电气工程及其自动化毕业设计-奶牛发情检测仪的研制与开发.pdf

1、 . . 山东农业大学 毕 业 论 文 奶牛发情检测仪 的研制与开发 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程 2 班 届 次 2015 届 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 副 教 授 二 一 五 年 五 月 三 十日 装 订 线 . . i 目 录 摘要 . I Abstract . II 1 引言 . 1 1.1 常见的奶牛发情检测技术 . 1 1.2 自动化的奶牛发情检测技术 . 2 1.3 该项目的研究意义 . 2 2 奶牛发情检测仪的硬件设计 . 3 2.1 奶牛发情测定仪结构 . 4 2.2 MSP430 单片机的选择与介绍 . 4 2.3 震动、姿态、温度传感器简介

2、与选择 . 8 2.4 TL431 和 FM24CL16 芯片概述 . 11 2.5 无线通讯模块概述 .12 3 集成电路的设计 .13 3.1 电路设计的原理图与实物图 .13 3.2 Altium Designer 介绍 .14 3.3 PCB 板设计的工作流程 .15 3.4 PCB 板抗干扰的设计 .16 4 软件系统设计 .17 4.1 主程序控制 .17 4.2 姿态传感器、震动传感器的信息采集 .17 4.3 外部中断与定时器中断的处理 .18 4.4 PT1000 温度传感器 AD 转换处理 .19 4.5 低功耗处理 .21 4.6 程序的调试与仿真 .21 5 试验结果与

3、分析 .23 6 结论 .25 参考文献 .26 致谢 .28 附录 .29 i Contents Abstract . II 1 Introduction . 1 1.1 Common oestrus detection technology . 1 1.2 Automatic cow oestrus detection technology . 2 1.3 The research significance. 2 2 integrated circuit design. 3 2.1 The cow oestrus detection structure . 4 2.2 MSP430 Sin

4、glechip. 4 2.3 The introduction and selection of the sensor . 8 2.4 The description of TL431 and FM24CL16. 11 2.5 Summary of wireless communication module . 12 3 integrated circuit design. 13 3.1 The principle diagram and the real figure of circuit design . 13 3.2 Altium Designer introduction . 14 3

5、.3 PCB The PCB working process of the design . 15 3.4 PCB anti-interference design . 16 4 The software system design . 17 4.1 Main process control . 17 4.2 Attitude sensor and Shock Sensor information collection . 17 4.3 The processing of external interrupt and timer interrupt . 18 4.4 The PT1000 te

6、mperature sensor AD conversion . 19 4.5 Low power consumption . 21 4.6 The debugging and simulation of the program. 21 5 Test Results and Analysis . 23 6 Conclusion . 25 References . 26 Acknowledgement . 28 Appendix. 29 I 奶 牛 发 情 检 测 仪 下 位 机 的 研 制 与 开 发 摘 要 ： 在 奶 牛 养 殖 中 ， 奶 牛 的 发 情 检 测 在 奶 牛 的 繁 殖

7、管 理 中 起 到 至 关 重 要 的 作 用 。 为 了 能 够 对 奶 牛 发情 进 行 连 续 实 时 的 自 动 检 测 ， 本 文 主 要 介 绍 一 款 便 携 、 精 确 、 实 用 的 奶 牛 发 情 检 测 仪 。 本 项 目 主 要 采用 msp430 单 片 机 作 为 主 控 单 元 ， 通 过 温 度 传 感 器 、 姿 态 传 感 器 、 震 动 传 感 器 实 时 测 量 奶 牛 的 体 温 变化 、 姿 态 变 化 、 运 动 量 变 化 ， 然 后 通 过 msp430 单 片 机 进 行 数 据 的 采 集 ， 并 且 存 储 到 外 部 存 储 器 中 ，

8、通 过 串 口 通 讯 ， 把 外 部 存 储 器 中 的 数 据 传 到 上 位 机 ， 进 行 数 据 的 分 析 整 理 ， 根 据 奶 牛 活 动 量 、 静 卧 时间 和 体 温 的 变 化 可 以 辅 助 判 断 奶 牛 是 否 处 于 发 情 期 和 奶 牛 的 健 康 状 况 ， 本 文 主 要 讲 述 其 下 位 机 部 分 。关 键 词 ：奶 牛 发 情 检 测姿 态 变 化震 动 传 感 器II Research and Development of Detection System for Dairy Cow Oestrus of Lower Computer Abst

9、ractIn the cow cultivation,the detection of cow oestrus plays an important role in cows reproduction management. To be able to for continuous real-time automatic detection of cow oestrus,this paper mainly introduces the precision of a portable, corn stalks, practical detection for dairy cow oestrust

10、ester. The project mainly adopts single-chip microcontroller as the master MSP430,measuringthe temperature change of cows, attitude change, physical activityin real time by temperature sensor, posture sensor, vibration sensor,and then the MSP430 MCU acquiresthe dataand storagesto the external memory

11、, bya serial port communication, the external memory thePCacquires the datathroughthe external memory,and analysis data.The project is based on ascending of activity quantity, decreasing of lying time and raise of body temperature when the cow is in heat, to decide a cow whether is in the oestrus pe

12、riod.This paper mainly introducesthe part of lower computer.Keywords: detection for dairy cow oestrus;attitude change; vibration sensor1 1 引言 奶牛业是经济、高效的畜牧产业， 是现代农业的重要组成部分。在我国，奶牛业是畜牧业乃至整个农业的重要组成部分和分支产业，是保持我国奶业持续健康发展，优化农业结构，建设现代农业的需要；是促进产业进步，增加农民收入的需要；是改善居民膳食结构，增强国民体质的需要；在国民经济和社会发展中占有重要地位。 最近几年，我国奶牛养殖

13、量逐年升高， 2010 年 6 月 印发的全国奶业发展规划中指出 2008 年全国奶牛存栏量达到 1233.5 万头，是 2000 年的 2.5 倍，奶类产量 3781.5 万吨，是 2000 年的 4.1 倍，我国奶类产量已跃居第三位，成为奶类生产大国，基本目 标是2013 年全国奶牛存栏达到 1500 万头，奶类产量达到 4800 万吨（农业部， 2010）。 2011年 9 月印发的全国畜牧业发展第十二个五年规划（ 2011-2015 年）要求大力推进奶牛标准化规模养殖，到 2015 年全国年存栏 100 头 以上奶牛规模化养殖比重由 2010 年的 28%提高到 38%以上，乳制品产量

14、达到 5000 万吨（农业部， 2011）。由此看来，奶牛养殖业正由小型离散型奶牛养殖户向大规模规范化奶牛场发展。 1.1 常见的奶牛发情检测技术 在奶牛养殖业中，奶牛的发情检测具有重要地位，及时发现奶牛发情有利于奶牛的及时受孕、产犊并延长奶牛的泌乳期，提高其年产奶量。 简单而有效的奶牛发情鉴定方法是奶牛生产及繁殖育种工作的重要环节。现在鉴定奶牛发情的诊断方法主要有三种方式： (1) 外部行为观察法 发情奶牛一般都有明显的外部行为表现。如兴奋不安，哞叫，弓腰举尾，运步次数增加，频繁排尿；反刍、采食和泌乳减少，追爬其它牛或静立接受爬跨等。临床上上述征侯由弱到强，后又逐渐减弱至消失。而在发情初期表

15、现出兴奋不安等征候，但不接受其他母牛的爬跨。实践表明 ,当奶牛被其他母牛爬跨而站立不动 ,有 90%的 可能断定该头母牛处于发情阶段， 而追爬他牛只有 30%的可能。对发情牛与非发情牛每小时的爬跨次数、被爬跨次数、运步次数的观察可以较为准确的判断出奶牛是否处于发情期。 (2) 激素测定法 奶牛处于发情阶段时 阴门部有规律地流出粘液。在发情初期，粘液量少，且清亮透明、稀薄、 牵缕性中等，有流动性， pH 值偏酸；到发情 中期时，粘液逐渐增多，变为半透明 ,牵缕性和 pH 值增加；而到发情后期时，粘液又 减少，粘稠如玻璃棒状，牵缕 性很强， pH值中性偏碱。在发情奶牛躺卧休息时，常能见到大片透明、

16、清洁粘液从阴门流出，有时可达 300500ml，站立时常悬吊于阴门外 (称为吊线 )，遇到这种情况一般即可认定该牛正在发情阶段。 (3) 直肠检查法 鉴定奶牛发情时，可以通过直肠触摸卵巢和子宫来获得判定发情依据。发情奶牛其中一侧卵巢可以触摸到处于一定时期的卵泡，二侧无功能黄体存在 ,子宫略硬一些，且子宫收缩反应强。由此可以断定奶牛处于发情时期。 2 1.2 自动化的奶牛发情检测技术 而随着自动化技术 的普及和现代信息技术的发展，养牛业从传统的生产管理 方式向现代化的科学养殖方式转变，科学化的奶牛养殖将成为一种趋势 。 目前常用的 发情测定器主要包括以下三种： (1) 颌下钢球发情标志器 安装在

17、检测动物的下颌处，由一个固定在皮革绞索上的顶端汗一个钢球阀的贮染料容器组成。当一个检测动物爬跨一头发情母牛时，这个装置中的染料就会从钢球阀中流出，在发情母牛的背部和臀部留下记号。这样就可以轻松的从牛群中找出有标记的母牛进行人工受精。 (2) 发情探测器 这是一种摩擦激活的装置，使用时安装到将要进行配种母牛的尾根处。他们易于使用，且具有自粘性。当一头母牛在安静站立发情期被爬跨时，发情探测器的表面就会被摩擦掉，露出下面一个红色、绿色或是黄色的标志。 (3) 卡马氏发情爬跨探测器 在奶牛尾根部粘贴这种塑料装置。在尾根和探测器背面粘上胶布，使他们固定在一起。将箭头指向前方，用力将探测器按压到合适位置，

18、同时避免 压到塑料泡。这个装置在被爬跨牛挤压之前会一直保持白色。来自爬跨牛胸部的持续性压力会将装置原来的白色变成红色。但至少需要用一头母牛的重量在这个装置上压三秒，才能使探 测器的颜色发生呢改变。这就意味着检测出的母牛必须要站立不动被爬跨，而不是仅仅被短暂地爬跨一下。在使用发情爬跨检测器之前，必须要对母牛的两个胯骨之间的区域进行彻底的清洁和刷拭。 1.3 该项目的研究意义 随着计算机信息化技术的不断发展和普及，广大奶牛养殖户期待自动化程度更高检测仪器的应用。 根据英国每日邮报报道，英国农场很早就已经开始运用计步器来检测奶牛是否处于发情期。报道称，奶牛在发情的时候很会“掩饰”。除了增加四处活动量

19、时，几乎看不出什么异常，而这种计步器则会测量奶牛的活动量、运动频率的变化，以此来判断奶牛是否处于发情期。 因此，奶牛发情辅助检测系统把现代科学技术引入奶牛养殖，采用振动传感器、姿态传感器和温度传感器分别实时检测奶牛活动量、静卧时间和体温变化情况，进行数据分析和处理，准确的判断奶牛是否处于发情期，具有功耗低、性能稳定、性价比高、体积小、操作灵活方便、扩展性好等特点。既可以节 约劳动力成本，也可以保证检测的准确率和高效率，符合我国奶牛养殖行业规模化、集约化、高产化、科学化的发展要求，对提高我国奶牛业的科学化发展具有积极的现实意义。 3 2 奶牛发情检测仪 的 硬件设计 随着科学技术的不断发展，对

20、奶牛发情 测试装置的要求也越来越高，尤其是表现在 精确度、低功耗、 便携式等方面。 陶兴平等人研究了一套基于 CC1110 的奶牛计步数采集系统，该系统以无线单片机CC1110 为控制单元，运用三轴数字式加速度传感器 SMB380 对奶牛走路步数进行采集，从而根据运动量的变化特征判断奶牛是否处于发情期。 柳平增等 设计 了一套奶牛 发 情期自 动检测 系 统 ，采用 计 步器采集奶牛的活 动 信息， 计步器采集信息后通 过无线传输 的形式 传输给 上位管理机 进 行分析 处 理， 帮 助奶 农监测 奶牛的发 情期以便于奶牛 及时 受孕，采用 TI公司生 产 的 MSP430F149作 为计 步

21、器的微控制器，具有体 积 小、低功耗等特 点 。 赵读 俊等 设计 了一套基于 ZigBee技 术 的奶牛活 动 量采集系 统 ，以 无线 射 频 芯片 CC2430为 核心，利用 ZigBee无线传 感器网 络 技 术 ，在奶牛 养 殖 场组 成一 个无线网络 。通 过该无线网络定时 采集奶牛的活 动量数 据，并 进 行 数 据分析 处 理，以判 别 奶牛是否 处于发 情期。 以上几种的研究中，虽然都已取得了一定的进展并且在实际的应用实践过程中都取得了不错的效果，但仍然存在这一些个不足之处。大部分的研究只是活动量的变化作为判断奶牛发情的单一标准，大大降低了奶牛发情检测的准确率，有些通讯长度达

22、不到要求，不适合大型的农场的应用。 基于上述的分析，硬件设计应该满足以下几个要求： (1) 体积小：由于终端检测装置固定在奶牛后腿上，为了使奶牛戴上此装置后不影响其正常的生理活动，不能让其感到不适应，所以尺寸要尽量的小，重量要尽量的轻。 (2) 功耗低：终端检测装置采用电池供电，要求电池能连续工作一年以上。考虑到使用环境，要求具有防水功能，所以装置是密封的，而且数量多，就会给更换电池带来麻烦，若频繁的更换电池，就要投入大量人力和时间。低功耗可以节约能源、延长电池使用寿命，减少了频繁更换电池带来的人力和时间的浪费。 (3) 可靠性高：要求整个系统硬件设备和软件都能可靠、稳定地工作。提高系统的抗干

23、扰能力，保证系统的可靠性。 (4) 终端检测装置具有抗震、抗压、防潮、防水、防冲击等功能。因为终端检测装置使用环境是在室外，条件比较恶劣，在设计检测装置的外壳 及选材时要注意此项要求。 本项目在总结 前一代产品 的基础上， 增加非易失性存储器 FM24CL16，防止掉电数据丢失，增加数据存储能力。 PT1000 温度测量电路增加 TL431 基准电源提高稳定性，加大上桥臂电阻阻值为 10k 降低基础功耗 。 4 2.1 奶牛发情 测定仪结构 图 2-1 奶牛发情 测定仪 下位机 系统组成图 信息采集依靠 震动传感器、姿态传感器、温度传感器 完成；控制器负责数据的采集处理； 通过串口通信将数据传

24、递到 PC 中。 2.2 MSP430 单片机 的选择与介绍 微处理器作为应用系统的核心部件，它的选择对整个系统的性能起着至关重要的作用。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有 8 位的 51 系列单片机、增强型的 16 位 单片机、 32 位的 ARM(Advanced RISC Machines)芯片以及面向大型数字信号处理的数字信号处理器 DSP(Digital Signal Processor)。 51 系列单片机作为从 20 世纪八十年代就开始流行的处理器，到目前为止依然保持着价格低 廉，开发技术成熟，应用广泛的特点。 51 系列单片机是目前应用最为广泛的一类微处理器，它以低廉的

25、价格和强大的功能，受到广大电子设计爱好者和工程师的欢迎。 51 系列单片机内部具有丰富的硬件资源，例如定时器 /计数器、中断系统、串行接口，并且它还提供了详尽的指令操作系统，可以供程序员很方便地进行程序设计。由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。51 单片机应用的主要 应用 领域有： (1) 工业自动化控制 工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一 。 如各种测控系统 、 过程控制、机电一体化 、 PLC 等 。 在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。 (2) 智能化仪表 采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故

26、障诊断、联网集控等。 虽然 51 单片机在现代生产、生活上有着广泛的应用， 但是其不足之处在于功能过于简单，计算能力有限，并且扩展麻烦、功耗大，已经不能适应于目前对低功耗功能和速度的要求，特别是一些使用电池供电的便携式设备。 MSP430 单片机 系统 无线通讯模块 电源 信息 检测 部分 震动传感器 姿态传感器 温度传感器 5 DSP 芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，由于 DSP 芯片体积小， 运算速 度极快，精度高，接口方便，特别适合处理复杂的数字信号处理算法。 DSP的应用范围有： (1) 数字化移动电话 数字化移动电话尽管花样繁杂，但基本上可划为两大类：高速移动电话

27、和低速移动电话。 数字化移动电话（包括高速和低速）的每个手机，都要用至少 1 个 DSP 器，因此，高速发展的数字化移动电话急需极为大量的 DSP 器件。 (2) 数据调制解调器 众 所周知，数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。随着高性能调制解调器不断出现，似乎低速的调制解调器如像 V 17（ 14 4Kbps）再也没有用武之地。事实上，刚刚相反，如今信息家电抬头，例如 PHS 母机留守电话与个人 FAX 一体化的产品大量上市。这就是说， V 17（ 14 4Kbps）型的调制解调器仍有市场。于是，各种调制解调器里要求的 DSP 也是多种多样的。 (3) 汽车电子系统及其它应用领

28、域 汽车电子系统日益兴旺发达起来，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用 DSP 进行分析。如今，汽车愈来愈多， 防冲撞系统已成为研究热点。而且，利用摄像机拍摄的图像数据需要经过 DSP 处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。 从 以上 阶段各种 DSP 器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量 数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用。而且目前其价格较高，开发技术难度大。 ARM 芯片具有体积小、功耗低、低成本和高性能的特点 ， 基于 ARM 核的 微控制器 芯片不但占据了高端 微控制器 市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微

29、控制器应用领域扩展， ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8 位 /16 位微控制器提出了挑战。 (1) 无线通信、便携式产品 目前已有超过 85 的无线通信设备采用了 ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 ARM 在此方面的应用如：手提式计算机、移动电话、 PDA 等。 (2) 数字消费产品 ARM 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒、游戏机、数码相机、数字式电视机、 GPS、机顶盒中得到广泛采用。现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术，手机中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技术。 但是与 DSP 器件一样 ， 不适合应 用在小型系统的场合。 系 统设计 中， 为 保 证 各器件能 够长时间 的工作，要 尽 量 选择 集成度高、功耗低的元器件，特 别 是 选择具 有休眠功能的元器件， 这 是降低系 统 功耗的直接途 径 。作为系统的下位机，终端检测装置由于采用电池供电，首先要解决的最大问题就是功耗问题，综合以上因素，本系统选用 TI 公司的新型 16 位超低功耗单片机 MSP MSP430F2122，该类型单片机具有功耗超低的特性，并用模块化内存映像相应的模拟与数字外设，大大简化了系统的