绿篱机，又称绿篱剪，适用于茶园、公园、庭园和路旁树篱等园林的专业修剪，如图1所示。一般说的绿篱机是指依靠小汽油机为动力带动刀片切割转动的，目前绿篱机的原动机主要为汽油机，按刀刃分单刃绿篱机和双刃绿篱机。绿篱机具有良好的耐用性，为专业商用修剪使用，与普通绿篱修剪工具相比，启动非常轻便，操作十分简单方便，适用范围广泛，可配各种刀具，是园林整理的好帮手。但是我国目前还没有小型、自动修剪功能的绿篱机或其配件，工作时均为人工手持式，对绿化带形状的控制完全依靠于修剪人员的操作技术．且绿化过程中产生的飞尘、振动、噪声对人的身体健康造成严重损害。基于此，笔者设计了全自动绿篱机架及其自动控制系统．可实现无人、自动修剪多种形状的绿篱机支撑设备。

1 绿篱机的组成及控制要求

1.1 绿篱机的组成

全自动绿篱机架为绿篱机的支撑设备，以辅助绿篱机达到自动修剪多种形状的绿化带及对不同绿化带的要求实现多种形状的自动修剪功能。

绿化带形状多种多样，针对武汉市园林市场的绿化带形状需求进行调查。结果见表1。为实现平面、波浪、圆等多种绿化带形状的自动修剪，设计升、降、平移、翻转共4个自由度上的运动，通过这4个自由度上运动的组合实现不同形状的路线。其中每个自由度上的每一步运动都精确量化。

全自动绿篱机架示意如图2所示。该设备由支撑台、升降机构和转向机构3部分组成。支撑台上表面固定绿篱机。下表面通过联轴器与电机1同轴安装，通过电机1转动带动支撑台旋转，使绿篱机刀具与绿化带修剪面成一定角度，实现刀具在三维空间中的转动。根据绿化带的修剪要求设定升降高度，通过步进电机2带动丝杆完成升降高度的设定。与前排车轮同轴安装两个型号相同的步进电机3、步进电机4。通过调节3、4电机转速形成不同的速度差以实现水平面上不同路线的行进。根据以上运动要求，本设计采用单片机程序控制技术和步进电机细分控制技术．程序控制步进电机实现刀具的翻转、升降和平移组合运动的精确位移．从而实现不同种类、不同形状绿化带的自动修剪的要求。

1.2 绿篱机的工作流程控制

本设备设计有程序预选功能．绿篱机工作流程的控制可通过选择相应的操作按键来实现，首先根据修剪的对象选择绿化带的种类，进而选择需要达到的形状类型。选择完毕，按下启动按钮，开始修剪，一定时间后便可使绿化带形成特定形状，修剪完毕，蜂鸣提示。下面以修剪高度为1.5 m的平面为例。说明绿篱机的工作流程，如图3所示。

具体过程：开启系统，待系统初始化后，进行绿篱需要的参数的设定：选择平面，LED屏幕上即显示“请设定高度”，接着通过数字键盘输入要修剪的高度值为1.5 m，按ok键确认。确认后屏幕将提示“准备运行”字样，此时，再一次按下ok键。设备将根据设定好的参数进行自调整。本例中步进电机1不旋转。即步距角旋转为0°，刀具平行于水平面，步进电机2转动，带动丝杠转动，使支撑台上下运动，直到支撑台上刀具距地面1.5m为止；步进电机3和步进电机4不旋转；设备自调整完毕，蜂鸣提醒，此时，按下“运行”键，设备开始对绿化带进行修剪。

2 硬件组成及系统设计

2.1 硬件组成

本系统选择美国ATMEL公司生产的低电压、高性能、低功耗、价格低廉的8位CMOS单片机AT89C52作为控制核心。片内含8 k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产。兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，适用于本设计中多个程序的切换以及日后多功能的扩展。本设计选择的89C52有40个引脚，32个外部双向输入输出(I／O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，且可以按照常规方法进行编程。工作时用键盘设置参数，因此在52单片机基础上扩展一片可编程的键盘显示接口芯片8279、一片A／D转换芯片ADC0809、一片可擦除编写的EPROM2716、多片D／A转换芯片DAC0832和一片可编程并行接口芯片8155。根据要访问的地址，芯片的片选信号为低电平时选中相应的芯片。

为提高绿化带修剪质量，保证形状准确。4台动力设备均采用了步进电机。步进电机是数字电机。区别于其它电机的最大特点是通过脉冲信号来控制。步进电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，因此其定位精度高、无位置累积误差。在软件控制方面：有脉冲时只要置相应的输出端为1：无脉冲时只要置相应的输出端为0。故很容易通过软件来实现脉冲的分配。适用于本系统的角度、高度、TY向的调节。

2.2 系统设计

系统包含缩小步进电机步距角的脉宽调制式细分驱动电路、蜂鸣提示电路、键盘及显示电路3个部分。系统结构如图4所示。

整个系统的执行部件均为步进电机．由于步进电机需要的驱动电流较大，单片机的I／O驱动能力有限，为此，在步进电机与单片机之间增加驱动电路。为减小步进电机在低速运行时低频振荡和噪声．采用了脉宽调制式驱动细分电路．缩小了步进电机步距角。该驱动电路由光电耦合电路、功放电路和脉宽调制电路3部分组成。其中脉宽调制电路的目的是：在采样电阻上得到与D／A转换器模拟输出电压一致的电压。保证电机绕组上的平均电流能满足要求。具体过程为：把单片机的D／A转换芯片DAC0832输出的模拟电流信号。经运算放大器转换成电压信号．此电压作为脉宽调制电路中电压比较器同相输入端参考电压。将功放电路中采样电阻上测得的电压信号和同相输入端参考电压进行比较，当检测电压大于参考电压时。电压比较器输出为低电平，使D触发器输出端也为低电平，功放管截止；反之，使功放管导通。控制功放管通断时间是由电流大小决定的。即电机绕组上的平均电流要求大时，要增加功放管的导通时间；电机绕组上的平均电流要求小时，要缩短功放管的导通时间。由于电机绕组是一个感性负载．电感性负载的特点是电流不能突变，阻碍电流的变化，而且脉宽调制电路的调制频率较高，一般大于20 kHz，因此，虽然不是连续通电，即时通时断的脉冲工作方式．但电机绕组中的电流还是较平稳的。脉宽调制式细分驱动电路的控制精度高，工作频率稳定，多用于综合驱动性能要求较高的场合。

3 系统控制功能的实现

全自动绿篱机架的控制目标是：在确保设备在绿篱过程安全稳定运行的前提下，按照用户的要求对绿化带进行不同形状的修剪．同时保证系统具有较快的速度，降低劳动强度和生产成本。

3.1 程序预选功能的实现

本设备通过按钮对绿化带修剪形状进行选择，其操作界面如图5所示。

图5 操作界面

图5中。各矩形方框相当于一个按键，按下系统运行按键后。单片机循环扫描各按键，当检测到某键按下时，并把键值存入8279芯片FIFORAM中，并保护现场。读键值、执行相应键盘处理程序。如按下“平面”按键．则转人执行“平面”按键相对应的处理程序，执行“平面”这个按键的键盘处理程序．即将绿化带修剪为平面的程序。系统程序包括不同类型植物、不同形状要求的程序．通过跳转指令执行切换不同程序。

3.2 步进电机细分控制技术

步进细分控制技术通过细分电路电源的软件编程和脉宽调制式细分驱动电路的硬件设备相结合来实现。脉宽调制式细分驱动电路的工作原理前已介绍，细分控制技术关键是如何提供给细分驱动电路不同大小的参考电压．也就是如何把合适的数据传送给D／A转换芯片DAC0832的数据输入端．下面重点介绍数据的确定过程。

细分电源的目的是给步进电机绕组提供阶梯电流，从而保证步进电饥运行平稳、振动小和噪声低。阶梯等级由细分数来确定，在此采用16细分，即将原来的一步分成了16步来完成，电机选择三相六拍的运行方式，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A→矩形波的上升沿和下降沿用阶梯电流，阶梯电流的大小应与步进电机的矩频特性相吻合，为此阶梯电流采用线性和正弦组合的方式。额定电流值对应数字量最大值为255，电流为0时对应数字量最小值为0。阶梯电流对应数字公式计算。

将上述数据存人EPROM中，各相在一周期六拍内所需数据96个，三相六拍所需数据96×3=288个，本系统中4台步进电机共需数据288x4=1 152个，选用容量为2 kx8即2 048B的EPROM芯片2716。EPROM中数据存放顺序为3组数据依次交叠存人，即EPROM中的数据依次为A相第1个数据。B相第1个数据，C相第1个数据，A相第2个数据，B相第2个数据，C相第2个数据，直到A、B、C三相的第96个数据。控制电机运行时，将三相的数据同时传送到各自的D／A转换芯片DAC0832中转换。软件判断三相的数据只要不为零，就将相应的驱动口置1。可知A相数据和C相数据不为零。将驱动A相绕组的PA0和C相绕组的PA2置1，只要为零就将相应的驱动口复位；B相数据为零，将驱动B相绕组的PAl复位。隔一定的时间，通过定时器来实现．将三相的数据2同时传送到各自的D／A转换芯片DAC0832中转换。以此类推，直到完成第96个数据，接着传送三相的数据1、2，这样周而复始地进行。

4 结论

本控制系统以单片机为核心，综合应用计算机自动化技术进行设计，在硬件中增加脉宽调制式细分驱动电路，并配合软件提供细分电源，从而使步进电机步距角减小，运行平稳，振动小，精度高，实现了不同形状要求的绿化带自动修剪功能。软件设计可根据需要方便地改变定时器的初始值，可方便地控制每拍的时间和改变步进电机的速度。该系统较好控制了各台电机速度之间的连锁要求，实现了旋转、升降的控制以及多种形状的控制，除此之外，当绿化带形状增多时，可方便地改变软件来实现，系统灵活性和扩展性强。