功能辣椒苗移栽機滿足機械強度要求，并且完成一株辣椒幼苗的移栽需要17.64 s?！窘Y論】該多功能辣椒苗移栽機的集成度較高，提高了辣椒苗種植的機械化水平。

關鍵詞：吊籃式移栽結構；多功能移栽機；農業(yè)機械；興農產業(yè)

中圖分類號：TH6 文獻標志碼：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，農業(yè)機械設備也正在向自動化、智能化的方向發(fā)展。幼苗移栽是辣椒作物生產的關鍵環(huán)節(jié)之一，設計一種能夠對辣椒幼苗進行移栽作業(yè)的裝置，無論是對生產成本的控制，還是對作物質量的提升，以及是對農業(yè)機械設備的發(fā)展，都具有十分重要的意義［1-3］。目前，農業(yè)移栽裝置的設計逐漸成為學者們研究的熱點。韓阿麗等［4］設計了吊籃式結構移栽裝置，滿足一次性煙草幼苗移栽過程；呂志軍等［5］提出并設計了一種電動履帶自走式煙苗移栽機，在滿足遠程操控的同時符合煙苗的農藝要求；劉克福等［6］提出了一種基于曲柄搖桿機構與凸輪耦合的麥冬移栽機，通過機構的夾取動作實現(xiàn)了麥冬移栽的自動化取苗；趙勻等［7］設計了一種探入式非圓齒輪行星系移栽機構，通過虛擬樣機進行仿真得到的理論軌跡，對比物理樣機經(jīng)過高速攝影試驗得到的實際軌跡，最終驗證了機構設計的正確性，提高了番茄苗的取苗成功率和移栽質量。綜上所述，大部分學者對農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)行機構的優(yōu)化上，而對于移栽裝置的控制和移栽作物的實時監(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、無法遠程進行操控、作業(yè)狀況難以實時監(jiān)控等問題，本研究設計了一種可實時監(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、溫濕度測量等遠程操控軟件，基于有限元模塊分析了裝置關鍵零件的應力，并通過田間性能測試，為移栽裝置的實用性提供了依據(jù)。

1 裝置方案設計及工作原理

多功能辣椒苗移栽裝置結構如圖1所示。移栽裝置整體采用對稱結構設計，其機械結構主要分為六個部件，分別為焊接機架、四工位移栽機構、行距調節(jié)機構、覆土機構、張緊機構、澆水機構。在移栽幼苗的過程中，首先，將幼苗放入投苗機構，通過電機驅動，使投苗撥盤旋轉一周，將幼苗送入鴨嘴式移栽器；其次，通過調整絲杠來改變投苗撥盤的間距，同時調節(jié)下方的移栽機構間距，以適應不同間距的栽苗需求；再次，凸輪旋轉使鴨嘴入土器進入土壤，末端打開，實現(xiàn)幼苗入土；最后，覆土機構和澆水機構依次工作，完成覆土和澆水，從而完成辣椒苗的移栽。

2 移栽裝置關鍵結構設計

2.1 四工位移栽機構

四工位移栽機構為多功能移栽機的關鍵部位［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、推桿機構、連桿等構成。

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

推桿機構工作流程為電機驅動移栽機軸運轉，進而帶動偏心盤轉動。當偏心盤旋轉至特定角度時，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。推桿機構簡圖如圖3所示。

2.2 行距調節(jié)機構

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

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

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

3 關鍵零件有限元分析

移栽機構的核心部件包括入土器、棘輪和推桿機構。由于入土器經(jīng)常與泥土直接接觸，而推桿機構和棘輪則因鴨嘴入土器的頻繁開合動作容易受到磨損。為了確保這些關鍵部件的強度和可靠性，需要采用有限元分析方法對其進行詳細評估。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、推桿機構三個關鍵零件的變形仿真結果如圖6所示。有限元仿真結果見表2。

對有限元結果進行分析，三個關鍵零件最大應變遠小于PLA材料屈服點應變值0.04 mm/min［11］，則該零件的強度可靠。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 控制功能集成方案

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

4.2 語音控制模塊設計

在辣椒苗移栽機的設計中，采用藍牙模塊進行通信，通過串口向STM32單片機發(fā)送指令，實現(xiàn)設備的控制。此外，該設計還集成了天問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備。這種結合藍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 溫濕度測量模塊設計

DHT11是一款成本低廉、接口簡單、協(xié)議易于實現(xiàn)的溫濕度測量模塊，其內置了單片機來完成溫度和濕度的測量與校準，主要通過測量周圍環(huán)境的濕度和溫度來工作?？紤]到本研究設計的辣椒苗移栽機對溫濕度監(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，主機收到信號后拉高數(shù)據(jù)線，等待DHT11響應。

4.4 電機控制模塊設計

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

在本研究設計的辣椒苗移栽機中，三個電機都連接到BTN7971驅動器上，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，通過調整占空比來控制電機的速度；另一個GPIO端口則通過上拉或下拉控制電機的轉向。在電機控制系統(tǒng)中，利用AI模型匹配算法和神經(jīng)網(wǎng)絡訓練，實現(xiàn)了對障礙物的動態(tài)或手動識別。這種方法可以調整識別邏輯，從而檢測并避開堅硬物體，保護辣椒苗免受損傷。

5 實物測試

在對多功能辣椒移栽機進行實物測試時，將辣椒幼苗放入裝置的投苗口，通過遠程語音命令發(fā)出移栽指令。電機隨即啟動，帶動投苗撥盤將幼苗送入鴨嘴式入土器。當幼苗觸碰到入土器內的限位開關，移栽機構的偏心盤和凸輪開始運轉，精確地將入土器移動到目標位置。入土器進入泥土后，前端開口自動打開，將幼苗投遞到土中。隨后，裝置前進，鴨嘴式入土器上升，覆土和澆水機構進行覆土和澆水操作，完成整個移栽過程。為確保測試結果的準確性，整個實驗重復了8次，并取平均值。移栽幼苗實物測試過程如圖9所示。

通過分析，設計出的整體移栽裝置的實物尺寸為1.2 m×0.8 m×1 m。對實物進行移栽幼苗測試，實驗結果見表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。在運行過程中沒有出現(xiàn)異常，總體達到預期效果，滿足移栽幼苗作業(yè)要求。

6 結語

本研究成功開發(fā)了一種新型多功能辣椒苗移栽機，有效克服了傳統(tǒng)移栽機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，顯著提高了農業(yè)作業(yè)效率，具有重要的理論和實際應用價值。

盡管該設計取得了一些成果，但在極端環(huán)境中的適應性和組件耐久性方面仍有改進空間。未來，可以聚焦于優(yōu)化設計參數(shù)以提高環(huán)境適應性，開發(fā)新型材料以增強耐久性，并進行大規(guī)模應用測試以驗證設計的普適性和可靠性。這些改進將進一步推動農業(yè)自動化技術的發(fā)展。

參考文獻：

［1］ 左勝甲，丁旭旭，孔德剛，等.全自動人參移栽機設計與試驗［J/OL］.農機化研究，1-6［2024-08-18］.https：//doi.org/10.13427/j.cnki.njyi.20240626.001.

［2］ 王恒進，李玉清，陳繼國.基于UG的鏈夾式移栽機用自動分供苗機構設計［J］.機械，2016，43（10）：27-30.

［3］ 劉蒙滋，姜凱，王秀，等.蔬菜自動移栽機研究現(xiàn)狀與展望［J］.農機化研究，2024，46（10）：1-8，20.

［4］ 韓阿麗，燕亞民.吊籃式山地移栽機的設計［J］.南方農機，2024，55（5）：19-22.

［5］ 呂志軍，黃會男，吳疆，等.電動履帶自走式煙苗移栽機關鍵部件設計與田間試驗［J］.農業(yè)開發(fā)與裝備，2023（12）：127-130.

［6］ 劉克福，林子涵，蔡龍基.麥冬密植移栽機設計與研究［J］.農業(yè)技術與裝備，2024（2）：1-4，7.

［7］ 趙勻，張衛(wèi)星，辛亮，等.探入式番茄缽苗移栽機構設計與試驗［J］.農業(yè)機械學報，2019，50（1）：105-112.

［8］ 李心志，廖慶喜，袁華，等.油菜基質塊移栽機苗床帶整備裝置設計與試驗［J］.華中農業(yè)大學學報，2024，43（2）：215-226.

［9］ 武東東，胡建平，汪寬鴻，等.全自動蔬菜移栽機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.長江蔬菜，2023（24）：1-3.

［10］ 侯加林，張二鵬，張康博，等.基于DEM-MFBD的辣椒移栽機取投苗裝置設計與試驗［J］.農業(yè)機械學報，2023，54（12）：46-57，87.

［11］ 雷經(jīng)發(fā)，魏展，劉濤，等.熔融沉積PLA材料動態(tài)力學行為及本構模型研究［J］.中國塑料，2020，34（11）：59-65.

［12］徐志波，喻麗華，羅震，等.辣椒移栽機栽植機構的參數(shù)設計與仿真研究［J］.機電工程，2020，37（9）：1057-1062.

［13］ 武重，盧陽.考慮部件振動特性的電爐異步電機電氣控制方法［J］.工業(yè)加熱，2024，53（4）：30-34.

［14］ 宋忠東，劉翠蓮.基于機器視覺的智能制造實踐平臺應用研究［J］.科技創(chuàng)新與應用，2024，14（13）：22-25.