1、 . . 山东农业大学 毕 业 论 文 玉米茎秆强度测定仪的研制与开发 院 部 学院 专业班级 班 届 次 2017 届 学生姓名 学 号 指导教师 教授 二 一 七 年六月十日 装 订 线 . . 中文题目用小二、 黑体加粗。 四号宋体 i 目 录 摘要 . I Abstract . II 引言 .1 1 茎秆强度测定仪的结构与工作原理 .1 1.1 茎秆强度测定仪结构 .2 1.1.1 STM32 单片机认识与选择 .3 1.1.2 拉压力传感器简介与选择 . 3 1.1.3 液晶显示屏的选择 .3 1.2 茎秆强度测定仪工作原理 .4 1.2.1 数据采集模块原理 .4 1.2.2 微机
2、处理数据原理 .5 2 机械系统设计 .5 2.1 仪器运行模式 .6 2.2 仪器切割刀的设计 .6 3 硬件系统设计 .7 3.1 信号放大系统 .7 3.2 信号反向系统 .9 3.2.1 信号反向电路的应用 .10 3.2.2 电机正反转控制原理 .10 3.3 SD 卡存储系统 .10 3.4 自制集成开发板 . 11 3.4.1 Altium Designer 6.0 介绍 .12 3.4.2 PCB 板设计的工作流程 .16 3.5 控制器版面简介 .14 4 软件系统设计 .14 4.1 键功能处理 .14 4.2 数据显示 .14 4.3 中断处理 .15 4.4 A/D 转
3、换最佳精度设计 .15 4.4.1 误差来源与分析 .16 4.4.2 硬件如何减小 ADC 误差 .16 4.4.3 软件如何减小 ADC 误差 .17 4.5 上位机通讯程序设计 .17 4.6 测量参数及其计算方法 .17 4.7 过载及做功程序设计 .17 4.8 信号稳定性分析与设计 .18 5 试验结果与分析 .20 5.1 仪器主要技术参数 .20 5.2 测定数据分析 .21 ii 6 结论 .22 参考文献 .24 致谢 .24 附录 .25 获奖证书 .46 iii Contents Abstract . . . II Introduction . 1 1 The stem
4、 strength tester structure and working principle . 2 1.1 Stem strength tester structure . 2 1.1.1 STM32 microcontroller understanding and choose . . 3 1.1.2 Pull pressure sensor profile and select . 4 1.1.3 LCD choice . 4 1.2 Stem strength tester working principle .5 1.2.1 Data acquisition module pr
5、inciple . .5 1.2.2 Microcomputer data processing principle . 6 2 Mechanical system design . 6 2.1 Instrument operation mode . .7 2.2 Instrument cutting knife design .7 3. Control system hardware design . .8 3.1 Amplification system . .8 3.2 Signal reverse system .11 3.2.1 The application of signal r
6、everse circuit .12 3.2.2 Motor positive shear force; microcontroller; pressure sensor题目： Times New Roman、 三号、加粗、居中 Times New Roman、五号、居中 1 引言 据统计 ,全球玉米因倒伏而造成损失十分巨大 , 而影响玉米倒伏的主要因素是茎秆的强度。农作物茎秆的力学性能是评价作物抗倒伏特性的重要指标，也是设计农业机械的重要参数和依据。在作物生长的各个阶段对其茎杆进行活体测量，进而根据茎杆纤维层的抗弯阻力与抗倒伏能力的相关性对群体测量数据进行统计处理，对作物的栽培和育种具有重要
7、意义。因此通过玉米茎秆强度的测试研究而培育出高抗倒伏的作物是全球玉米遗传育种专家都面临的课题。由此可见，设计出一款灵活方便既能满足实验室需要同时又能带到农作物生长现场的茎秆强度测定仪将会大大减轻 工作人员的负担，同时提高实验的准确性。因此玉米茎秆强度测定仪的研究与开发不仅适应时代的潮流同时将进一步促进农业的发展。 对国内外农作物茎秆强度测定仪的调查研究发现，早期在玉米茎秆强度测试方面使用的分析工具是液压测力机 1, 用自动的液压测力机去测试干燥玉米垂直压碎所需要的压力 , 然后研制出小型机械式茎秆强度测定仪 , 它由弹簧、带刻度的套筒及探头组成 , 该仪器由于摩擦力大而使测定的结果精确度不够。
8、 MARCU S S . ZUBER 教授将茎秆强度测定技术应用于玉米的遗传育种中 , 取得了重大的成绩 , 在国际上 处于领先地位。国内相关专业领域中的专家在这方面做了非常多的工作。吉林省农科院玉米所的李景安、冯芬芬教授在引用美国的弹簧测力装置的基础上对其做了改进 , 但由于组成原理及结构改进不大 , 在测定准确性方面未能得到改善。据 M aydica 杂志介绍 , 1996 年美国推出一种新型的茎秆强度测定仪。 目前对农作物茎秆力学性能指标的研究主要依靠万能试验机 2，可做拉伸、压缩、弯曲、剪切等实验，但由于其体积庞大，价格昂贵且不能在无电力能源的田间进行现场测试，限制了其应用范围；在产品
9、研究方面，美国 FTC 公司 TMS-PRO 质构仪可以用来测定食品的嫩度、硬度、拉升强度等物性测试。其最高端机型 TMS-PRO 精度达到 0.015%，是专业级研究系统，根据分析样品不同，力量量程可通过丰富的力量感应元进行调整。国内的 YYD-1 茎杆强度测定仪（抗倒伏测定仪）在功能上显然要比 TMS-PRO 逊色的多。该仪器采用充电电池供电， 6 位大屏幕数码液晶显示器直接显示压力的数据，具有背光功能，方便在傍晚或黑暗处操作。对于定性的研究而言， FTC 公司 TMS-PRO 质构仪很多功能显然要被闲置，而 YYD-1 茎杆强度测定仪其显示效果不够直接，仅能显示压力数据， 看不到其与时间
10、或者距离的对应关系，因此我们想设计一款既能形象的观看到各结果的对应情况同时功能又能满足实际操作的仪器，这样既可节省成本还能满足实验的要求。为此研制了便携式的玉米茎秆强度测定仪，该仪器体积小，同时使用先进的 32 位 STM32 单片机对茎秆测定仪进行控制，大大提高了数据采集的精确性与可靠性。 1 茎秆强度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， 1.25 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
11、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。 1.1 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 1-1 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 -
12、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 1-2 所示。 图 1-2 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、 BSQ-2 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 1-3 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
13、据 传 输图 1-3 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 1.1.1 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 Cortex-M3 内核。 STM32 单片机是以意法半导体 (ST)公司推出的基于 ARM Cortex-M3 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 3.2寸液晶屏模块
14、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
15、0.5mA/MHz。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。 1.1.2 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
16、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2.000MV/V。准确度等级为 0.03%F.s，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。 1.1.3 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
