（农业机械化工程专业论文）小麦断根机工作参数测试系统设计研究.pdf

山东农业大学硕士学位论文 中文捅姜 根据小麦断根机的工作受力情况，以单片机与p c 机串行通信为基础， 用汇编语言和v b 语言设计了小麦断根机工作参数测试系统，实现了小麦 断根阻力和速度的实时测量，对小麦断根机的可靠性设计具有重要意义。 小麦断根机工作参数测试系统由数据采集与通信子系统和p c 机数据 通信与分析子系统构成。 数据采集与传输子系统包括硬件部分和软件部分，采用模块化设计， 完成信号模拟量小麦断根机的工作阻力和前进速度的数字化、信号数 据的存储、显示、传输到p c 机等功能。硬件部分主要由传感器、单片机、 a d 转换芯片、存储器、显示电路、数据传输芯片及各种芯片的连接电路 等组成；软件部分包括a d 转换模块、数据存储模块、数据显示模块、数 据传输模块、系统控制模块等各模块的程序设计。在硬件和软件设计中充 分考虑了抗干扰的问题。 数据采集与传输子系统和p c 机数据通信与分析子系统之间通过串行 通信口及串行通信程序有机整合，采用的标准是r s 一2 3 2 c 。数据通过串行 口从单片机传输到p c 机。 p c 机数据通信与分析子系统采用v b 开发语言，实现了单片机传输数 据的接收、存储、绘图、统计、方差分析等功能，计算精度高。界面采用 m i c r o s o f tw i n d o w s 通用的人机界面。 小麦断根机断根铲的翼张角2y 、碎土角b 、入土角a 和幅宽b 四个 参数作为试验因素对小麦断根阻力进行了大田正交试验。方差分析表明四 因素都高度显著，其重要次序是幅宽 入土角 碎土角 翼张角；在选定范 围内幅宽和入土角的交互效应一般显著，幅宽和翼张角的交互效应为显 著；其余各个因素的交互效应对阻力的影响为不显著。试验分析得到断根 铲的合理参数为：幅宽b = 4 5 m m ，翼张角2y = 9 0 。，碎土角e = 1 2 。，入土角 0 l = 8 5 。并根据受力分析计算了最小阻力时的所受力的具体数值。 关键词：断根机：工作参数：单片机；串行通信；方差分析 小麦断根机工作参数测试系统研究 a b s t r a c t t h et h e s i sf o u n do nt h ef o r c ew h i c ho nt h ew h e a tr o o tc u t t i n 2m a c h i n e ， b a s e do nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm i c r o c o n t r d l l e ra n dp c ，d e s i g n e d t h ew h e a tm o t c u t t i i l gm a c h i n eo p e r a t ep a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e m 谢m a s s e m b l e1 a n g u a g ea 1 1 dv b ，r e a l i z e dt 1 1 er e a lt i m em e a s u r et ot h er c s i s t a l l c eo f m ew h e a tr o o tc u t t i n ga n dv e l o c i t y ji th a ss i g n i f i c a t i o nm e a n i n gt ot h e r e l i a b i l i t vo f t h ew h e a tr o o t c u t t i n gm a c h i n e t h es y s t e m d e p a n e di n t om i c r o c o n t r o l l e rd a t a c o l l e c t i o na i l d c o m m u n i c a t es u b s v s t e ma n dp cd a t ac o m m u l l i c a t ea n da n a l v s i ss i l b s v s t e m t h ed e s i p 皿t om i c r o c o n t i d l l e rd a t ac 0 1 1 e c t i o na n dc o m m u n i c a t e s u b s y s t e mi n c l u d eh a r d w a r ed e s i g ua n ds o r w a r ed e s i g n ，a d o p tb l o c k i n g d e s i g n ，如1 f i l lt h ef u l l c t i o na sf 0 1 l o w i n g ：t h et r a n s i t i o no fa n a l o gs i g n a l s ，w h i c h i st h eo p e r a t i o nr e s i s t a n c ef o r c ea n ds p e e do fw h e a tr o o t c u t t i n gm a c h i n e ，t o d i g i t a ls i g n a l s ；t h ed i g i t a ld a t a ss t o r a g e ，d i s p l a y ；t r a n s m i s s i o nt ot h ep c t h e h a r d w a r ed e s i g ns e l e c t e dt h es u i t a b j es e n s o r m i c r o c o n t r o i i e r ，dc o n v e r t e r ， m e m o r i z e r d i s p l a yc i r c u i t r y ，e t c a 1 1 df o n n e daw h 0 1 eh a r d w a r es y s t e m ；t h e s o f h v a r ed e s i g ni n c l u d e dl h ep r o g r a n l n l ed e s i p 皿o fm ea dc o n v e r t e rb l o c k ， d a t as t o m g eb l o c k ，d a t ad i s p l a yb l o c kd a t at r a n s m i s s i o nb l o c k ，s v s t e mc o n t r o l b l o c k ，r e a l i z e dt h ep r e c o n c e r t e d r u n c t i o n 。d u r i n 2t h er e s e a r c hp l o c o s s ，t h e a n t i i 锄m i n g 口r o b l e mw a s 血l l vc o n s i d e r e d ， t h ei u n c t u r eb e t w e e nm i c r o c o n t r o l l e rd a t ac 0 1 l e c t i o na n dc o r n m u n i c a t e s u b s v s t e ma n dp cd a t ac o m m u n i c a t ea n da n a l v s i ss u b s v s t e mi ss e r i a l c o m m u i l i c a t ep o na n dp m 卫r 黝eb a s e do nm er s 2 3 2s t a n d a r d t h ed a t a t r a n s i n i tf o m lm i c m c o n t r o i l e rt 0p ct h r o u 出s e r i a lc o i n m u n i c a t e 口o n p cd a t ac o m n m n j c a t ea n da n a l v s i ss 1 1 b s v s t e mt a k ev i s u a lb a s i ca s d e v e l o p m e n tl a i l g u a g e ，a c c o m p l i s h e dt h ef 1 1 n c t i o no ft h ed a t as i n k ，s t o r a g e ， p l o t ，s t a t i s t i c s ， v a r i a n c ea n a l y s i s ，e t c t h ei i l t e r f a c eu s e st h em i c r o s o f t w i n d o w sh u m a n c o m p u 妇。i m e r f a c e ，t h ea d v a n t a g ei s 掰e n d l me a s yt ok 锄 a n du s e ，f a s tm n c t i o ns p e e d ，h i 曲c a l c u l a t ea c c u r a c m t h ef i e l dt e s t sa r ea b o u tt h er o o tc u t t i n gs h o v e l sf o u rp a r a m e t e r s ， w i n g - o p e na n 酉e2 ms m a s h s o i la n 9 1 ep ，e n t e r i n gs o i la n g l e 鸥b r e a d t hb t l l r o u 曲t h ev 撕a i l c ea n a l y s i s ，t h er e s u l ti s 也ef o u rp a r a n l e t e r sa r ea 1 1 h i g m y r e m a r k a b l e ，t h eo r d e ri sb r e a d t hb ，s m a s h - s o i la 1 1 9 1 e 卢，e n t e r i n gs o i la n 出e 鸽 w i n g o p e na i l g l e2 节a tt h es e l e c t e dr a n g em ei n t e 血c ee 虢c tb e t w e e n b r e a d l h a n de n t e r i n gs o i la i l g l ei sn o m l a l l yr e m a r k a b l e ，、t h eb r e a d t ha 工l dw i n g - o p e n 山东农业大学硕士学位论文 a i l 2 1 e si n t e r f a c ee f r e c t i sr e m a r k a b l e ； t h er c s ti n t e r f a c ee f r e c t sd o u n r e m a r k a b l ee 矗b c tt ot 1 1 er e s i s t a 玎c ef o r c e t h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r so fr o o t c u t t i l l gs h o v e l a r e ：b r e a d t hb = 4 0 m m ，w i n 哥o p e na n g l e2 i 。2 9 0 。，s m a s h s o i l a n 9 1 ep = 1 2 0 ，e n t e r i n g s o i la n g l ea = 8 5 。f o u n dt h er e a s o nb yt h en d et ot h e v e l o c i t yv a r i a n c ea 1 1 a l y s i sc h a n g e k e y w o r d s ：r o o t - c u t t i gm a c h i n e ；o p e r a t ep a r a m e t e r ；m i c r o c o n t r 0 u e r s e r i a lc o m m u n i c a t e ；v a r i a n c ea n a i y s i s i i i 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行 科学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮 助和做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本 声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文 的规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送 交论文纸质本和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：超 导师签名： 日期： 山东农业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 国内外农机测试系统研究现状 由于国情不同，国外在测试系统上的研究多集中于大型农机具上，而 且早已经集成在大型农机上，形成了智能拖拉机、智能农机具的概念( 宗 伯华等，2 0 0 4 ；庞昌乐等，2 0 0 l ；h i c k i n gr ，1 9 8 3 ) ，并开始在生产中 应用。 七十年代中期到八十年代初，微计算机技术的发展，使得田间数据的 采集与高效处理成为可能，农业机械上应用的传感器与控制技术也有了快 速进步，工业化国家的农业机械进入到一个以迅速融合电子技术向机电一 体化方向发展的新时期。大马力、高速、宽幅农业机械的设计，广泛引入 了新材料、新工艺和微电子监控技术，农业动力与复杂农业机械结构设计 发生着重要的变化，不带电子监控功能的大中型农业机械已在发达世界农 机市场中失去竞争力。八十年代后期，在农业机械机电一体化发展中，又 迅速跟踪了电子信息科技的进步，其监控系统迅速趋向智能化，由单元控 制发展到分布式控制，由单机作业系统向与管理决策系统集成的方向发 展。电子学与信息技术在农业机械装备中应用的这一发展趋势，代表着拖 拉机和农业机械技术发展新的里程碑。通过电子学，使一些农业装备具有 智能化特征和更易于相互通信，促进了支持基于信息和知识的精细农作应 用的农业机械的研究与开发。迄今，电子学用于农业机械装备的技术创新， 可概括为如下五个基本领域( 汪懋华，2 0 0 1 ) ： ( 1 ) 提高机器作业的技术性能：过程监视、控制、诊断、通信： ( 2 ) 实现节本增效和环境友好的农作：节约物质、能源消耗，降低作业成 本：减少土壤、水体、动植物遭受污染： ( 3 ) 过程的精确操作：及时获取过程信息，精确执行过程控制指令； ( 4 ) 改善劳动者的操作条件：良好的人机接口，操作方便性、安全性、舒 适性； ( 5 ) 开发基于卫星定位系统实施精细农作的智能控制农业机械，支持农田 作业的科学管理决策等。 由于我国仅有小部分地区人均耕地比较多，大部分地区人均耕地少 小麦断根机工作参数测试系统研究 ( 封志明，1 9 9 4 ；陈利顶；1 9 9 5 ) ，作业地块小的特点，不能简单的刀 切式的走国外发展大型农机的路，必须以大型农机和小型农机两条腿走路 的方式，来适应不同地块面积的作业要求。小型农机具的研究不能简单的 把大型农机数据缩小来应用，所以国外在大型农机上的研究只能借鉴参 考，而不能直接应用。 我国从5 0 年代中期开始在农机测试中应用电测法，并用电测车跟踪 农业机械进行田间测试，当时的主要仪器是电子管式的。7 0 年代中期以 后，各种先进的电子计算技术及大规模集成电路的发展推动了农机试验的 进步。由于信号分析处理技术的出现，我国8 0 年代出现的犁耕田间多信 号测试系统，可以同时测定耕深、牵引力、速度等参数。8 0 年代后期， p c 机市场快速发展，从而给测试系统领域带来了革命性的变化。目前， 基于p c 机的测试系统正在向着高速、高效，智能化、多功能化、多样化 的方向发展( 朱克亮，2 0 0 1 ) 。 迄今为止，我国对土壤工作部件的受力特性的测试主要集中于犁体， 而对于其他的免耕、少耕土壤工作部件的田间测试研究还比较少。 1 9 8 0 年孟繁英等研制了针对犁体测量的田间测试系统，由各种传感 器、记录仪和光线示波器等组成，可以测量耕深、牵引力、速度等；1 9 8 4 年西北农学院邵维民等研制了l 型四分力传感器，并完成了在实验室内的 深松铲受力特性的测定：1 9 9 2 年北京农业工程大学谷褐白等对研制的全 方位深松机利用称量法进行了深松部件田间牵引阻力的测量试验：1 9 9 5 年中国农大王耀发等研制的小麦免耕播种机用称量法进行了牵引阻力测 试，估算每个尖角型开沟器的开沟阻力为6 8 8 n ；1 9 9 7 年中国农大李汝莘 博士对单行靴开沟器进行了开沟阻力、开沟深度及行走速度的测试；1 9 9 8 年中国农大苏元升博士对尖角型开沟器进行了开沟阻力及行走速度的测 试。 。 在阻力测试系统的研究方面，中国农业大学苏元升、高焕文等研制了 土壤工作部件田间测试系统( 苏元升等，1 9 9 9 ) ，该系统可在多种不同田 问条件下测试不同土壤工作部件的牵引阻力、土壤垂直反力，工作深度和 行走速度等参数，为土壤工作部件的工作性能分析提供田间试验数据。这 个系统较为先进，该系统采用澳大利亚生产的d a t at a k e r l o o f 实验数据 2 山东农业大学硕士学位论文 采集器，成本较高。山东工程学院( 现山东理工大学) 马明建、汪遵元等 研究出了移动式土壤工作部件性能参数测试系统( 马明建等，2 0 0 0 ，该 系统采用计算机软件对机组的位移脉冲信号连续计数，以确定采样点的位 置和采集牵引阻力等数据，并以松土铲为对象，进行了牵引阻力的测试试 验，论文显示该系统测试精度高，运行可靠。但是该系统是在试验室内应 用，土壤环境只能模拟而非真实的农田，干扰信号不容易排除，无法确定 滑转率，因为该系统为精确确定位置，测量轮采用了非充气轮。吉林大学 机械科学与工程学院博士生王建和吉林大学生物与农业工程学院工程师 吴华等研究出了犁耕阻力测试系统( 王建等，2 0 0 2 ) ，使用该测试系统可 以存储6 4 组测试数据，每组有2 5 0 个数据点，最大采样频率可以达到4 0 h z 以上。通过计算机的r s 一2 3 2 c 串行通讯，可以直接将测试仪的数据读入计 算机。该测试系统已在吉林大学农机实验室的土槽内对设计耕宽为3 5 c m 的铧式犁进行了犁耕阻力的测试，效果比较理想，但该系统只有一个数据 输出即拉力值，对于阻力与发动机油耗、轮胎滑转率等的联系没有考虑。 总之，国外，尤其是西方国家由于地多人少，大量采用大马力拖拉机， 很少考虑阻力测试在农机上的应用，测试系统多运用在大型联合收割机、 大型中耕机或大型植保机械上，对产量、杂草和病虫害进行测试，对小型 农机，尤其是耕耘机械研究甚少，这是由实际应用决定的；国内的研究大 部分限于实验室或者试验土槽内，在大田内测试是一个空白，在我国大力 发展设施农业的今天，如果没有相应的小型耕耘机械相配套，必然成为发 展的一个瓶颈。 小麦断根增产技术( 余松烈，1 9 7 8 ；刘殿英，1 9 8 3 ：余松烈，1 9 8 5 ：) 是山东农业大学院士等科研人员在冬小麦高产生产实践中发现，并成为冬 小麦精播高产栽培的重要配套技术。研究结果表明：小麦深耘断根不仅有 断老根、喷新根、深扎根、促进小麦根系发育，扩大根系在土壤中的分布 范围，提高根系活力，还具有控制分蘖和群体、提高成穗率、促进穗大粒 多和防早衰、促粒重的作用，增产效果十分显著。 多功能小麦断根机( 吕钊钦，2 0 0 5 ) 是山东农业大学吕钊钦教授以小 麦断根增产技术，采用农机农艺相结合的方法研究设计的新型小型耕耘机 械。它解决了小麦断根机械化作业的关键技术，并填补了国内空白，处于 小麦断根机工作参数测试系统研究 国内领先水平。 到目前为止，国内外鲜有小麦断根机械化的研究，尚未见小麦断根阻 力测试系统研究的有关报道。同时，对于小型耕耘机械工作参数的测试也 不多见，因此研究此类问题十分有必要，以加速我国小型耕耘机械的发展。 1 2 课题的意义 小麦断根机阻力是小麦断根机设计中的重要参数，由于土壤是不均质 固态胶体混合物，往往难以确定其所受阻力，故对于耕耘机械结构参数与 所受阻力的关系也无从谈起。由于现有的测试系统只适应于在实验室或大 型耕作机具农田作业时进行阻力等测试，无法满足小麦断根阻力的测试。 这是影响小麦断根机优化设计的重要因素。因此，设计研究小麦断根机工 作参数的单片机测试系统具有重要意义。 为了实现对小麦断根机工作阻力、速度的实时测量，利用小麦断根机 工作参数测试系统的硬件部分，在农田里进行数据的实地测量，实时测出 其所受阻力、速度，并保存在单片机系统的内部。小麦断根机工作参数测 试系统的两个子系统数据采集与通信子系统和p c 机数据通信与分析 子系统之间的通信利用单片机与p c 机的串行口通信，将数据传输到p c 机。 利用p c 机软、硬件资源丰富的特点，将单片机采集的数据进行统计、处 理和方差分析，得到小麦断根的工作参数之间的关系，为小麦断根机的改 进设计提供了理论基础。 1 3 研究内容 课题在前面已经做了大量的工作，小麦断根机已经开发完成，已经得 出受力、速度的基本数据。根据课题的进展状况，拟完成以下的研究内容： ( 1 ) 根据系统的需要完成硬件电路设计和传感器的选型工作。传感 器处于整个系统的最前端，其性能与精度对系统的测试精度有重要影响。 系统需要的传感器有：拉力传感器、转速传感器。 ( 2 ) p c 机与单片机串行通讯接口的设计。系统串行通讯接口用 r s 一2 3 2 c 与p c 机进行通讯，硬件芯片用m a x 2 3 2 c 进行电平转换，波特率 为2 4 0 0 h z 。 ( 3 ) 单片机软件的设计。系统中单片机软件采用m c s 一5 l 汇编语言进 4 山东农业大学硕士学位论文 行编写，采用模块化的程序设计思想，实现单片机系统的正常协调运行， 并且响应p c 机的呼叫，执行相应的操作。 ( 4 ) p c 机通讯软件的设计。用高级程序设计语言v b 6 0 编写p c 机 通讯程序，实现串行通讯有多种方法可以灵活选用，并且支持多线程， 适合开发复杂的应用程序。 2 小麦断根机工作参数测试系统的硬件设计 2 1 小麦断根机的受力分析 小麦断根机主要由支撑装置、底架、发动机、张紧轮、扶手、皮带轮、 变速箱、驱动轮胎、镇压轮、锄梁架、断根铲、限深仿形轮组成，如图 2 1 所示。 l ji zl il o 1 支撑装置2 底架3 发动机4 皮带5 张紧轮6 扶手7 皮带轮 8 变速箱9 驱动轮胎l o 镇压轮l l 锄梁架1 2 断根铲1 3 限深仿形轮 图2 1 小麦断根机整机结构简图 f i g2 - ls t 兀i c t u r e0 f w h e a lr 0 0 t c u i t i n gm a c h i n e 小麦断根机的工作原理如下：该断根机由柴油机提供动力，利用v 带 将发动机输出给小皮带轮的动力传递给变速箱的动力输入轴，再经变速箱 内部齿轮和链轮的两级变速后，由变速箱的地轮轴输出驱动机器行走，断 根铲( 刀) 切削、挤压土壤使土壤变形、分离，从而实现小麦断根。操纵张 紧轮改变传动皮带的张紧度来实现动力的接合与分离。 小麦断根机在水平地面上稳定工作时整机受力情况如图2 2 所示。 小麦断根机工作参数测试系统研究 1 乓 一 啄 ) 入 i 。南 l 二 5 ，! 以h i ，h ：8 r 一 ( a ) 整帆受力分析 呵 f ( ) ， l b 一 ，： 。拟 x ( b ) 断根机局部受力分析 图2 2 断根机整机与局部受力分析 f i 9 2 2t h ef o r c eo f t h ew h o i ea n dp a no f m o tc u t t i n gm a c h j n e 由力平衡关系得： 对整机： j ，= o聊g 一l 一2 + r y + 圪= o m 。( i ) = om g d c + r ，。一圮+ 2 ，2 一r ，= o 对局部： x = o ，一r 。= o m 。p ) = o 卉，+ r ，( 卜，：) = o 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 山东农业大学硕士学位论文 m 。( _ ) ：o f ( ，。+ ，5 ) 一2 ( 一z ：) = 0 f n = f 式中 风、r ，一一土壤对断根铲阻力 月= 矗；+ 月； f b _ 扶手把抬起或下压力( n ) ： ( 2 5 ) ( 2 6 ) r 在前进方向与垂直方向的分力， f 由测试系统得到的阻力值( n ) ； l e _ f b 作用线至通过a 点横垂面距离( m ) ； n 驱动轮受到的支反力( n ) ； f 。驱动轮的实际驱动力( n ) ； n ：仿形轮受到的支反力( n ) ： m g 整机重量( n ) ； a c 整机的质心到y 轴的距离( m m ) ； 1 ：轮胎和仿行轮接地点之间的距离( m m ) ； l 。驱动轮轮胎接地点到断根铲受力综合点的距离( m m ) ； l 。地表到断根铲受力综合点的距离( m m ) ： ls 断根机与驱动轮连接点到仿行轮之间的水平距离( 咖) ： 1 6 - 一断根机与驱动轮连接点到仿行轮之间的垂直距离( 玎】m ) ： 将公式( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 写成矩阵的形式得 解此矩阵，得： 一11 of ， o ， oo oo n | g n 曙o f m 9 0 f + ，2 ) ， 一f l = ( 2 7 ) 毋q m m 磊 voiioooioiiii八 ，o o 。卜。卜 一 一 0 k n “ 小麦断根机工作参数测试系统研究 尺， r r i v 2 冗 o0 l 厶 0 0 一日l g m g o c 一，h g ( 仃c + ，2 ) f f is ( 2 8 ) 当用传感器测出f 的值，利用( 2 6 ) 、( 2 7 ) 和( 2 8 ) 便可以求出所有 的未知力。 由小麦断根机的受力分析可知：只有驱动力f 。大于等于阻力如时， 才能保证正常工作。在实际测试时测量出驱动力f q ，最后通过公式( 2 6 ) 、 ( 2 7 ) 和( 2 8 ) 计算出各种力。 包含小麦断根在内的各种方式的土壤耕作是农业系统中机具对土壤 进行处理的基础加工环节之一。由于土壤耕作消耗大量的能源，因此研究 土壤切削阻力的来源、分布及其减少措施对于农用土壤耕作机械的研制具 有重要意义。通过设计小麦断根阻力单片机测试系统来进行土壤阻力测 试，以找出其与土壤状况、牵引速度等因素的规律，为断根技术的推广和 断根机具的设计提供依据。 2 1 1 小麦断根机工作参数测试系统安装方式 单片机数据采集与通信子系统的硬件主要包括传感器、a d 转换器、 i o 接口电路、单片机等。采集系统功能为：数据采集，将被测量的信号 通过a d c 0 8 0 9 转换为单片机能够识别的信号并输入给单片机；数据处理， 单片机执行以测试程序后，得到与被测参数对应的测量值并存储；数据输 出是将处理结果显示或者串行通信。如图2 3 所示。 安装时，将小麦断根机机架纵向梁截断，两端用型号为m 8 1 0 的螺 栓连接。这样拉力传感器测得的数据为驱动力f 。速度传感器固定联接在 轮胎中轴上。连接形式如图2 4 。 一，o 0 o o o。卜。 一 山东农业大学硕士学位论文 图2 3 小麦断根机工作参数测试系统 f i 9 2 3t h ew h e a tr o o c u t t l n gm a c h i n eo p e r a t ep a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e m 图2 - 4 传感器连接示意倒 f l g2 _ 4t h e j o j n t ”yo f t h es e n s o r 2 1 2 小麦断根机工作参数测试系统工作流程 小麦断根机工作参数测试系统主要对工作阻力、轮胎转速参数进行测 量。确定这些参数，可以通过计算公式对动力、结构和操作方法等进行改 进。在测量参数之后对参数进行保存、传输和分析。在系统中，单片机负 责数据的采集、存储和传输，所有数据的计算分析均由p c 机软件来实现， 流程如图2 5 。 小麦断根机工作参数测试系统研究 拉力传感器、速度传感器的信号采集 l 所得信号的a d 转换 i i参数在单片机内保存 参数由单片机到p c 机的传输 i 参数在p c 机上的分析 圈2 _ 5 小麦断根机工作参数测试系统流程图 f 培2 - 5t h en o wc h a no f t h e w h e a tr o o tc u h i n gm a c h j n eo p e r a t 。p a m m e t e rm e a s u r i n gs y s 忙m 2 2 单片机数据采集与通信子系统的基本组成 单片机数据采集系统可以根据实际情况采用多种不同的形式，但其基 本组成是相同的。如图2 6 所示。 图2 6 单片机数据采集子系统的基本组成 f i 9 2 6n eb a s i op a n so 九h ed a t ac o l l e c t i o ns u b s y s t e m 一个具体的单片机数据采集系统的构成，根据所测信号的特性而定， 力求做到既能满足系统的性能要求又能在性能价格比上达到最优( 陈明 克，2 0 0 2 ) 。 山东农业大学硕士学位论文 2 2 1 单通道数据采集系统结构 被采集的模拟信号只有一个，如图2 7 所示。 薰卧昏睁匠h 卫 圈2 7 单通道数据采集系统结构 f i 9 2 - 7s 仃u c t u r eo f s i n g l ec h a n n e id a i ac o l l e c t i o ns y s i e m 2 2 2 多通道数据采集系统结构 在被测模拟信号超过一个时，便需要多通道数据采集系统。对于多通 道数据采集系统，有以下几种常见的结构形式。 ( 1 ) 多路a d 转换方式。 这种结构由多个a d 转换芯片构成。对每路输入信号都有独立的采样 与保持电路、a d 转换电路和i o 接口电路，每一路占有一个通道。结构 图如2 8 所示。 删2 8 多路a d 转换数据采集系统结构 f i 9 2 8s c r u c t u r eo f m u l t j c h a n n e la ，dc o n v e nd a t ac 0 1 1 e c t i o ns y s t e m 这种方式通常用于高速数据采集和需要同时采集多路数据的系统。其 优点是通道数增加时，最高采样频率不会受到影晌，并可同时采集多路信 号，保持了个信号之间的同步关系。其缺点是成本较高、体积相应较大。 ( 2 ) 多路共享a d 转换方式 输入信号进入各路采样保持电路，然后由多路开关可选择的将各路信 号送入a d 转换器中进行转换。结构如图2 9 所示。 乎p ；弘 卜卜 上1 弘弘i p卧昏睁卧卧卧 小麦断根机工作参数测试系统研究 瑟阡一 薰圈怪巨卜囹母 薰匝协u 图2 9 多路共旱 d 转换数据采榘系统结构 f i 鲒- 9s f n 卫c t u 陀o f m u l t i c h 拍n e ls h a r c da ，dc o n v e td a i ac o l l e c t i o ns y s t e m 相应方式( 1 ) 而言，方式( 2 ) 比较慢，而且得到的各通道信号是断 续的。在采集频率上受到很大的影响，如果信号是n 路的话，对同一传感 器，其采集频率是方式( 1 ) 的l n 。当采样保持电路用同一个信号来控 制时，便可以同时保证同一时刻采集到各个通道的参数和信号间的同步关 系。这种方式主要用于对采集频率要求不高的多路信号采集系统。 ( 3 ) 多路开关方式 这种方式轮流循环采样的转换速度比以上两方式都慢，但是大大节省 硬件。结构如图2 1 0 所示。 图2 1 0 多路开关转换数据采集系统结构 f i 9 2 一1 0 s t m c c u r eo f m u l l l s w i t c hc o n v e n d a t ac o l l e c f l o ns y 毗e m 它常用于采集多路变化缓慢的信号，如温度变化信号、应变信号等。 这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。 单片机数据采集系统的基本要求是： ( 1 ) 系统实时性强。系统的工作主要是对大量的过程状态参数实现 巡回检测、数据存储、数据处理、实时数据分析等功能。因此，要求单片 门川川h u 山东农业大学硕士学位论文 机在软件和硬件上必须有实时时钟和优先级中断信息处理的程序和电路。 ( 2 ) 可靠性高。它是系统设计最重要的一个要求。因此应该选用高 性能的单片机。 ( 3 ) 设计周期短、价格便宜。在满足精度、速度和其他性能要求的 前提下，应该采用模块化设计等方法缩短设计周期和尽量使用价格低廉的 电子元器件。 考虑到以上多个方面，系统核心选择单片机应该是毫无疑问的。 单片机以其体积小、功耗小、成本低以及控制功能强等特点成为了现 代电子系统最重要的智能化工具。单片机是早期s i n 9 1 ec h i p m i c r o c o m p u t e r 的直译。后来，它按照面向对象，突出控制功能等原则， 在片内集成了许多外围电路以及外设接口，发展m i c r o c o n t r 0 1 l e r 或m c u 的体系结构。随着大规模集成电路技术的发展，可以将c p u 、r a m 、r o m 、 定时器计数器以及i 0 接口电路等主要计算机部件，集成在块电路芯 片上。这样所组成的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机，直译为单 片微机或者单片机。 2 3m c s 一5 1 和8 9 s 5 1 系列单片机简介 m c s 一5 1 单片机是美国i n t e l 公司于1 9 8 0 年推出的产品，典型产品有 8 0 3 1 、8 0 5 1 芯片和8 7 5 l 等通用产品，一直到现在，m c s 一5 1 内核系列兼容的 单片机仍是应用的主流产品。有些文献甚至也将8 0 5 1 泛指m c s 一5 l 系列单片 机，8 0 5 l 是早期最典型的代表作，由于m c s 一5 1 单片机影响极深远，许多公 司都推出了兼容系列单片机，就是说m c s 5 1 内核实际上已经成为一个8 位单片机的标准( 何立民，1 9 9 0 ；何立民，1 9 9 3 ) 。 2 3 18 9 s 5 1 增加的新功能 8 9 c 5 l 的缺陷在于不支持在线更新程序i s p 功能，8 9 s 5 l 就是在这样的 背景下取代8 9 c 5 1 的。8 9 s 5 1 相对于8 9 c 5 1 增加的新功能包括( a t m e l c o r p o r a t i o n ，2 0 0 4 ) ： ( 1 ) 程序存储器写入方式：二者的写入程序的方式不同，8 9 c 5 1 只 支持并行写入，同时需要v p p 烧写高压。8 9 s 5 l 则支持i s p 在线可编程写入 技术。串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4 5 v 即 小麦断根机工作参数测试系统研究 可。8 9 s 5 x 标称的1 0 0 0 次，实际最少是1 0 0 0 次1 0 0 0 0 次。 ( 2 ) i s p 在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内 的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。 ( 3 ) 最高工作频率为3 3 m i z ，8 9 c 5 1 的极限工作频率是2 4 m ，就是说 s 5 1 具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 ( 4 ) 具有双工u a r t 串行通道。 ( 5 )内部集成看门狗计肘器，不再需要像8 9 c 5 1 那样外接看门狗 计时器单元电路。 ( 6 ) 双数据指示器和电源关闭标识。 ( 7 ) 全新的加密算法，这使得对于8 9 s 5 1 的解密变为不可能，程序 的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 ( 8 ) 兼容性方面：向下完全兼容5 1 全部子系列产品。比如8 0 5 1 、 8 9 c 5 1 等等早期m c s 一5 1 兼容产品。 2 4a t 8 9 s 5 1 单片机的引脚说明 系统选用的高档8 位单片机a t 8 9 s 5 1 ，它是与m c s 一5 1 系列兼容的单 片机( a t m e lc o r p o r a t i o n ，2 0 0 4 ) ，其主要特点已经在前文有所表述， 在此不再赘述。a t 8 9 s 5 l 的引脚按功能可分为：i o 口线、控制口线、电 源和时钟引线三部分。 2 4 1i o 口线 p o 口：p o 口是一个8 位双向i o 口，它既可以作为通用i o 口使用， 又可以作为单片机系统的低8 位地址线数据线使用； p l 口：p l 口是带内部上拉电阻的双向i 0 口，使用时不需要外接上 拉电阻，通常作为通用i o 使用； p 2 口：p 2 口是带内部上拉电阻的双向i o 口，使用时不需要外接上 拉电阻，在访问外部程序存储器问和外部数据时作1 6 位地址的高8 位：当 访问8 位外部数据存储器时，p 2 口的内容送到特殊功能寄存器中： p 3 口：p 3 口是带内部上拉的双向i 0 口，当作为输入脚时，p 3 口管 脚被外部拉低，因为外部上拉而产生电流，a t 8 9 s 5 1 在p 3 口脚提供第二功 4 山东农业大学硕士学位论文 能： ( 1 ) p 3 。：r x d 串行数据接收端； ( 2 ) 凡，：t x d 串行数据发送端； ( 3 ) 氏：删l 外部中断o ，申请信号输入端； ( 4 ) p 。：n 伍外部中断1 ，申请信号输入端； ( 5 ) p 。：t 。定时器计数器外部记数脉冲输入端； ( 6 ) p 。：t 。定时器计数器外部记数脉冲输入端： ( 7 ) p 。：w r 片外r a m 写脉冲信号输入端： ( 8 ) 氏t ：r d 片外r a m 读脉冲信号输入端； 总之，p o 口通常作为单片机系统的地址数据线使用，p 2 口作为高位 地址线使用，p l 口、p 3 口则可给用户作为通用i o 口使用。p 3 口也可用于 第二功能。在复位后，p o p 3 口的3 2 个管脚均是高电平。 2 4 2 控制口线 a l e ：低8 位地址锁存信号输出端，从该引脚输出一个由高电平向低电 平的下降沿，可以使p o 口输出的低8 位地址锁存在外接地址锁存器中。在 访问外部存储时，输出脉冲用来锁存低地址的字节。在正常情况下，输出 l 6 的振荡频率可以当作外部时钟或定时，每次访问外部数据一个a l e 脉 冲将被忽略。 e a v p p ：读外部r o m 允许端e p r o m 编程电源端，如果8 a v p r 为1 时，将 执行内部程序，如果程序计数器大于0 f f f h 可以访问4 k 存储器；若队，v p r 为o 时允许访问片外r o m 芯片。该引脚在编程时接1 2 v 编程电压v p p ，固化内 部e p r o m 程序。 p s e n ：外部r o m 读选通信号输出端，低电平有效。当从外部读取程 序时，p s e n 每个机器周期被激活两次，在访问外部数据器p s e n 有效， 访问内部程序时p s e n 无效。p s e n 有效时，e p r o m 中被选中的存储单元 小麦断根机工作参数测试系统研究 的内容将出现在数据总线上，然后被读入到c p u 中去。 r e s e t ：复位信号线，高电平有效，只要复位管脚出现2 个机器周期高 电平即可复位。 2 4 3 电源和时钟引线 v c c 、g n d ：+ 5 v 电源及接地端。 x t a l l 、x t a l 2 ：当使用单片机内部振荡电路时，用来外接石英晶体和 微调电容：当使用外部时钟时，x t a l l 接地，x t a l 2 接外部时钟源。 2 5 单片机数据采集与通信子系统的硬件设计 由于性能优越，选择了a t 8 9 s 5 1 作为整个系统的核心，所有的硬件的 运行都围绕它的指令而展开。它是整个测控系统的核心部件j 直接影响到 整个系统的软、硬件设计，系统硬件上设计了2 个功能按键来完成所有操 作。“复位”键可以自动进入a d 转换，进行数据存储和显示；“传输”按 键可以与计算机进行串行通信完成数据传输。系统内部程序来判断数据采 集或数据传输。这样减少操作者在操作时的工作量，减少人为因素的影响， 留下了多个8 9 s 5 l 的端口，以利升级开发。硬件原理图如图2 一1 1 所示： 图2 一l l 硬件部分原理图 f i 9 2 j ln op j n c _ p l eo f l h eh a r d w 盯op a n 1 6 山东农业大学硕士学位论文 2 5 1 系统的硬件连接 ( 1 ) p 0 口：p o 口作为单片机系统的数据总线d b u s 使用，它外接一 个数据总线到a d c 0 8 0 9 的转换数据输出端d 0 d 7 ，另外它还作为a d c 0 8 0 9 的地址选择线使用，即r 。、p 。，、p 。分别接a d c 0 8 0 9 的a d