一款简易低成本智能割草机的制作——硬件篇

概述

近年来，随着环保意识和生活水平的提高，许多人开始在院子里种植花草。然而，由于没有定期的管理，许多庭院变得杂草丛生，不仅不美观，而且吸引了一群蚊子和昆虫在这里生活和工作。特别是在炎热的天气里，室外温度是30或40度，没有人想在院子里用除草器除草。

因此，针对上述痛点，我们设计了一台简单、低成本的割草机。有了它，我们可以在家里吹空调，吃西瓜，看着院子里的杂草被清理干净。很舒服吗。

本割草机具有以下特点：

• 锂电池供电，噪音低，环保节能，支持低功率报警
• 支持路程测量
• 可根据割草需求，调节割草高度
• 远程通信系统：涂鸦无线网络模块APP可远程控制割草机，始终检查割草机的动态。
• 动力系统：12V锂电池组具有多种保护功能，配备减速电机和橡胶轮胎，为汽车提供动力支持。
• 割草控制系统：用两个舵机实现割草高度调节，用电调控制无刷直流电机割草。
• 定位导航系统：采用GNSS实现割草机定位和导航功能的模块和数字地磁传感器。

一.远程通信系统

涂鸦模块是远程通信系统的核心 MCU方案。

MCU 对接方案是对接涂鸦平台最常用的方案之一 MCU 主控产品智能化。涂鸦提供硬件模块，App 软件和云服务，开发者只需要关注产品本身功能的研发，使用涂鸦 MCU SDK 、公版 App 公共版面板，一站式完成产品智能化，开发高效方便。

MCU SDK 根据涂鸦开发平台定义的产品功能自动生成 MCU 代码。少涂鸦的使用 Wi-Fi 一般串口协议的对接成本，MCU SDK 建立了通信和协议分析架构。 MCU SDK 添加到项目并配置相关信息后，即可快速完成 MCU 程序开发。

1.MCU 硬件资源要求

涂鸦 SDK 包对 MCU 要求如下。用户资源不足，可自行对接串口协议，SDK 包中的函数可作为使用参考。

• 内存： 4KB

• RAM： 与 DP 点数据的长度大约是 100B （OTA 功能需大于 260B）。

• 函数嵌套级数： 9 级

2.涂鸦模块选型

涂鸦模块有多种选择，如Wi-Fi模组，Wi-Fi&Bluetooth模组。

为减少硬件开发 ，对应的三明治通信开发板也可直接使用。

详情查看涂鸦开发者中心：https://developer.tuya.com/cn/

二.动力系统

1.电源

市场上的割草机一般分为汽油割草机和电动割草机。

其中，汽油割草机功率大，马力充足，工作时间长，但噪声和振动特别大，对环境也有污染，不应用于环境要求高的环境。

因此，我们使用锂电池供电。锂电池供电，工作噪音低，运行稳定，环保节能，价格低廉，非常适合家庭庭园。

割草机推荐输出电压12V左右的锂电，比如3S或4S航模电池，这种航模电池，放电可达15C甚至20C以上，动力强。非航模锂电池组也可以，价格会更低，使用寿命长，安全性好，选型时，建议选择最大输出电流5A以上。

由于后面各个系统会用到各种不同的电压，因此，除了电池之外，我们还需要准备降压模块。

推荐模块上的降压芯片LM2596S这种支持可调输出的芯片，可以通过调节模块上的电位器获得我们需要的任何电压值。

LM2596S输入电压范围高达 40V，输出电压可从1.2V 至 37V，在各种线路和负载条件下的最大电压容差为 ±输出负载电流可达34%A，高效，具有热关节和电流限制保护功能。

点击此处查看LM2596S数据手册

2.减速电机

减速电机是在直流电机的基础上增加高精度减速器。一般来说，直流电机的转速是每分钟数千转。增加减速器可以降低电机转速，增加电机扭矩，增强可控性。

在选择减速电机时，电机的额定电压需要与我们选择的电池相匹配，常见的12V额定电压电机供电范围为11~16V之间，12V最佳。

这里推荐一个MG513P60_12V电机，电机额定电压为12V，1:60减速比，额定输出电流为0.36A，减速后，空载转速为183rpm左右，扭矩2kg*cm，最大负载能力高达6KG，再搭配65mm直径轮胎的速度约为0.5m/s，完全满足割草机的运动需要。

该电机还配备了霍尔编码器，可以通过磁感应原理检测电机转速，从而实现速度检测和里程距离统计。

3.电机驱动

采用电机驱动TB6612FNG驱动芯片是东芝半导体公司生产的直流电机驱动器，具有大电流MOSFET-H 桥结构，VM最大电源电压支持15V，平均输出电流可达1.2A，峰值电流允许3.2A，导通电阻也只有0.5欧姆，内置过热保护和低压检测电路，PWM信号输入频率允许100KHz 。

相比L298N 热耗和外围二极管连续流电路，TB6612FNG无需添加散热器，外围电路简单，只需外部电源滤波电容器即可直接驱动电机，有利于减小系统尺寸。

TB6612FNG驱动芯片双通道电路输出，可同时驱动两个电机。因此，对于四个电机，我们只需要两个芯片。

另外，当STBY在高电平时，我们可以使用芯片 IN1 和 IN2 选择这两个输入信号 真值表如下：

AIN1	AIN2	模式
0	1	反转
1	0	正转
1	1	短路制动
0	0	停机

点击此处查看TB6612FNG数据手册

参考原理图如下

三.割草控制系统

割草控制系统主要包括割草高度调节和割草控制。

1.无刷直流电机

割草电机，我们选择无刷直流电机。

为何选择这个？

由于无刷电机去除电刷，最直接的变化是无刷电机运行过程中产生的电火花，大大降低了电火花对遥控无线电设备的干扰，大大降低了摩擦，运行平稳，噪音低得多，系统稳定性好，使用寿命长。

选型时要注意电机KV值和扭矩。它指的是电压每升高1伏，速度增加的值，这是无刷电机的常量。在相同的型号和条件下，KV值越小，扭矩越大。建议您在这里选择KV电机值900左右。

尺寸方面，选择2212等小电机。

2.电子调速器

有了电机，我们该怎么转呢？电子调速器派上用场。

简称电子调速器ESC，它根据控制信号调节电机转速，是电机的驱动器。

我们使用了20个航模爱好者常用的A电调，当然，开发人员也可以选择其他型号，但需要注意的是，电调输出电流需要与我们选择的无刷直流电机相匹配。

这种电调有很多优点，比如

• 超越各种开源软件，油门响应速度极快；

• 电机兼容性极佳；

• 高度智能，自适应性强，只保留进角设置项 (高进角/中进角)，使用极其简单；

• 信号线为双绞线，有效减少铜线信号传输产生的串扰，使工作更加稳定；

• 使用MOSFET特殊驱动芯片的性能和稳定性远远超过分立元件的驱动电路；

• 超低内阻MOSFET，耐流性强

3.舵机

舵机简单地集成了直流电机、电机控制器和减速器，并包装在一个容易安装的外壳中。它是一个电机系统，可以使用简单的输入信号更准确地旋转给定角度。舵机安装了一个电位器（或其他角度传感器）来检测输出轴的旋转角度，控制板可以根据电位器的信息准确地控制和保持输出轴的角度，形成闭环控制。

舵机有三条线，棕色是GND，红色是正电源，橙色是信号线，黑色是信号线GND，红色是正电源，白色是信号线。

舵机电源输入电压一般~6V，通常推荐5V，标准用于输入信号PWM(脉冲宽度调制)信号周期固定为20ms（50Hz），脉宽可由0.5ms到2.5ms之间，对应舵机转角0°～180°。

请查看具体的舵机控制和程序[舵机控制](https://blog.csdn.net/sandwich_iot/article/details/116589833)

通过同步控制两个舵机，将两个舵机与一些金属盘结合成升降结构，实现高度调节。

四.定位导航系统

定位导航系统主要有两个功能，分别是定位功能和定向功能。

1.GNSS

定位，当然需要用GNSS全球导航卫星系统啦。目前为止，全球总共有四大GNSS系统，分别为美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO和中国北斗卫星导航系统。国内外相关模组厂商也很多，模组品类也是应有尽有，单模多模，单频点多频点，十分丰富。

这里，我们采用涂鸦出品的GUC300模组。

GUC300 模组由一个高集成度的 GNSS 芯片 UFirebird-UC6226NIS 及其外围电路构成，内置 SAW 滤波器、LNA 以及26 MHz TCXO 等器件，保证了快速、精准的定位效果，并支持 GPS 和北斗双系统联合定位，向客户提供了高效、便捷的定位体验。

GUC300主要特性如下

• 定位引擎特性：

  • 64 通道同时跟踪

  • 热启动时间优于 1.2 秒

  • 冷启动灵敏度 -145 dBm，跟踪灵敏度-158 dBm

  • 数据更新速率最高达 10 Hz

• 支持 GPS 和 BDS

  • RF 采用宽带设计，输入信号以 1575 MHz 为中心频点

  • 可接收和跟踪 1575.42 MHz GPS L1 信号

  • 可接收和跟踪 1561.098 MHz BDS B1 信号

  • GUC300 默认配置为接收 GPS 和 BDS 信号，可通过命令配置为 GPS+BDS、GPS+GLONASS 或单系统工作，其它系统配置请联系涂鸦技术支持获取 GNSS 固件

点击这里查看GUC300模组详情

GUC300模组默认会每隔1秒输出GNRMC GNGGA GPGSV 等语句，串口波特率为9600，为了方便起见，我们只需要解析其中的$GNGGA 即可，例如

$GNGGA,071520.00,3018.12971,N,12003.84423,E,1,20,1.47,60.5,M,,M,,*61 该数据帧的结构及各字段释义如下： $GNGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx $GNGGA：起始引导符及语句格式说明(本句为GPS定位数据)； <1> UTC时间，格式为hhmmss.sss； <2> 纬度，格式为ddmm.mmmm(第一位是零也将传送)； <3> 纬度半球，N或S(北纬或南纬) <4> 经度，格式为dddmm.mmmm(第一位零也将传送)； <5> 经度半球，E或W(东经或西经) <6> GPS状态， 0初始化， 1单点定位， 2码差分， 3无效PPS， 4固定解， 5浮点解， 6正在估算 7，人工输入固定值， 8模拟模式， 9WAAS差分 <7> 使用卫星数量，从00到12(第一个零也将传送) <8> HDOP-水平精度因子，0.5到99.9，一般认为HDOP越小，质量越好。 <9> 海拔高度，-9999.9到9999.9米 M 指单位米 <10> 大地水准面高度异常差值，-9999.9到9999.9米 M 指单位米 <11> 差分GPS数据期限(RTCM SC-104)，最后设立RTCM传送的秒数量，如不是差分定位则为空 <12> 差分参考基站标号，从0000到1023(首位0也将传送)。

xx 从$开始到*之间的所有ASCII码的异或校验 回车符，结束标记 换行符，结束标记

这里也给大家提供了参考电路，欢迎大家下载

点击这里查看GUC300应用原理图

点击这里查看GUC300应用PCB

2.电子罗盘

定向，顾名思义，就是要检测出东南西北四个方向。旧时代由指南针检测，电子科技技术发达的现代，当然就有电子罗盘（电子指南针）解决这个问题。

这方面，我们推荐的型号是QMC5883L。

大家可能对电子罗盘不太了解，我给大家简单介绍一下。

电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向右或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。

点击这里查看QMC5883L数据手册

方向的计算，我们可以调用下面这个公式

direction.x=atan2((double)Mag_data.y,(double)Mag_data.x)*57.3+180;

其中Mag_data.x和Mag_data.y分别是QMC5883在X轴和Y轴输出的数据。atan2为反正切计算，计算出来是弧度值，还需要乘57.3，将弧度转换为角度。最后，再加180度，使角度值吻合大家的约定俗成，方便理解。

对于计算出来的结果，0或360表示正南方向，90表示正西方向，180表示正北方向，270表示正东方向。

详情可查看[QMC5883L磁力计介绍（硬件+软件）（附STM32程序！！！）](https://blog.csdn.net/sandwich_iot/article/details/116587230)