基于单片机技术地面切割粉碎装置的设计

李晨,潘莹月,金航,田晓阳

（山东农业工程学院，山东 济南 250100）

摘要：在日常生活中，几乎避免不了对地面进行修整，如水管、煤气管、电线管的安放时，便需要对地面进行切割开缝工作。目前，市面上的地面切割机存在着一些问题，会给个体用户使用时造成一些不方便，需要投入大量的人力去完成工作，甚至是不适合于个体用户的使用。所以针对于地面切割技术做出研究，用户可以通过手机对它进行控制，完成地面切割工作。同时，产生的碎料可以被粉碎，再次进行利用，节省了人力、物力及财力。它也呼应了现代社会的工程建造自动化，在建造过程中充分利用科学技术和一些控制模块，以提高建造过程的自动化水平，减少对人的依赖，达到安全建造的目的，提高建筑的性价比和可靠性。

关键词：地面修整  地面切割粉碎  自动化  高精度

一、引言

目前市面上存在两大类地面切割机传统的大型地面切割机体积比较大，需要持续的人工输出，而且在使用的时候会发生的灰尘四处飞散，对工作环境产生污染，而且由于体积大、价格贵等原因不适合个体用户使用。同时，市面上的小型切割开槽机基本上都是手拿的，需要使用者在使用时一直拿着，也需要花费一定的人力，十分的不便捷，且切割不够精准。

本项目介绍了一种基于单片机技术地面切割粉碎装置，包括驱动装置，驱动装置包括车轮总成，每组车轮总成中包括两个车轮；整个驱动装置位于车体的底部，用于驱动车体移动。驱动装置中的车轮总成包括两个，分别位于车体的底部前侧和后侧，均布于车体的底部四角，既能稳定车体又能实现车体的移动。并且，每个车轮均连接一个电机，由电机驱动车轮转轴转动带动车轮转动。该装置可以让个体用户进行地面切割工作，使用者通过手机端蓝牙对它进行控制，通过调整竖直面内切割片的高度来控制切割深度，切割后产生的碎片可直接被粉碎片粉碎成粉末，以使其有再次利用的可能。同时，喷水装置可在切割片进行切割工作时向切割片上喷水，以给切割片降温，还可以减少灰尘。通过循迹模块还可以根据人们所标记的路线进行循迹，自动前进，进行切割工作。使用者还可以利用高清摄像头进行远距离监控，随时查看机器的工作情况。

二、研究目的

本文主要对一种能够让个体用户所方便使用的一种智能自动地面切割机进行介绍。重点是实现地面切割工作自动化、智能化，以能够让个体用户也可以方便使用为目标。解决大型的地面切割机的体积大、产生灰尘多等问题，同时，也解决小型的切割开槽机必须要使用者手持、切割精准度低的问题，让切割地面的过程自动智能化。经过调查发现，产生的水泥碎料经过粉碎后仍可再次利用，产生利用价值。

三、设计内容

（1）设计原理

地面切割粉碎装置工作方案为利用四轮驱动结构使得整个车体的移动。对于切割方面，切割片由舵机组成的机械臂夹带着，利用机械臂来控制切割片的升降，增加了切割工作的灵动性，切割片所需要的动力由直流电机提供。切割工作切割片会严重发热，也会产生大量的灰尘，车尾搭载水箱，利用抽水泵和喷雾头完成喷水功能，实现给切割片降温以及减少灰尘的目的。在粉碎工作方面，利用电机高速旋转带动粉碎片，让粉碎片有充足的动力去粉碎切割工作产生的碎料。根据人们的需要，通过4*4矩阵按键输入所需要的切割深度，位于切割片旁边的超声波模块首先进行发出超声波，超声波遇到物体发生反射，进行测距。将测得的值传递给控制核心，然后它会自动调节机械臂，使得切割片时刻根据需要调整到相应的高度，直到切割出人们所需要的深度并完成切割工作，它才会停止工作。当进行切割工作时，位于车头位置的超声波模块则会在监测到前方有障碍物时，且距离小于30cm时，将该数据传递给STM32，让其控制小车立刻停止工作。摄像部分用于远程的图像传递，高清摄像头的像素可以达到1080P，从而能够实现使用者可以随时随地的清楚地看到机器的工作情况，便于使用者实时观察机器的工作情况。对于自动寻迹系统，通过红外传感器循迹模块判断人们所画黑线的路径，然后由STM32单片机控制L298N电机驱动模块改变直流电机的工作状态，最后实现循迹功能，地面切割粉碎装置的工作流程如图1所示。

图 1地面切割粉碎装置的工作流程图

（2）切割部分

切割装置包括切割头和转动机械臂；转动机械臂用于驱动切割头在竖直面内转动；如图2所示。通过舵机实现转动机械臂与升降机械臂的连接，舵机驱动转动机械臂实现竖直面内的灵活转动，进一步的实现转动机械臂上的切割头灵活转动，全程自动化程度较高，无需人工参与。同时，转动机械臂采用多连杆串联连接，实现切割头多角度的转动调节，切割头转动更加灵活。

图2切割部分的三维模型图

（3）粉碎部分

粉碎部分是本设备的一个重要部分，当电机转速和转矩确定后，其输出转矩、转速直接决定了粉碎刀片的粉碎效果。

粉碎部分组成：粉碎装置包括直流减速电机、粉碎刀片；由电机带动粉碎刀片高速旋转，对产生的水泥碎料进行粉碎。

四、创新性

①自动化、操作方便

手机端控制机器工作，人力投入少，操作方便。

②切割精准

与已有机器相比精度提高20%，让切割更精准。

③减少灰尘飞散，污染小

喷水功能减少灰尘的飞散，减少对工作环境的破坏

④碎料再次利用，提高资源利用率

粉碎刀片可将碎料粉碎，使得废物得到利用。

五、技术路线

(1)主要部件的选型：直流电机选型、蓄电池选型、传感器选型等。

(2)结构设计：搭建项目基本架构，并将所需模块安装至项目基本架构上。

(3)确定基本参数：调节超声波模块进行精准的距离测量，红外循迹的循迹路线判断，小车的速度控制，机械臂的高度控制等。

(4)程序编写：通过Keil对STM32单片机进行程序的设计，来驱动各个部分协调统一的工作。

(5)调试与优化：将产品涉及的各个功能进行调试与完善，将产品的布线方式及外观进行优化。

设计技术路线如图3所示。

图 3地面切割粉碎装置研发技术路线

六、总结

地面切割粉碎装置结合了创新理念，使用新的工作手段，改变了传统的地面切割工作的方式。在整个机器的构建过程中，根据对已有知识的了解、使用，通过不断地调试，从而不断完善机器的构建。它进行切割工作时的切割精度、位置精度达到预计要求要求，系统之间相互协调，可以较好地完成地面切割工作。控制方法简单快捷，实用性高且价格便宜。

参考文献

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