大学毕业论文-—基于小区育种的智能化测产系统设计.doc
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1、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 学 号: 20102634 指导教师: 赵丽清 2014 年 06 月 16 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11.2 国内外发展现状11.3 研究目地和意义31.4 研究方案的确立与实施32 系统机械结构设计62.1 机箱壳体设计62.2 称重料筒机械设计72.3 水分测量取料设备82.4 水分料筒卸料设备92.5 测产系统整体框架103 系统硬件电路设计123.1 主控芯片123.2 称重测产
2、143.3 水分测量163.4 机械传动电机173.5 热敏打印机193.6 条形码阅读器213.7 触摸屏工控机223.8 系统电源的设计234 系统软件的设计调试254.1 ModBus通讯协议数据分析254.2 触摸屏组态设计294.3 打印机控制程序325 系统软件和硬件的调试345.1 KEIL软件及ISP下载使用345.2 系统的整体调试376 总结39参考文献40致 谢41附录1 打印机控制板原理图及PCB的3D效果图42附录2 水分仪称重控制板原理图及PCB的3D效果图44II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
3、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
4、:小区测产;MCGS触摸屏;STC12单片机IDesign of Intelligent Yield Monitoring System Based on Plot BreedingAbstract Currently, the harvesting yield monitor of breeding plot experiments still depends on manual ways, complete yield measurements through banlance weighing, then use the portable grain moisture instrumen
5、t to measure kernel moisture, output and moisture information are recorded by hand, then aggregate and store recorded data into a computer. The system has two parts, the upper computer and the lower computer system. The upper computer uses a MCGS touch screen as a core component; the lower machine i
6、ncludes STC12 MCU, capacitive moisture sensor, resistance strain weighing transducer, non-drying glue thermal printer and barcode readers and other peripherals. The system obtains seed output information through weighing transducer, uses capacitive moisture sensors to measure the seed moisture conte
7、nt information, and outputs data to upper computer via MoudBus protocol, completes barcode input, the print and storage of output information and other links via the embedded integration touch screen. The system completes the moisture content measurement of more than ten kinds of grain including mai
8、ze, its response speed and measurement precision reach the international general measurement level.Keywords: Plot yield monitoring; MCGS Touch screen; STC12 MCUIII青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计(论文)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
9、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
10、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
11、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,
12、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
13、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,
14、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
15、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
16、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
17、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。MCGS触摸屏水份:XX重量:XX干重:XXUSB485 鼠标U盘扫描枪不干胶打印机水份传感器STC12C5A60S2主控板称重传感器电机232232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
18、.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
19、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,
20、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
21、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
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