基于射频识别技术的奶牛自动放料系统毕业论文(编辑修改稿)

基于射频识别技术的奶牛自动放料系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

环节中应用 RFID 技术，显著降低了人力成本、降低商品库存、加快商品流通。 RFID 技术在军事领域已经开始广泛应用，美国在伊拉克战争中采用 RFID 技术对弹药，枪支，物资，人员，卡车等物体进行识别与追 踪。 RFID 技术快速读取与难以伪造的特性，被广泛应用于身份识别证件。 如世界各国正在开展的电子护照，我国的第二代身份证，学生证等证件。 RFID 技术还可以用于制造业的过程管理， RFID 技术能够实时监控生产过程的各种生产数据，进行质量追踪，实现自动化和个性化生产等，在贵重和精密物品生产管理过程中应用更为重要。 RFID 技术将涉及到我们工作生活的各个方面，对人类社会的发展具有重大的影响。 南京林业大学 20xx 年毕业论文 10 3 ACFCS 系统总体设计 概述 ACFCS 即自动喂料控制系统由 奶牛识别模块、 PIC 单片机控制模块、电机驱动模块和显 示与人工设定模块等四个控制部分构成。 奶牛识别模块就是采用射频识别技术，将 RFID电子标签做成奶牛的耳标，使得奶牛具有独立的编号。 PIC 单片机控制模块 的功能是实现自动喂料的重要环节，当读到电子标签的编码，将信息采集通过串口传送到 PIC， PIC 进行查表操作，读出编码对应的 奶牛的性别、年龄、牛 的编 号等信息，并且得出预先设定好的投放料量，从而可以得到负责饲料投放的步进电机应该转动的步数 ； 显示与人工设定模块则是实时显示牛的编号以及牛的饲料量。 ACFCS 工作流程 当工人推着投放车走到牛棚里的时候，奶牛识别 模块先开始工作，它会根据读得的电子标签的编码，将信息采集并通过串口传送到 PIC 单片机里，随后单片机进行查表操作，读出编码所对应的奶牛的性别、年龄、牛 的编 号等信息，并且得出预先设定好的投放料量，从而可以得到负责饲料投放的步进电机应该转动的步数，进而驱动电机进行饲料投放动作，与此同时该奶牛的饲料量以及牛 的编 号会通过 LED 显示器显示出来，如果碰到特殊情况如因奶牛生长需要修改数据或者因读卡故障需要人工驱动放料电机等问题，还可以通过键盘进行输入操作，真正实现了方便快捷高效。 ACFCS 总体方案设计 系统 的总体设计思路是围绕着如何实现低功耗、低成本、高精度展开的。 总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。 总体方案经过反复推敲，确定了以 PIC 系列单片机为控制系统的核心，并选择低功耗和低成本的 EEPROM、射 频芯片等元 件。 系统的基本组成如图 31。 南京林业大学 20xx 年毕业论文 11 键 盘 输 入 及 L E D 显 示P I C 单 片 机E E P R O MM A X 2 3 2步 进 电 机驱 动 器R F I D读 卡步 进 电 机 图 31 奶牛自动放料系统框图 ACFCS 基本功能 ASFCS 系统能够自动测定 出奶牛 生长 过程的各项精确数据、自动生成各种表、自动绘制生长性能曲线。 为奶牛 的选择、育种提供指标参数，也可以依据饲料实际饲喂效果的精确数据，比较选择最佳配方饲料。 对于提高我国 奶场管理水平 ，促进我国 牛场 产业化升级建设创造了必要条件。 系统实现了以下各项功能 : (1) 实现饲喂和测定过程的全自动控制。 (2) 耳标识别系统对进食的奶牛 进行自动识别。 (3) 实现系统对控制设备的运行状态、测定状况、奶牛异常情况进行全面监视。 南京林业大学 20xx 年毕业论文 12 4 ACFCS 系统硬件电路设计 元件选择 在硬件系统组成确定后，就需要考虑具体的元件选择了。 元件选 择同样是以 模 块化、低成本 、低功耗 等 为原则的。 （ 1）模块化。 元件模块化有利于简化电路，优化结构，不至于使硬件系统显得过于臃肿。 也有利于电路设计简明易懂，便于理解。 （ 2）低功耗。 降低功耗，便于 电路顺畅，高效率运行。 （ 3）低成本。 成本低，有利于降低整个产品的研发成本，便于争夺市场成分。 单片机的选择 单片机的选择是整个控制系统 的关键因素。 应选用功耗低、电磁兼容性好、可靠性高、保密程度高、内置硬件看门狗电路的微控制器。 51系列单片机已比较熟悉，其特点是通用型强、堆栈丰富、编程容易等，使用十分方便。 但 51 系列单片机指令系统中， 2～ 3字节指令特别多。 当程序指针 PC 跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执行而引起混乱。 另外加密程度不高，内部无硬件看门狗电路，外部电路更加复杂。 本系统选择美国 Microchip 公司生产的 PIC 单片机作为主控芯片，哈佛总线结构、指令单字节化、 寻址方式简单、驱动能力强、 RISC 技术和运行速度快使得它在 8 位单片机领域里大放异彩。 根据系统功能需求和成本的综合考虑，采用 PIC16F873 这一款单片机作为 CPU，它具有 PIC 系列单片机的几乎全部优点，并且 28 个引脚数 使得它方 便实用， 经济实惠。 试验证明 PIC16F873 完全能达到所要求的性能。 它 将 PIC 单片机硬件设计简单， 指令系统设计简练，中断性能发达，低电压，低功耗在试验中充分得到体现。 PIC 单片机具有以下优越之处： (1)哈佛结构：在国内最常见的单片机中， PIC 系列单片机是唯一的一种在芯片内部采用哈佛结构的机型。 这里所说的“哈佛结构”就是，在芯片内部将数据总线和指令总线分南京林业大学 20xx 年毕业论文 13 离，并且采用不同的宽度，如图 所示。 这样做的好处是，便于实现“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指令的操作。 在一般的单片机中，指 令总线和数据总线是共用的。 图 PIC 单片机内部结构 (2)“单字节化”：因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存贮器 ROM 和数据存贮器 RAM 的寻址空间（即地址编码空间）是互相独立的，而且两种存贮器宽度也不同，这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现全部指令的“单字节化”。 在此所说的“字节”，特指 PIC 单片机的指令字节，而不是常说的8比特字节。 (3)精简指令集（ RISC）技术： PIC 系列单片机的指令系统（就是该单片机所能识别的全 部指令的集合）只有 35条指令。 PIC 系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。 (4)寻址方式简单：寻址方式就是寻找操作数的方法。 PIC 系列单片机只有 4种寻址方式（即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址），容易掌握，而 MCS51 单片机则为 7种寻址方式。 (5)代码压缩率高： 1K 字节的存贮器空间，对于像 MCS51 这样的单片机，大约只能存放 600 条指令，而 PIC 单片机则能够存放 1024 条指令。 (6)运行速度高：由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执 行采用了流水作业方式，使得运行速度大大提高。 (7)功耗低： PIC 系列单片机的功率消耗极低，是目前世界上最低的单片机品种之一。 (8)驱动能力强： I/O 端口驱动负载的能力较强，每个 I/O 引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到 25mA 和 20mA，能够直接驱动发光二极管 LED、光电耦合器或者微型继电器等。 本设计的使用的是 PIC16F873， 它集成了许多外设模块，能最大程度的减少了外结电南京林业大学 20xx 年毕业论文 14 路，本设计使用到的外设模块有： (1)定时器 TMR0 模块： 8位宽的可编程定时器，也可以作为计数器使用。 (2)定时器 TMR1 模 块： 16 位宽的可编程定时器，也可作为计数器，并且可以与捕捉 / 比较 /脉宽调制 CCP 模块配合，实现脉宽调制输出功能。 (3)EEPROM 数据存储块模块： 128 字节的存储器， 既可以擦除，也可以电写， 存储的内容掉电也不会丢失。 串口 EEPROM 的选择 在系统的外部设备中，要选择一种性能优越、符合实验要求的 EEPROM 来用以存储牛场中所有奶牛的信息，包括每头牛的性别、年龄、料量和放料电机应转动的脉冲数。 通过比较我们选择 AT24C64 串行 EEPROM 芯片，该芯片具有 8K 字节的存储空间，且体积小、功耗低 、 电源电压宽、 遵循 I2C总线协议 的特点。 （ 引脚图 及功能 见图 ） 图 AT24C64 引脚图 引脚描述： （ 1） 设备地址线 A A A0： 作 为设备地址输入线 ； （ 2） WP 线：写保护输入，当接地时， 允 许写操作；接高电平的时候 VCC，所有的写操作被抑制；给引脚不接，内部把它拉成低电平 GND； （ 3） SCL： SCL 输入是用于时钟信号，同步数据的输入和输出 EEPROM； （ 4） SDA： SDA 是一位一位进行数据传输，形成一个数据串，而不是并行。 该 引 脚 为漏极驱 动，可以以别的漏极开路的设备直接连接； AT24C64 设备的运行条件： 南京林业大学 20xx 年毕业论文 15 （ 1） 时钟和数据传输： SDA 脚通常被拉高在接外部设备时；数据只有在 SCL 时钟上的信号变成低电平时改变才是有效的；在 SCL 高电平，数据线变化形成开始和结束信号； （ 2） 开始时序： SCL 变成高电平， SDA 产生一个高低变化的信号，这个就是开始信号，开始信号是对卡进行其他一切操作的必须条件； （ 3） 停止时序：在 SCL 高电平时， SDA 产生一个 由 低变到高的信号，这个形成结束命令信号；停止命令必须发生在 EEPROM 在标准电压工作的条件下； （ 4） 应 答信号（ ACKNOWLEDGE）：所有的地址和数据字被串行输入输出 EEPROM（即每传输了 8 位数据）， EEPROM 在第九个时钟周期就发一个 ‘0’ 信号，作为应答已经接受了每个字（即 8 为数据）； 显示与人工设定模块设计 HD7279A 芯片选择 在 显示与人工设定 模块中既有对键盘的信息读入， 又有对数码管的显示控制。 通过比较， 我们选用键盘 /显示器专用芯片 HD7279A，这是一款串行控制芯片，能同时驱动 8 位共阴极 LED 数码管和 64 键的键盘 (8*8 键盘矩阵 )，采用动态循环扫描。 它最主要的特点就是与 单片机之间采用串行接口方式，仅占用 4 根口线，简单方便。 HD7279A 内部具有译码器，可直接接受 BCD 码或 16 进制码，并同时具有两种译码方式。 HD7279A 引脚图如下（图 ） 南京林业大学 20xx 年毕业论文 16 图 HD7279A 引脚图 表 1 HD7279A 引脚说明 HD7229A 采用串行方式与单片机通讯，串行数据通过 DATA 引脚进入芯片，并由 CLK端同步。 当片选信号变为低电平后， DATA 引脚上的数据在 CLK 的上升沿被写入 HD7279A 的南京林业大学 20xx 年毕业论文 17 缓存寄存 器内。 模块的电路设计 奶牛识别模块获取了奶牛的编号， PIC 单片机控制模块根据编 号得出了相应的奶牛信息之后，就要进入到显示模块，将奶牛的编号和饲料 量 一一 显示。 本系统采用的是两个 数码管 S05641C（四位七段） ，左边一侧的数码管用于显示牛号，从 0001 到 9999，足以满足大多数牛场的需要；右边一侧的数码管用于显示饲料量以及电机的输入脉冲数，当在料量显示状态时以公斤计，从 1Kg 到 99Kg，并且可以精确到小数点后两位。 键盘由 17 个键构成，包括 0 到 9 的数字键、小数点键、增加键、减少键、料量修改键、手 动放料键、校准键和确认键。 键盘的设置主要为了实现三种功能，第一种就是料量修改功能：当奶牛由于年龄的增长，之前设置的料量已经和现时所需要的料量不符合时，工人可以按下料量修改键，重新设置所需的量，完毕后按下确认键，在按键修改的同时数值会在右侧的数码管 一一 显示；第二种就是手动放料功能：当由于各种故障，使得系统没有能够识别奶牛的信息，进而不能驱动电机进行下料时，工人可以按下手动放料键，然后输入数据并按下确定键，就可以临时性地驱动电机进行动作，放出相应的草料，同时料量也会通过右侧的数码管同步显示；第三种就是校准功能，当奶牛的饲料品种更换时，电机转动同样步数所出的料量就有可能就会和上一批饲料的料量不同，出现偏高或者偏低的现象，所以工人在初次更换草料时就要对它进行校准，原本标准单位重量的草料对应相应脉冲数，如果新更换的草料通过电子秤称重之后显示少于标准单位重量，就要 增加相应的脉冲数，反之则应该减少，到达标准重量即为校准完成，按下确定键就将标准单位重量的草料所对应的新的脉冲数存入到 E2PROM 中，并且在校准的同时会通过右侧的数码管 将 对应的脉冲值 显示出来 ，方便工人查看。 电路设计图 南京林业大学 20xx 年毕业论文 18 1 2 3 4ABCD。