玉米茎秆强度测定仪的研制与开发毕业论文(编辑修改稿)

玉米茎秆强度测定仪的研制与开发毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

测定仪的结构与工作原理 随着科学技术的不断发展，对玉米茎秆强度测试装置的要求也越来越 高，尤其是表现二级标题：黑体、 四号、加粗 正 文均用小四号， 宋体， 倍行距， 数字、字母为 Times New Roman 2 在高灵敏度以及便携式等方面。 所以本项目在总结前人理论的基础上，利用现代先进的技术条件提出了以电子拉压力传感器测量系统作为植物生长测量装置。 电子拉压力传感器具有高灵敏、低噪声、长寿命、低功耗和高可靠等优点，发展十分迅速，此玉米茎秆强度测定仪结构简单，便于携带操作。 茎秆强度测定仪结构 实验中根据实际机械操作以及动物在咀嚼饲料时牙齿对饲料的剪切和挤压的力学原理 [3]，设计了玉米茎秆强度测定仪 ， 该测定仪由机械和控制两部分组成机械系统。 结构组成如图 11 所示。 拉 / 压 力 传 感 器行 程 传 感 器S T M 3 2发 条 传 动 机 构交 流 减 速 电 机按键信 息 采 集 部 分 执 行 机 构控 制 器显示器人 机 交 互 界 面 图 1 1 玉米茎秆强度测定仪系统组成图 信息采集依靠拉 /压力传感器和行程传感器完成；控制器负责数据的采集处理；执行机构由电动机和发条驱动装置构成；人机交互界面进行数据显示及指令读取。 玉米茎秆强度测定仪实物结构如图 12 所示。 图 12 玉米茎秆强度测定仪实物结构图 玉米茎秆强度测定仪主要由压力传感器、 BSQ2 变送器、控制用单片机、液晶显示器和上位机通信部件等几部分组成。 结构框图如图 13 所示 压 力 传 感 器 B S Q _ 2 变 送 器 信 号 处 理S T M 3 2 单 片 机采 集 数 据P C 上 位 机 波形 显 示液 晶 屏 显 示S D 卡 存 储串 口 数 据 传 输 图 13 玉米茎秆强度测定仪的硬件组成框图 三级标题（后空一格）：黑体、小 四号、加粗 小 四号宋体、加粗 3 STM32单片机认识与选择 STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 32 位ARM CortexM3 内核。 STM32 单片机是以意法半导体 (ST)公司推出的基于 ARM CortexM3 系列最高配置芯片 STM32F103ZE 为核心组成 [4,5]。 片上集成 512K flash、64KRAM、 12Bit ADC、 DAC、 PWM、 CAN、 USB、 SDIO、 FSMC 等资源，同时搭配 寸液晶屏模块可轻松实现数据的实时显示。 属于微控制器范畴 ，单片集成多种用于控制，通信，存储的外设。 系统在程序的控制下执行。 运算速度、存储容量远高于 51 单片机。 按性能分成两个不同的系列： STM32F103―增强型 ‖系列和 STM32F101―基本型 ‖系列。 增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能。 两个系列都内置 32K 到128K 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合。 时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码， STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相 当于。 具有一流的外设、低功耗、最大的集成度等特点。 基于玉米茎秆测定仪的精度与速度要求实验中选择 STM32F103―增强型 ‖系列单片机。 拉压力传感器简介与选择 传感器选用的正确与否很关键 ,它将直接影响到整个系统的测定精度，传感器是将压力信号转换成电信号的一种装置。 拉压力传感器又叫电阻应变式传感器 [6]，具有以下特性： (1)线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。 定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。 (2)灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。 其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。 用 S 表示灵敏度。 (3)迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。 对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 (4)重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 (5)漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化 ，此现象称为漂移。 产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。 根据需要传感器选用 CFBLS 型拉压力计，满量程载荷为 200KG。 输出灵敏度为。 准确度等级为 %，适用室内与室外工作，采用 S 型结构，拉压均可使用。 应用先进的密封工艺，能在高湿度的环境中工作。 具有较强的抗扭、抗侧和抗偏载能力，其各项指标性均能符合实验要求。 液晶显示屏的选择 显示出的内容可以把系统内部的运行参数和状态及时的显示出来，反馈给用户，用户根据显示的内容来判断和 决定对系统进行相应的操作。 用户也可以得到系统内部的数据以 4 做他用。 较早的显示器为 LED 显示，组成 LED 显示器的主要元件是发光二极管。 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 pn 结 [7]。 在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。 当它处于正向工作状态时（即两 端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关；当处于反向工作状态时，发光二极管反向截止，不发光。 LED 的工作原理很简单，但是它的体积较大，而且功耗相对来说较高。 而随着电子技术的飞速发展，越来越多的领域需要应用以单片机为核心的便携式仪表和测试仪。 而这就要求尽可能的缩小仪器的体积并降低其功耗。 因所设计的作物茎秆抗倒伏强度测定仪主要在田间工作 ,为了使其在田间太阳光线较强的情况下清晰显示且耗电低 ,不能选用数码显示管，而选用液晶显示屏。 这里选择 TFT ( Thin film Transistor，薄膜晶体管）屏幕，它也是目前实验中最普遍采用的显示屏。 液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通电时导通，则排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线的通过。 光线的通过和不通过的组合就可以在屏幕上显示出图像来。 简单点说，液晶显示器就是在两块玻璃中间夹了一层液晶材料（有的是多层液晶材料），液晶材料在控制信号的控制下可以改变自身的透光状态，当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。 大多数液晶都属于有机复合物 ，由长棒状的分子构成。 在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。 将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。 这样根据不同的组合就能在玻璃面板前看到图像了。 茎秆强度测定仪工作原理 本设计拟以 STM32F103 单片机为核心，利用其内带 AD 转换器采集压力传感器数据，并通过液晶屏进行可视化显示。 同时还可利用 STM32F103 单片机开发板上的串口传输功能实现与上位机之间的通信，由此可更方便的实现数据的读取与操作。 数据采集模块原理 本 项目主要采用 STM32 单片机作为主控单片机，检测装置初步采用 S 型拉 /压力传感器作为前端传感器，以交流减速电机控制刀片，使刀片匀速切割玉米秸秆，然后将拉压力信号转变为电压信号，再经过变送器进行数据处理，最后将采集的数据信号输送至单片机。 数据采集原理简图参见图 14 5 图 14 数据采集原理图 微机处理数据原理 STM32 单片机将采集的拉压力信号和行程信号进行处理测量后进行液晶显示屏实时显示和 SD 卡数据存储。 同时单片机还控制交流减速电机的运作，通过 USB 接口与上位机之间进行数 据显示和存储，微处理机硬件系统如图 15 所示。 图 15 微处理机处理数据原理框图 2 机械系统设计 机械系统主要由刀片、交流减速电机、发条驱动装置和拉压力传感器等组成，具体结构如图 21。 拉压力选择键 清零键 压力信号 行程信号 运动方向控制键 图像缩放键 TFT 屏实时显示 SD 卡数据存储 STM32 显示 上位机 减速电机 存储 作物茎秆 剪切力 拉压力传感器 STM32单片机 传感器 数据处理 电压信号 6 1. 底座 2 . 支架 3 . 刀片 4 . 定刀片 5 . 刀座 6 .传感器 7 . 下行程托板 8 . 传动板连轴 9 . 上行程托板 10 . 限位开关 11 . 固定板 12 . 电机固定螺杆 13 . 交流电机 14 . 传动轴 15. 联轴器 图 2 1 玉米茎秆强度测定仪简图 仪器运行模式 该系统主要采用电动模式，采用交流减速电机带动传动轴转动。 传动轴通过丝杠提升或下放行程托板，从而带动传感器跟随刀片运动。 作物秸秆放在刀片的刀口中。 实现刀片的上升下降，当刀片运动时秸秆处于刀口与定刀片之间，由于两者之间的相对运动从而挤压秸秆，很好的模仿农业机械切割或者动物咀嚼切断秸秆的动作。 在调速器的配合下交流减速电机可实现十个档位速度输出。 为方便切割测量不同形状的玉米茎秆，实验中采用不同 动刀片，动刀片如图 23 所示，由 1 毫米厚的不锈钢片切割而成。 刃口形状最初设计为矩形，在试验中由于秸秆会产生左右移动，从而影响系统稳定性，最终修改为带有倒角的三角形。 还有不同直径的圆形刀片。 刃口不进行打磨，以减少锋利程度对试验结果的影响。 定刀片为两片宽为 15 毫米的不锈钢片，中间留有 毫米的空隙供动刀片穿过。 图 23 动刀片结构简图 五号 、宋体 7 3 控制系统硬件设计 控制系统以 STM32 单片机 为核心组成嵌入式控制平台既增强了系统的功能，又使研发成本得到控制，具有很好的实用性。 控制系统硬件部分包括信号放大电路，信号反向电路。 信号放大系统 信号放大电路由负电压产生电路和信号放大器组成。 负电压产生电路由 7808 稳压芯片及 ICL7660S 电压变换器组成。 ICL7660S 是单片集成 CMOS 电压变换器，与同类芯片相比能保证显著的性能优势。 它可以承受较宽的输入电压能提供从 到 12V 输入范围的正电压到负电压的转换。 由于 S 型拉压力传感器传感器标准输出为 0~20mv，为了能对应输出检测 0~200kg，我们需要将 20mv 的信号放大至 以便提高单片机的信号检测能力，我们增加了一级信号放大环节，结构如图 31。 R2 为管脚 1 和管脚 8 之间的放大电阻，由于 R1 由片内设定，由反向器增益 k=R2/R1 可知，只需将 R2 设定为适当值便可得到理想放大倍数。 图 31 放大电路结构 所研制仪器信号放大系统采用 AD620AN 芯片。 引脚图如图 32。 图 32 AD620 引脚图 AD620 芯片具有易于使用，出色的直流性能，低噪声，出色的交流性能等特点，其电压 供电电压为 +～ +18V，增益范围为 1～ 1000，只需一个电阻即可设定。 其性能高于 3 运放分立放大器设计，采用 8 引脚 DIP 和 SOIC 封装。 同时还具有低功耗特点，最大1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 6 J u n 2 01 0 S he e t o f F i l e : C : \ P R O G R A M F I L E S \ D E S I G N E X P L O R E R 9 9 S E \ E X A M P L E S \ S h e e t 1 .D D BD r a w n B y:V i n1GND2V o ut3MC7 8 0 8R6 1 0 KR5 1 0 KR8 2 0 KR4 2 0 KR3 1 0 KR1 1 0 0 KR75KR21 0 0 KC20 . 1 u fC30 . 1 u fC41 0 u fC50 . 1 u fC70 . 0 1 u fC11 0 0 u fC61 0 u f1 2V D11 82 73 64 57 6 6 0 s1 82 73 64 5A D 6 2 0 A ND2 信号输出传感器电源正传感器电源负传感器信号正。