【正文】 能力的相關(guān)性對(duì)群體測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，對(duì)作物的栽培和育種具有重要意義。因此通過(guò)玉米莖稈強(qiáng)度的測(cè)試研究而培育出高抗倒伏的作物是全球玉米遺傳育種專家都面臨的課題。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)出一款靈活方便既能滿足實(shí)驗(yàn)室需要同時(shí)又能帶到農(nóng)作物生長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)的莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀將會(huì)大大減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。因此玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀的研究與開(kāi)發(fā)不僅適應(yīng)時(shí)代的潮流同時(shí)將進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。對(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)作物莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，早期在玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)試方面使用的分析工具是液壓測(cè)力機(jī)[1], 用自動(dòng)的液壓測(cè)力機(jī)去測(cè)試干燥玉米垂直壓碎所需要的壓力, 然后研制出小型機(jī)械式莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀, 它由彈簧、帶刻度的套筒及探頭組成, 該儀器由于摩擦力大而使測(cè)定的結(jié)果精確度不夠。MARCU S S . ZUBER 教授將莖稈強(qiáng)度測(cè)定技術(shù)應(yīng)用于玉米的遺傳育種中, 取得了重大的成績(jī), 在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域中的專家在這方面做了非常多的工作。吉林省農(nóng)科院玉米所的李景安、馮芬芬教授在引用美國(guó)的彈簧測(cè)力裝置的基礎(chǔ)上對(duì)其做了改進(jìn), 但由于組成原理及結(jié)構(gòu)改進(jìn)不大, 在測(cè)定準(zhǔn)確性方面未能得到改善。據(jù)M aydica 雜志介紹, 1996 年美國(guó)推出一種新型的莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀。目前對(duì)農(nóng)作物莖稈力學(xué)性能指標(biāo)的研究主要依靠萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)[2]，可做拉伸、壓縮、彎曲、剪切等實(shí)驗(yàn)，但由于其體積龐大，價(jià)格昂貴且不能在無(wú)電力能源的田間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，限制了其應(yīng)用范圍；在產(chǎn)品研究方面，美國(guó)FTC公司TMSPRO質(zhì)構(gòu)儀可以用來(lái)測(cè)定食品的嫩度、硬度、拉升強(qiáng)度等物性測(cè)試。%，是專業(yè)級(jí)研究系統(tǒng)，根據(jù)分析樣品不同，力量量程可通過(guò)豐富的力量感應(yīng)元進(jìn)行調(diào)整。國(guó)內(nèi)的YYD1 莖桿強(qiáng)度測(cè)定儀（抗倒伏測(cè)定儀）在功能上顯然要比TMSPRO遜色的多。該儀器采用充電電池供電，6位大屏幕數(shù)碼液晶顯示器直接顯示壓力的數(shù)據(jù)，具有背光功能，方便在傍晚或黑暗處操作。對(duì)于定性的研究而言，F(xiàn)TC公司TMSPRO質(zhì)構(gòu)儀很多功能顯然要被閑置，而YYD1 莖桿強(qiáng)度測(cè)定儀其顯示效果不夠直接，僅能顯示壓力數(shù)據(jù)，看不到其與時(shí)間或者距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此我們想設(shè)計(jì)一款既能形象的觀看到各結(jié)果的對(duì)應(yīng)情況同時(shí)功能又能滿足實(shí)際操作的儀器，這樣既可節(jié)省成本還能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。為此研制了便攜式的玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀，該儀器體積小，同時(shí)使用先進(jìn)的32位STM32單片機(jī)對(duì)莖稈測(cè)定儀進(jìn)行控制，大大提高了數(shù)據(jù)采集的精確性與可靠性。1 莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀的結(jié)構(gòu)與工作原理隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)試裝置的要求也越來(lái)越高，尤其是表現(xiàn)在高靈敏度以及便攜式等方面。所以本項(xiàng)目在總結(jié)前人理論的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)條件提出了以電子拉壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)作為植物生長(zhǎng)測(cè)量裝置。電子拉壓力傳感器具有高靈敏、低噪聲、長(zhǎng)壽命、低功耗和高可靠等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展十分迅速，此玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶操作。三級(jí)標(biāo)題（后空一格）：黑體、小四號(hào)、加粗 莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際機(jī)械操作以及動(dòng)物在咀嚼飼料時(shí)牙齒對(duì)飼料的剪切和擠壓的力學(xué)原理[3]，設(shè)計(jì)了玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀，該測(cè)定儀由機(jī)械和控制兩部分組成機(jī)械系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)組成如圖11所示。小四號(hào)宋體、加粗圖1 1 玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀系統(tǒng)組成圖信息采集依靠拉/壓力傳感器和行程傳感器完成；控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)和發(fā)條驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成；人機(jī)交互界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及指令讀取。玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖12 玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀實(shí)物結(jié)構(gòu)圖玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀主要由壓力傳感器、BSQ2變送器、控制用單片機(jī)、液晶顯示器和上位機(jī)通信部件等幾部分組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示圖13 玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀的硬件組成框圖 STM32單片機(jī)認(rèn)識(shí)與選擇STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的32位ARM CortexM3內(nèi)核。STM32單片機(jī)是以意法半導(dǎo)體 (ST)公司推出的基于ARM CortexM3系列最高配置芯片STM32F103ZE為核心組成[4,5]。片上集成512K flash、64KRAM、12Bit ADC、DAC、PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等資源。屬于微控制器范疇，單片集成多種用于控制，通信，存儲(chǔ)的外設(shè)。系統(tǒng)在程序的控制下執(zhí)行。運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量遠(yuǎn)高于51單片機(jī)。按性能分成兩個(gè)不同的系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。具有一流的外設(shè)、低功耗、最大的集成度等特點(diǎn)?；谟衩浊o稈測(cè)定儀的精度與速度要求實(shí)驗(yàn)中選擇STM32F103“增強(qiáng)型”系列單片機(jī)。 拉壓力傳感器簡(jiǎn)介與選擇傳感器選用的正確與否很關(guān)鍵,它將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)定精度，傳感器是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。拉壓力傳感器又叫電阻應(yīng)變式傳感器[6]，具有以下特性：(1)線性度：指?jìng)鞲衅鬏敵隽颗c輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。定義為在全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。 　　(2)靈敏度：靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量之比。用S表示靈敏度。 　　(3)遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào)，傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。 　　(4)重復(fù)性：重復(fù)性是指?jìng)鞲衅髟谳斎肓堪赐环较蜃魅砍踢B續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 (5)漂移：傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。根據(jù)需要傳感器選用CFBLS型拉壓力計(jì)，滿量程載荷為200KG。%，適用室內(nèi)與室外工作，采用S型結(jié)構(gòu)，拉壓均可使用。應(yīng)用先進(jìn)的密封工藝，能在高濕度的環(huán)境中工作。具有較強(qiáng)的抗扭、抗側(cè)和抗偏載能力，其各項(xiàng)指標(biāo)性均能符合實(shí)驗(yàn)要求。 液晶顯示屏的選擇顯示出的內(nèi)容可以把系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)及時(shí)的顯示出來(lái)，反饋給用戶，用戶根據(jù)顯示的內(nèi)容來(lái)判斷和決定對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。用戶也可以得到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)以做他用。較早的顯示器為L(zhǎng)ED顯示，組成LED顯示器的主要元件是發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為pn結(jié)[7]。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)；當(dāng)處于反向工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)光二極管反向截止，不發(fā)光。LED的工作原理很簡(jiǎn)單，但是它的體積較大，而且功耗相對(duì)來(lái)說(shuō)較高。而隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要應(yīng)用以單片機(jī)為核心的便攜式儀表和測(cè)試儀。而這就要求盡可能的縮小儀器的體積并降低其功耗。因所設(shè)計(jì)的作物莖稈抗倒伏強(qiáng)度測(cè)定儀主要在田間工作,為了使其在田間太陽(yáng)光線較強(qiáng)的情況下清晰顯示且耗電低 ,不能選用數(shù)碼顯示管，而選用液晶顯示屏。這里選擇TFT ( Thin film Transistor，薄膜晶體管）屏幕，它也是目前實(shí)驗(yàn)中最普遍采用的顯示屏。液晶顯示器的原理是利用液晶的物理特性，通電時(shí)導(dǎo)通，則排列變的有秩序，使光線容易通過(guò)；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線的通過(guò)。光線的通過(guò)和不通過(guò)的組合就可以在屏幕上顯示出圖像來(lái)。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，液晶顯示器就是在兩塊玻璃中間夾了一層液晶材料（有的是多層液晶材料），液晶材料在控制信號(hào)的控制下可以改變自身的透光狀態(tài)，當(dāng)光束通過(guò)這層液晶時(shí)，液晶本身會(huì)排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過(guò)。大多數(shù)液晶都屬于有機(jī)復(fù)合物，由長(zhǎng)棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長(zhǎng)軸大致平行。將液晶倒入一個(gè)經(jīng)精良加工的開(kāi)槽平面，液晶分子會(huì)順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。這樣根據(jù)不同的組合就能在玻璃面板前看到圖像了。 莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀工作原理本設(shè)計(jì)擬以STM32F103單片機(jī)為核心，利用其內(nèi)帶AD轉(zhuǎn)換器采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)液晶屏進(jìn)行可視化顯示。同時(shí)還可利用STM32F103單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上的串口傳輸功能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，由此可更方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與操作。 數(shù)據(jù)采集模塊原理本項(xiàng)目主要采用STM32單片機(jī)作為主控單片機(jī)，檢測(cè)裝置初步采用S型拉/壓力傳感器作為前端傳感器，以交流減速電機(jī)控制刀片，使刀片勻速切割玉米秸稈，然后將拉壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)過(guò)變送器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將采集的數(shù)據(jù)信號(hào)輸送至單片機(jī)。數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖14作物莖稈剪切力拉壓力傳感器STM32單片機(jī)傳感器數(shù)據(jù)處理電壓信號(hào)圖14 數(shù)據(jù)采集原理圖 微機(jī)處理數(shù)據(jù)原理STM32單片機(jī)將采集的拉壓力信號(hào)和行程信號(hào)進(jìn)行處理測(cè)量后進(jìn)行液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示和SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。同時(shí)單片機(jī)還控制交流減速電機(jī)的運(yùn)作，通過(guò)USB接口與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)，微處理機(jī)硬件系統(tǒng)如圖15所示。拉壓力選擇鍵清零鍵壓力信號(hào)行程信號(hào)運(yùn)動(dòng)方向控制鍵圖像縮放鍵TFT屏實(shí)時(shí)顯示SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)STM32顯示上位機(jī)減速電機(jī)存儲(chǔ)圖15 微處理機(jī)處理數(shù)據(jù)原理框圖2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)主要由刀片、交流減速電機(jī)、發(fā)條驅(qū)動(dòng)裝置和拉壓力傳感器等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖21。五號(hào)、宋體1. 底座 2 . 支架 3 . 刀片 4 . 定刀片 5 . 刀座 6 .傳感器 7 . 下行程托板 8 . 傳動(dòng)板連軸 9 . 上行程托板 10 . 限位開(kāi)關(guān) 11 . 固定板 12 . 電機(jī)固定螺桿 13 . 交流電機(jī) 14 . 傳動(dòng)軸 15. 聯(lián)軸器圖2 1 玉米莖稈強(qiáng)度測(cè)定儀簡(jiǎn)圖 儀器運(yùn)行模式該系統(tǒng)主要采用電動(dòng)模式，采用交流減速電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸通過(guò)絲杠提升或下放行程托板，從而帶動(dòng)傳感器跟隨刀片運(yùn)動(dòng)。作物秸稈放在刀片的刀口中。實(shí)現(xiàn)刀片的上升下降，當(dāng)?shù)镀\(yùn)動(dòng)時(shí)秸稈處于刀口與定刀片之間，由于兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而擠壓秸稈，很好的模仿農(nóng)業(yè)機(jī)械切割或者動(dòng)物咀嚼切斷秸稈的動(dòng)作。在調(diào)速器的配合下交流減速電機(jī)可實(shí)現(xiàn)十個(gè)檔位速度輸出。為方便切割測(cè)量不同形狀的玉米莖稈，實(shí)驗(yàn)中采用不同動(dòng)刀片，動(dòng)刀片如圖23所示，由1毫米厚的不銹鋼片切割而成。刃口形狀最初設(shè)計(jì)為矩形，在試驗(yàn)中由于秸稈會(huì)產(chǎn)生左右移動(dòng)，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，最終修改為帶有倒角的三角形。還有不同直徑的圓形刀片。刃口不進(jìn)行打磨，以減少鋒利程度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。定刀片為兩片寬為15毫米的不銹鋼片。圖23 動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心組成嵌入式控制平臺(tái)既增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，又使研發(fā)成本得到控制，具有很好的實(shí)用性?？刂葡到y(tǒng)硬件部分包括信號(hào)放大電路，信號(hào)反向電路。 信號(hào)放大系統(tǒng)信號(hào)放大電路由負(fù)電壓產(chǎn)生電路和信號(hào)放大器組成。負(fù)電壓產(chǎn)生電路由7808穩(wěn)壓芯片及ICL7660S電壓變換器組成。ICL7660S是單片集成CMOS電壓變換器，與同類芯片相比能保證顯著的性能優(yōu)勢(shì)。由于S型拉壓力傳感器傳感器標(biāo)準(zhǔn)輸出為0~20mv，為了能對(duì)應(yīng)輸出檢測(cè)0~200kg，我們?cè)黾恿艘患?jí)信號(hào)放大環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖31。R2為管腳1和管腳8之間的放大電阻，由于R1由片內(nèi)設(shè)定，由反向器增益k=R2/R1可知，只需將R2設(shè)定為適當(dāng)值便可得到理想放大倍數(shù)。圖31 放大電路結(jié)構(gòu)所研制儀器信號(hào)放大系統(tǒng)采用AD620AN芯片。引腳圖如圖32。圖32 AD620引腳圖AD620芯片具有易于使用，出色的直流性能，低噪聲，出色的交流性能等特點(diǎn)，其電壓供電電壓為+～+18V，增益范圍為1～1000，只需一個(gè)電阻即可設(shè)定。其性能高于3運(yùn)放分立放大器設(shè)計(jì)，采用8引腳DIP和SOIC封裝。同時(shí)還具有低功耗特點(diǎn)。其工作原理如圖33所示。圖33 AD620工作原理圖AD620采用經(jīng)典三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖34所示[8]。AD620提供優(yōu)于自制三運(yùn)放儀表放大器設(shè)計(jì)的性能，同時(shí)具有較小的尺寸，較少的原件和低10倍的工作電流。圖34 AD620結(jié)構(gòu)圖通過(guò)調(diào)整片內(nèi)電阻，只需選擇一個(gè)電阻便可實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精準(zhǔn)編程。反饋環(huán)路Q1A1R1和Q2A2R2使輸入器件Q1和Q2的集電極電流保持恒定，從而可將輸入電壓作用于外部增益設(shè)置電阻RG上，這樣就產(chǎn)生了從輸入至A1/A2輸出的差分增益，其計(jì)算公式為G = (R1 + R2)/RG + 1。單位增益減法器A3用來(lái)消除任何共模信號(hào)，以獲得折合到REF引腳電位的單端輸出。RG值還可以決定前置放大器的跨導(dǎo)。當(dāng)減小RG以獲得更大增益時(shí)，該跨導(dǎo)將漸近增大到輸入晶體管的跨導(dǎo)。這會(huì)帶來(lái)三大好處：a，開(kāi)環(huán)增益提升以提供更大的編譯增益，從而減小與增益相關(guān)的誤差；b，增益帶寬積隨著編程增益的提高而增大，從而優(yōu)化頻率響應(yīng)；c，輸入電壓噪聲降至9 nV/Hz，它主要由輸入器件的集電極電流和基極電阻決定[9]。 kΩ，因此主要利用一個(gè)外部電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精準(zhǔn)編程。增益公式為： 信號(hào)反向電路用于將測(cè)拉力時(shí)的負(fù)電壓信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以滿足單片機(jī)ADC的采集。反向電路如圖35所示，由負(fù)電壓產(chǎn)生電路和信號(hào)反向器組成。負(fù)電壓產(chǎn)生電路由