完整版基于小区育种的智能化测产系统设计毕业设计.docx
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完整版基于小区育种的智能化测产系统设计毕业设计
青岛农业大学
毕业论文（设计）
题目：
基于小区育种的智能化测产系统设计
姓名：
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
2010.02
指导教师：
赵丽清
2014年06月16日
基于小区育种的智能化测产系统设计
摘要
目前我国育种小区试验的收获测产仍然依靠人工方式，通过天平称重完成产量测量，再使用便携式谷物水分测量仪进行籽粒水分测量，产量及水分数据均采用手工记录后，再将记录信息汇总录入电脑存储。
本系统由上位机系统和下位机系统两部分组成。
上位机以MCGS触摸屏作为核心部件；下位机主要有STC12单片机、电容式水分传感器、电阻应变式称重传感器、不干胶热敏打印机和条形码阅读器等外设。
系统通过称重传感器获得种子籽粒的产量信息、利用电容式水分传感器测量种子籽粒的含水率信息，再通过MoudBus通讯协议将数据输出给上位机，通过嵌入式一体化触摸屏完成条形码录入，产量信息打印存储等环节。
系统最终完成包括玉米在内的十余种谷物品种的含水率测量，其响应速度和测量精度达国际一般测量水平。
关键词：
小区测产；MCGS触摸屏；STC12单片机
DesignofIntelligentYieldMonitoringSystemBasedonPlotBreeding
Abstract
Currently,theharvestingyieldmonitorofbreedingplotexperimentsstilldependsonmanualways,completeyieldmeasurementsthroughbanlanceweighing,thenusetheportablegrainmoistureinstrumenttomeasurekernelmoisture,outputandmoistureinformationarerecordedbyhand,thenaggregateandstorerecordeddataintoacomputer.
Thesystemhastwoparts,theuppercomputerandthelowercomputersystem.TheuppercomputerusesaMCGStouchscreenasacorecomponent;thelowermachineincludesSTC12MCU,capacitivemoisturesensor,resistancestrainweighingtransducer,non-dryinggluethermalprinterandbarcodereadersandotherperipherals.Thesystemobtainsseedoutputinformationthroughweighingtransducer,usescapacitivemoisturesensorstomeasuretheseedmoisturecontentinformation,andoutputsdatatouppercomputerviaMoudBusprotocol,completesbarcodeinput,theprintandstorageofoutputinformationandotherlinksviatheembeddedintegrationtouchscreen.Thesystemcompletesthemoisturecontentmeasurementofmorethantenkindsofgrainincludingmaize,itsresponsespeedandmeasurementprecisionreachtheinternationalgeneralmeasurementlevel.
Keywords:
Plotyieldmonitoring;MCGSTouchscreen;STC12MCU
1绪论
1.1研究背景
在小区育种试验过程中，育种工作者每年为了对杂交种进行自交系的配合力、杂交种品质和适应性的验证，都需要记录各个品种籽粒的产量、含水率、容重、千粒重等信息。
面对如此庞大的测试工作量，目前我国绝大部分育种小区试验的收获测产仍然依靠人工方式使用国内较为便宜的小型脱粒机脱粒后，通过天平称重测产记录，再使用便携式谷物水分测量仪进行籽粒水分测量记录工作，之后还需要将记录信息汇总录入电脑存储，以便后续的测试结果分析。
育种测产工作面临劳动强度大，测试数据正确率低等诸多问题[1]。
因此如何在保持其正常的研发、生产、推广及应用的基础上，提高其收获的工作效率，成为育种工作者面临的一项难题。
在农业高速发展的现在，小区育种实验环节显得尤为重要，它甚至能够影响大规模农业种植的产业模式。
实现小区育种的智能化测产成为迫切需要解决的问题。
1.2国内外发展现状
早年国内中小型的育种单位，每年都需要组配大量种子组合。
但是由于要测试的数据过于庞大，最后有可能因各种原因无法完成所有组对，甚至出现只能挑选些看似产量较好的小区进行测产的情况。
面对如此尴尬的境地，育种工作者也只能依靠经验来梳理数据，从中刷选出优质种子进行进一步的论证。
现阶的中小型育种单位能够选择使用过内较为便宜的设备进行各项籽粒信息的逐一手抄汇总，但问题依然突出，收获操作效率低下，无法适应大批量水分以及产量的测定工作。
只有大型的育种公司，由于每年需要进行上万个组合进行多点测试时，才会采购大型的机械和设备，但由于资金问题也只能够购置国外落后机型。
其国内外育种技术和方案的差异性，导致育种工作者可能需要花费大量时间对小区排序、使用手提电脑收集产量水分信息等较为繁琐的任务[2]。
当然也有带GPS的小区测产收割机，只需要一个个小区的收获，就可以记录各个小区产量、水分、容重等信息。
此类小区育种收获机在国外的应用已经相对比较普遍，然而，如果想在国内普遍应用，依然可能会因价格高昂、运输不便，操作复杂等诸多问题而在相当长的一段时间内无法全面实现。
对于拥有国家项目的大型单位也往往利用不起来已买的各种测试系统。
相对应的国外现阶段美国的阿麦科、丹麦的霍尔公司等公司设计生产的小区育种收获测产系统均已达到或领先于国际先进水平。
美国的阿麦科公司设计生产的小区种子重量、水分检测系统包括种子测产系统、电子秤、湿度感应器、种子测产料筒、DPA掌上电脑、收获测产软件、专用打印机等设备，能够完成高效，自动化的测量种子籽粒产量、水分等信息。
奥地利的温特斯泰格公司设计生产的小区育种测产设备，不仅配备有条形码扫描枪，实现免排序功能，加快了收获测产速度，还可以测容重等信息。
与以往的人工收获相比，这些测产系统用于小区育种收获，极大的解放了劳动力，降低了收获损失，提高了收获效率。
结合国内实际情形，一些科研公司也开始有开发针对国内外中小客户的测产设备。
收获依然主要靠国内相对便宜的人工操作，及时把小区重量和水分收集上来。
国内也有设计一体化的大型设备的企业，沈阳普瑞思改造的GPH谷物小区收获系统，在很多方面就堪比国外进口设备水平[3]。
虽然在成本上比国外进口设备降低了很多，而且已经装备到国内多家育种科研单位，却依然难以摆脱测量精度低、误差率大的问题。
本人曾跟随指导老师去我校青岛胶州玉米育种基地实际考察过那里的育种小区测定方式，其大致情况就是：
通过小型玉米脱粒机对玉米进行脱粒后，使用便携式水分仪测定玉米样品水分并手动记录后，在通过电子称测定小区收获玉米的重量并手动记录，最后还需要进行数据的统计录入工作，进行进一步的数据整理和分析。
图1-1国内普遍使依次测量水分、测量重量使用的设备
1.3研究目地和意义
育种对于农业的增产增收具有较为重要的作用，在大面积推广新品种之前，必须要先进行小面积的育种产量等各项测验，用于客观的评定各种种子的新品种，了解种子新品种的种植特性、增产效益等数据信息。
这项工作繁琐，且人工劳动强度大，工作效率低，实验数据精度质量差，特别是一些大型育种公司，每年上万组合的多点测试，更是难以在收获当天完成全部任务。
因此，如何提高工作效率，设计制造适合国内育种具体需要和资金要求的设备，降低劳动强度，避免不必要的测试数据混乱，提高测量数据的精确度，成为了本设计的研究重点。
1.4研究方案的确立与实施
1.4.1基本思路
本设计以信息化、自动化和传感器技术为核心，设计完成集种子品种、水分、重量、容重信息的测定采集，实现数据处理、数据记录、打印等功能的精准农业小区测产设备。
实现农业小区测产的精准化、高效化、系统化的高品质应用设备，满足测产收获、现场实验等不同规格的应用要求。
项目重点进行关于智能测产系统的谷物水分测定、谷物产量检测技术的研究，设计完成小区育种收获智能测产系统。
设备摆脱了传统的抽样法，品量小、样品有一定的制约性的缺点，在提高工作效率，降低劳动强度，避免测试数据发生混乱，提高数据的精确度等方面也做了更深入的研究设计。
本测产系统整体可分为：
以MCGS触摸屏为基础的上位机操作系统部分和以STC12单片机为基础的下位机控制系统部分。
上位机操作系统以MCGS触摸屏构件及其RS-485、USB等外设接口作为核心部件；下位机系统则包括STC12单片机、电容式水分传感器、电阻应变式称重传感器、不干胶热敏打印机和条形码阅读器等外设。
农业测产系统通过系统称重传感器获得种子籽粒的产量信息、利用电容式水分传感器测量种子籽粒的含水率信息，再通过嵌入式一体化触摸屏完成条形码录入，产量信息打印存储等环节。
系统将称重传感器经A/D转换器完成模数转换、将电容式水分传感器经频率分析完成数据转换，然后STC12单片机再对获取地数字信号进行操作，得到种子籽粒的实际产量、含水率等信息；同时STC12C5A60S2单片机会将转换获得的数据信息，通过RS-485串行通讯的方式传输给上位机系统——嵌入式一体化触摸屏。
MCGS触摸屏作为上位机系统，用于显示产量、水分等信息；控制电机运转；控制不干胶打印机打印收获信息等数据。
同时触摸屏还可以用于数据信息的存储；作为鼠标的输入接口，通过鼠标操作控制触摸屏运行；作为条形码阅读器输入设备接口，通过条形码阅读器完成条形码信息的录入工作；作为U盘的接口，将测量存储的信息保存到U盘。
图2-1系统整体方案
本系统设计在完成之后，系统将在以下几个方面将拥有明显的优势：
（1）水分测定的范围广，可以对包括玉米在内的十余种谷物品种的含水率测量；
（2）水分测定速度快，采用电容法测定方式，对谷物水分测定快速、方便；
（3）数据保存、统计、汇总效率高效，便于记录和查询；
（4）人机交互界面明朗清晰、操作过程高度自动化。
1.4.2设计方案
本设计结合国内小区育种现状，在充分考虑到自身设计水平限制后，决定设计完成一项集条形码识别，小区育种收获水分、重量测产，数据保存、U盘导出，不干胶打印于一体的农业小区育种智能化测产系统。
系统通过选用昆仑通态工控机解决条形码USB输入、数据保存、U盘导出.scv格式文件等问题；通过选用电容式水分仪解决水分速测、以及精度要求高的问题；通过选用高精度称重模块，解决称重重量问题；最后利用单片机作为数据分析处理芯片，完成整个系统。
系统研究具体实施方案如下：
（1）小区育种基地进行实地考察研究，了解系统设计实际需要，目前存在的问题；
（2）参观学习其进口引进的小区育种收获测产系统，学习国外优秀的设计理念；
（3）方案设计，明确设计思路；
（4）系统PCB绘制，以及芯片焊接测试；
（5）系统软件设计，完成系统各个模块的调试工作；
（6）整体调机工作，软硬件调试，整机协调工作，稳定性测试，优化设计。
2系统机械结构设计
2.1机箱壳体设计
本系统就设备的机箱进行了工业生产化设计，主要用于固定触摸屏、打印机、打印机控制板、主控电路、外设USB接口、电源接口以及外接控制信号线等设备。
首先本系统利用软件UG对机箱壳体进行了三维立体设计，经历数次方案的更改后最终定型为酷似ATM机形状的机壳。
三维图绘制完成后，再对三维立体图进行CAD平面绘制，最后送入小型工厂加工。
加工材料采用1厘米厚的不锈钢板，通过激光打孔，完成各个部件的切割，最后进行焊接磨边等工作。
机壳三维设计图如下图所示：
图2-1机箱壳体侧面、正面
图2-2机箱壳体后盖、触摸屏固定板
下面再介绍下触摸屏机壳上的开关、航空插头以及USB分线器等几项设备接口。
系统开关采用的是带24V灯的16mm自锁不锈钢电源开关，其具有机械寿命和电气寿命久、性能较稳定；绝缘性好；灯珠寿命长等优点。
航空插头的优势在于可经常插拔，而不影响接触良好行。
USB分线器，把一个USB接口扩展为多个，方便接入多个外设：
U盘、鼠标、条形码扫描枪等。
机壳上方还放置了塑料伸缩拉手、搭锁扣、90度合页等。
图2-3开关接口、航空插头接口、USB分线器
机壳组装完毕后，外形酷似ATM取款机的风格，倾斜的屏幕下方是电源开关以及打印机出纸口。
上方为伸缩把手，方便搬移机壳。
后面则是搭锁扣打开后的机壳内部，可方便更换打印纸和对电路进行调试或者更换设备。
系统最终定型后会将更多的控制电路移动至机壳内部，并将机壳剩余部分加上隔板用于储物只用，放置鼠标、条形码扫描枪等设备。
下图为机壳装机后的展示图片：
图2-4组装实物图
2.2称重料筒机械设计
称重料筒采用的是悬挂方式进行称重，选用横杆固定“S”称重传感器的上侧，传感器下侧固定料筒。
称重料筒落料方式则采用推拉式方法。
沉重料筒下部有合页完成开合任务，方案采用电动推杆对合页进行开合控制，以完成落料。
方案中将推杆置于料筒内部，避免了因放在一侧造成的不平衡问题，使得称重传感器更加准确的测量小区收获种子的重量。
桶内横梁是可拆卸的便于电机的更换调整，下一步桶内横梁也将被做成圆弧型，彻底避免落料不完全的问题。
图2-5推拉合页落料方式
2.3水分测量取料设备
水分测量取料设备，采用斜坡落料，中间的圆口收集种子籽粒，其余溢出部分随斜坡滑入称重料筒。
柱形结构用于收集水分检测样品。
图2-6落料斜坡
取样料筒采用柱形结构，由上下两部分组成，上不为带斜口的柱形结构，以适应落料斜坡的角度，同时兼顾料筒整体体积，消除取样体积对水分测量的影响。
中间隔离层用于挡板设计，取样完毕后通过下部柱形结构落入水分仪料筒，进行水分测定。
图2-7取样料筒
柱形结构的取样料筒中间隔板用于封死料筒，当料筒样品收集接收后，挡板打开样品进入下一层的水分仪料筒。
挡板的开合通过电动推杆拉动，200mm/s的速度保证取样的谷物能够快速落料，保证水分仪料筒空气排空彻底。
图2-8取样料筒挡板口、挡板动作电机
2.4水分料筒卸料设备
通过取料料筒的玉米进入水分仪料筒进行水分测定。
测定完毕后，水分仪卸料装置启动，通过电机装置带动滚轴转动完成卸料任务。
电机滚轴通过铝制联轴器与固定在轴承座上的直线光轴连接，直线光轴上的水平托台用于固定水分仪料筒。
图2-9水分仪反转卸料电机
水分仪料筒跟随直线光轴转动，完成卸料任务。
由于存在卸料不完全或卸料洒落情况，水分仪卸料装置下方又设计了一个斜坡结构，水分仪料筒的谷物会通过斜坡顺利完成卸料，并正确落入下方的接料设备中。
图2-10卸料斜坡装置
2.5测产系统整体框架
工业铝型材在机械结构的搭建中应用十分广泛，具有极强的通用性[4]。
工业铝型材切割方便，满足各种长度支架的快速加工制作，通过其匹配的3角铝合金配件和方形螺母块完成固定。
系统设备上加入带脚刹的万向轮，即能够方便的对设备进行移动，又能很好的固定。
在系统完全定型后再使用更加适合工厂化生产的焊接工艺完成设备整体装配。
图2-11工业铝型材及其装配组件、带刹车万向轮
系统机械设计完成后将包括触摸屏机壳、谷物称重料筒、谷物样品收集装置、谷物样品落料装置、整体框架等几个部分。
其中电源通过触摸屏机壳接入系统，触摸屏机壳与设备其他部分连接则通过航空插头连接。
总体机整体图如下：
图2-12整体装配图
3系统硬件电路设计
3.1主控芯片
在单片机的选型方面，本设计在众多芯片中筛选出STC12C5A60S2、MPS430F149、STM32F103C8三款单片机，最后通过下表所列flash、串口数等几项要求，对比权衡后选中STC12C5A60S2。
表3-1单片机型号参数对比表
型号
工作电压
flash
串口
引脚数
封装
价格
STC12C5A60S2
3.5-5.5V
60K
2
40
LQFP44
¥5.5
MPS430F149
1.8-3.6V
60K
2
48
LQFP64
¥14.5
STM32F103C8
2.0-3.6V
63K
3
37
LQFP48
¥8.5
3.1.1单片机最小系统
STC12单片机的硬件最小系统指的是能够满其运行的最小硬件电路组合。
其主要包括：
5V电源电路、复位电路、晶体振荡器电路三个部分[5]。
下面我将简单介绍一下STC12的上电复位电路和晶体振荡器电路。
（1）上电复位电路
单片机的复位电路是为了使单片机进入复位状态的硬件电路结构。
单片机的上电复位电路是在单片机上电色时候，在RST引脚施加两个时钟周期以上的高电平。
利用RC电路的充放电效应，高电平信号随着电容的充电而逐渐降低，当RST引脚下降沿进入低电平后，单片机重新开始执行系统程序[6]。
图3-1STC12上电复位电路
（2）晶体振荡器电路
单片机在外接无源晶振为12MHz时，设置串口波特率的误差率已经达到0.16%。
当其为11.0592MHz时，误差率能够达到0.00%。
就此标准而言后者在串口波特率设置上明显优于前者，因此系统果断采用后者接入硬件电路。
在此时晶体振荡器两端的接地电容一般选择C2=C3=30±10pF。
图3-2晶振电路
下图3-3即为，5V电源、复位电路、晶体振荡器电路三部分组成的电路。
原理图还通过网络标号的方式，给出了各个引脚所连接设备引脚，详细见下一小节单片机外设接口部分。
图3-3单片机最小系统
3.1.2单片机外设接口
在本设计中单片机最小系统与其他外设的接口有串行通讯引脚、称重模块引脚、水份仪模块引脚、电机控制引脚等几部分。
与触摸屏通讯采用RS-485通讯方式，与水份仪通讯采用RS-232通讯方式，称重模块采用的是芯片HX711，电机控制采用的是通过芯片BTN7960。
表3-2单片机外设接口连接表
I/O引脚
外接电路引脚功能
/RxD/P3.0
RS-485通讯单片机数据接收端口
TxD/P3.1
RS-485通讯单片机数据发送端口
SCLK/ADC7/P1.7
RS-485通讯发送接收控制端口
RxD2/ECI/ADC2/P1.2
RS-232通讯单片机数据接收端口
TxD2/CPP0/ADC3/P1.3
RS-232通讯单片机数据发送端口
/P3.2
称重传感器ADDO端口
/P3.3
称重传感器ADSK端口
P0.2
称重料筒卸料电机正转控制端口
P0.3
称重料筒卸料电机反转控制端口
P0.4
水分仪取料挡板电机正转控制端口
P0.5
水分仪取料挡板电机反转控制端口
P0.6
水分仪料筒卸料电机正转控制端口
P0.7
水分仪料筒卸料电机反转控制端口
在本设计中还要块单片机用于完成触摸屏与打印机控制板之间的通讯工作。
其与其他外设的接口只有串行通讯引脚，与触摸屏通过RS-485方式通信，与打印机通过RS-232通信。
本设计在此块电路板的设计时，合理利用其资源，使其作为其他外设接口的桥梁媒介，即节约了资源，又使得系统更加合理紧凑。
表3-3单片机外设接口连接表
I/O引脚
外接电路引脚功能
/RxD/P3.0
RS-232通讯单片机数据接收端口
TxD/P3.1
RS-232通讯单片机数据发送端口
SCLK/ADC7/P1.7
RS-485通讯发送接收控制端口
RxD2/ECI/ADC2/P1.2
RS-485通讯单片机数据接收端口
TxD2/CPP0/ADC3/P1.3
RS-485通讯单片机数据发送端口
3.2称重测产
称重传感器担负着小区育种收获的产量测定工作。
系统通过模数转换得到称重传感器信号，完成重量信息的获取。
它的测量精度高，测量数据稳定，且数据读取速度快。
3.2.1电阻应变式称重传感器
称重传感器输出的电压信号经24位AD转换芯片HX711对模拟信号通过128分贝增益后转换为数字信号，再通过数据线传输给单片机[7]。
单片机对数据进行处理，换算成标准重量单位，并根据具体命令完成零点标定、线性化处理、零点标定、去皮、量程转换等各项操作。
这里还需要线性回归分析的方法完成单位转换，使得信号最终转化为重量信息，便于测产系统的存储记录。
本系统采用的悬挂式称重方式，将称重物料放在称重料筒内吊起称重。
因此为避免因晃动引起的测量误差，需要在称重料筒稳定后方能保存此时较为精确的重量信息。
本设计采用的钢制“S”型称重传感器，设计成吊杆称的样式，使其承受拉力。
即S型称重传感器上方固定孔连接吊杆，下方固定孔连接称重料筒。
通过量取称重传感器的模拟信号输出，经过芯片内部放大器信号增益后，再经A/D转换得到谷物重量信息。
图3-4“S”型称重传感器
3.2.2AD转换芯片HX711
高精度模数转换芯片可直接向外部传感器提供模拟电源，使得电路整体设计不必过分关注模拟地和数字地的共地干扰问题。
芯片电路设计简单，且上电自动复位，数据读取只需要一根时钟线和一根数据线，程序读取设计方便。
图3-5AD转换芯片原理图
3.3水分测量
系统采用电容式水分传感器，通过检测电容量的变化，得到水分测量值。
系统选用较为精确的电容式水分传感器及其配套调理电路，只需要通过一个RS-232接口就能够轻松实现各项命令的操作，完成水分测量并返回水分值。
3.3.1电容法水分测定
国准规定的四种水分测定法方式均采用烘干方式得到实际水分值，其不仅对试样进行研磨至规定颗粒大小，而且烘干时间至少也要半个多小时。
这样的测试时间很难适应目前小区育种收获测产大量数据测量工作，因此速测水分传感器的需求大量涌现。
电容式水分传感器通过检测电容量的变化，间接的检测样品水分含量。
谷物水分测量仪采用筒型结构，由内外两个同轴的柱形电极组成[8]。
效果图如下：
图3-6电容式传感器结构图
谷物进入电容式水分传感器的空腔内后，介电常数的改变引发电容量的变化。
柱状电容传感器的电容为：
C==公式（3-1）
在放入谷物后的电容值会发生变化，则变化的电容值为[9]：
ΔC=C2-C1=公式（3-2）
3.3.2RS-232通讯
水分仪与主控芯片之间采用异步串行通讯方式。
系统采用的MAX232具有功耗低、单电源供电、集成度高（仅需外接4个0.1uF—1uF电容即可）、价格低、方便使用等特点[10]。
图3-7MAX232原理图
3.4机械传动电机
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