【正文】 r peripherals. The system obtains seed output information through weighing transducer, uses capacitive moisture sensors to measure the seed moisture content information, and outputs data to upper puter via MoudBus protocol, pletes barcode input, the print and storage of output information and other links via the embedded integration touch screen. The system pletes the moisture content measurement of more than ten kinds of grain including maize, its response speed and measurement precision reach the international general measurement level. Keywords: Plot yield monitoring。 MCGS Touch screen。 STC12 MCU 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 緒論 研究背景 在小區(qū)育種試驗過程中，育種工作者每年為了對雜交種進行自交系的配合力、雜交種品質(zhì)和適應(yīng)性的驗證，都需要記錄各個品種籽粒的產(chǎn)量、含水率、容重、千粒重等信息。面對如此龐大的測試工作量，目前我國絕大部分育種小區(qū)試驗的收獲測產(chǎn)仍然依靠人工方式使用國內(nèi) 較為便宜的小型脫粒機脫粒后，通過天平稱重測產(chǎn)記錄，再使用便攜式谷物水分測量儀進行籽粒水分測量記錄工作，之后還需要將記錄信息匯總錄入電腦存儲，以便后續(xù)的測試結(jié)果分析。育種測產(chǎn)工作面臨勞動強度 大， 測試數(shù)據(jù) 正確率低 等 諸多 問題 [1]。 因此 如何在 保持其正常的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣及應(yīng)用 的基礎(chǔ)上， 提高 其收獲的工作 效率，成為育種工作者 面臨的 一項難題。 在農(nóng)業(yè)高速發(fā)展的現(xiàn)在，小區(qū)育種實驗環(huán)節(jié)顯得尤為重要，它甚至能夠影響大規(guī)模農(nóng)業(yè)種植的產(chǎn)業(yè)模式。實現(xiàn)小區(qū)育種的智能化測產(chǎn)成為迫切需要解決的問題。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 早年國內(nèi)中小 型的育種單位， 每年都需要 組配大量 種子 組合。但是由于要測試的數(shù)據(jù)過于龐大，最后有可能因各種原因無法完成所有組對，甚至出現(xiàn)只能挑選些看似產(chǎn)量較好的小區(qū)進行測產(chǎn)的情況。面對如此尷尬的境地，育種工作者也只能依靠經(jīng)驗來梳理數(shù)據(jù)，從中刷選出優(yōu)質(zhì)種子進行進一步的論證?，F(xiàn)階的中小型育種單位能夠選擇使用過內(nèi)較為便宜的設(shè)備進行各項籽粒信息的逐一手抄匯總，但問題依然突出， 收獲操作 效率低 下 ， 無法適應(yīng)大批量 水分以及產(chǎn)量的 測 定工作 。只有大型的育種公司，由于每年需要進行上萬個組合進行多點測試時，才會采購大型的機械和設(shè)備，但由于資金問題也 只能夠購置國外落后機型。其國內(nèi)外育種技術(shù)和方案的差異性，導(dǎo)致育種工作者可能需要花費大量時間對小區(qū)排序、使用手提電腦收集產(chǎn)量水分信息等較為繁瑣的任務(wù) [2]。當然也有帶 GPS 的小區(qū)測產(chǎn)收割機，只需要一個個小區(qū)的收獲，就可以記錄各個小區(qū)產(chǎn)量、水分、容重等信息 。此類小區(qū) 育種收獲 機在國外 的 應(yīng)用已經(jīng) 相對比較 普遍， 然而，如果 想在國內(nèi)普遍應(yīng)用， 依然 可能會因價格 高昂 、運輸 不便， 操作 復(fù)雜 等諸多問題而在相當長的一段時間內(nèi)無法 全面 實現(xiàn)。對于擁有國家項目的大型單位也往往利用不起來已買的各種測試系統(tǒng)。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 相對應(yīng)的國外現(xiàn)階段 美國 的 阿麥科、 丹麥 的 霍爾公司等 公司 設(shè)計生產(chǎn)的小區(qū)育種收獲測產(chǎn)系統(tǒng) 均 已達到 或領(lǐng)先于 國際 先進 水平。美國 的 阿麥科公司 設(shè)計生產(chǎn)的小區(qū) 種子重量 、水分 檢測 系統(tǒng)包括種子測產(chǎn)系統(tǒng)、電子秤、濕度感應(yīng)器、種子測產(chǎn)料筒、 DPA 掌上電腦、收獲測產(chǎn)軟件、專用打印機等設(shè)備，能夠完成高效，自動化的測量種子籽粒產(chǎn)量、水分等信息。奧地利 的 溫特斯泰格公司 設(shè)計生產(chǎn) 的 小區(qū)育種 測產(chǎn) 設(shè)備 ， 不僅 配備 有條形碼 掃描槍，實現(xiàn) 免排序 功能， 加快 了收獲測產(chǎn) 速度，還 可以 測容重 等信息 。與以往的人工收獲相比，這些測產(chǎn)系統(tǒng)用于 小區(qū)育種收獲 ， 極大 的 解放了勞動力 ，降低了收獲損失，提高 了收獲 效率。 結(jié)合國內(nèi)實際情形，一些科研公司也開始有開發(fā)針對國內(nèi)外中小客戶的測產(chǎn)設(shè)備。收獲依然主要靠國內(nèi)相對便宜的人工操作，及時把小區(qū)重量和水分收集上來。國內(nèi)也有設(shè)計一體化的大型設(shè)備的企業(yè)，沈陽普瑞思改造的 GPH 谷物小區(qū)收獲系統(tǒng)， 在很多 方面 就 堪比 國外 進口設(shè)備 水平 [3]。 雖然在 成本 上 比國外進口設(shè)備降低 了很多 ， 而且 已經(jīng)裝備 到 國內(nèi)多家育種科研單位 ， 卻 依然 難以擺脫測量精度低、誤差率大的 問題 。 本人曾跟隨指導(dǎo)老師去我校青島膠州玉米育種基地實際考察過那里的育種小區(qū)測定方式，其大致情況就是：通過小型玉米脫粒機對玉米進行脫粒后， 使用便攜式水分儀測定玉米樣品水分并手動記錄后，在通過電子稱測定小區(qū)收獲玉米的重量并手動記錄，最后還需要進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計錄入工作，進行進一步的數(shù)據(jù)整理和分析。 圖 11 國內(nèi)普遍使依次測量水分、測量重量使用的設(shè)備 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 研究目地和意義 育種對于農(nóng)業(yè)的 增產(chǎn) 增收具有較為重要的作用，在大面積推廣新品種之前，必須要先進行小面積的育種產(chǎn)量等各項測驗， 用于 客觀的評定 各種種子的 新品種， 了解種子 新品種的種植特性 、 增產(chǎn)效益 等數(shù)據(jù)信息 。這項工作繁瑣，且人工勞動強度大，工作效率低，實驗數(shù)據(jù)精度質(zhì)量差， 特別 是一些 大型育種公司，每年上萬組合的多點測試，更是難以 在收獲當天完成全部任務(wù) 。因此，如何提高工作效率，設(shè)計制造適合國內(nèi)育種具體需要和資金要求的設(shè)備，降低勞動強度，避免 不必要的 測試數(shù)據(jù)混亂，提高 測量 數(shù)據(jù)的精確度，成為了本設(shè)計的研究重點 。 研究方案的確立與實施 基本思路 本設(shè)計以信息化、自動化和傳感器技術(shù)為核心，設(shè)計完成集種子品種、水分、重量、容重信息的測定采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄、打印等功能的精準農(nóng)業(yè)小區(qū)測產(chǎn)設(shè)備。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)小區(qū)測產(chǎn)的精準化、高效化、系統(tǒng)化的高品質(zhì)應(yīng)用設(shè)備，滿足測產(chǎn)收獲、現(xiàn) 場實驗等不同規(guī)格的應(yīng)用要求。項目重點進行 關(guān)于 智能測產(chǎn)系統(tǒng)的 谷物水分測定、谷物產(chǎn)量檢測技術(shù)的 研究 ，設(shè)計完成小區(qū)育種收獲 智能測產(chǎn)系統(tǒng)。設(shè)備擺脫了傳統(tǒng)的抽樣法，品量小、樣品有一定的制約性的缺點，在提高工作效率，降低勞動強度，避免測試數(shù)據(jù)發(fā)生混亂，提高數(shù)據(jù)的精確度等方面 也 做 了 更深入的研究 設(shè)計 。 本測產(chǎn)系統(tǒng) 整體可 分為 ：以 MCGS 觸摸屏 為基礎(chǔ)的 上位機 操作 系統(tǒng) 部分和以 STC12單片機 為基礎(chǔ)的 下位機 控制 系統(tǒng)部分。上位機 操作 系統(tǒng)以 MCGS 觸摸屏 構(gòu)件及其 RS48USB 等外設(shè)接口 作為核心部件；下位機系統(tǒng) 則 包括 STC12 單 片機 、 電容式水分傳感器、電阻應(yīng)變式 稱重傳感器、不干膠熱敏打印機和條形碼閱讀器等外設(shè)。農(nóng)業(yè)測產(chǎn)系統(tǒng)通過 系統(tǒng) 稱重傳感器獲得種子籽粒的產(chǎn)量信息、利用電容式水分傳感器測量種子籽粒的含水率信息，再通過嵌入式一體化觸摸屏完成條形碼錄入，產(chǎn)量信息打印存儲等環(huán)節(jié)。 系統(tǒng) 將稱重傳感器 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器 完成模數(shù)轉(zhuǎn)換 、 將 電容式水分傳感器經(jīng) 頻率分析完成數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換 ，然后 STC12 單片機再對獲取地 數(shù)字信號 進行 操作 ， 得到種子籽粒的實際產(chǎn)量、含水率等信息；同時 STC12C5A60S2 單片機 會 將轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)信息 ， 通過 RS485 串行通訊的方式傳 輸給上位機 系統(tǒng) —— 嵌入式一體化觸摸屏。 MCGS 觸摸屏作為上位機 系統(tǒng) ，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 用于 顯示產(chǎn)量、水分等信息 ； 控制電機運轉(zhuǎn)；控制不干膠打印機打印收獲信息等數(shù)據(jù)。同時觸摸屏 還 可 以 用于數(shù)據(jù)信息 的存儲 ；作為鼠標的輸入接口， 通過 鼠標 操作 控制觸摸屏 運行 ；作為條形碼閱讀器輸入設(shè)備接口， 通過 條形碼 閱讀器完成條形碼信息的 錄入工作；作為 U 盤的接口，將測量存儲的 信息 保存到 U 盤。 圖 21 系統(tǒng) 整體 方案 本 系統(tǒng)設(shè)計 在 完成 之 后 ，系統(tǒng) 將 在以下幾個方面將擁有明顯的 優(yōu)勢： （ 1）水分 測定 的 范圍 廣，可以 對 包括玉米 在內(nèi)的 十余種 谷物 品種的 含水率 測量 ； （ 2）水分 測定 速度快 ， 采用 電容法測定 方式，對 谷物水分 測定 快速、方便； （ 3） 數(shù)據(jù) 保存、 統(tǒng)計 、 匯總效率高效，便于記錄 和 查詢； （ 4） 人機交互界面 明朗清晰 、 操作過程高度 自動化。 設(shè)計方案 MCGS 觸摸屏 水份： XX 重量： XX 干重： XX ┈┈ USB 485 鼠標 U盤 掃描槍 不干膠打印機 水份傳感器 STC12C5A60S2 主控板 稱重傳感器 電機 232 232 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 本設(shè)計結(jié)合國內(nèi)小區(qū)育種現(xiàn)狀，在充分考慮到自身設(shè)計水平限制后，決定設(shè)計完成一項集條形碼識別，小區(qū)育種收獲水分、重量測產(chǎn)，數(shù)據(jù)保存、 U 盤導(dǎo)出，不干膠打印于一體的農(nóng)業(yè)小區(qū)育種智能化測產(chǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過選用昆侖通態(tài)工控機解決條形碼 USB 輸入、數(shù)據(jù)保存、 U 盤導(dǎo)出 .scv格式 文件等問題；通過選用電容式水分儀解決水分速測、以及精度要求高的問題；通過選用高精度稱重模塊，解決稱重重量問題；最后利用單片機作為數(shù)據(jù)分析處理芯片，完成整個系統(tǒng)。 系統(tǒng)研究具體實施方案如下： （ 1） 小區(qū)育種基地進行實地考察研究，了解系統(tǒng)設(shè)計實際需要，目前存在的問題； （ 2） 參觀學(xué)習(xí)其進口引進的小區(qū)育種收獲測產(chǎn)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)國外優(yōu)秀的設(shè)計理念； （ 3） 方案設(shè)計，明確設(shè)計思路； （ 4） 系統(tǒng) PCB繪制，以及芯片焊接測試 ； （ 5） 系統(tǒng)軟件設(shè)計，完成系統(tǒng)各個模塊的調(diào)試工作； （ 6） 整體調(diào)機工作，軟硬件調(diào)試，整機協(xié)調(diào)工作，穩(wěn)定性測試，優(yōu)化設(shè)計。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2 系統(tǒng) 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 機箱殼體設(shè)計 本系統(tǒng)就設(shè)備的機箱進行了 工業(yè) 生產(chǎn)化設(shè)計， 主要 用于固定觸摸屏、打印機、打印機控制板、主控電路、外設(shè) USB 接口 、 電源接口 以及外接控制信號線 等 設(shè)備 。首先 本系統(tǒng)利用軟件 UG 對 機箱殼體進行了三維立體設(shè)計， 經(jīng)歷數(shù)次 方案的更改 后 最終定型 為酷似ATM 機形狀的機殼。 三維圖繪制完成后， 再 對 三維立體圖 進行 CAD 平面繪制 ， 最后 送入小型 工廠加工。加工材料采用 1 厘米厚的不銹鋼板，通過激光 打孔 ，完成各個部件的切割 ，最后進行焊接磨邊等工作 。 機殼三維設(shè)計圖 如下圖所示： 圖 21 機箱殼體側(cè)面、正 面 圖 22 機箱殼體后蓋、觸摸屏固定板 下面 再 介紹下 觸摸屏機殼上的 開關(guān)、航空插頭以及 USB 分線器 等幾項設(shè)備接口 。 系統(tǒng) 開關(guān)采用的是帶 24V 燈 的 16mm 自鎖不銹鋼電源開關(guān)，其 具有 機械壽命和電氣壽命 久 、性能 較 穩(wěn)定；絕緣性好；燈珠壽命長 等優(yōu)點 。 航空插頭 的 優(yōu)勢在 于 可經(jīng)常插拔， 而不影響青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 接觸良好行 。 USB 分線器， 把 一個 USB 接口擴展為多個 ，方便接入多個外設(shè)： U 盤、鼠標、條形碼掃描槍等。機殼上方 還放置了塑料伸縮拉手、搭鎖扣、 90 度合頁等。 圖 23 開關(guān)接口、航空插頭接口、 USB分線器 機殼組裝完畢后，外形酷似 ATM 取款機的風(fēng)格，傾斜的屏幕下方是電源開關(guān)以及打印機出紙口。上方為伸縮把手，方便搬移機殼。后面則是搭鎖扣打開后的機殼內(nèi)部，可方便更換打印紙和對電路進行調(diào)試或者更換設(shè)備。系統(tǒng)最終定型后會將更多的控制電路移動至機殼內(nèi)部，并將機殼剩余部分加上隔板用于儲物只用，放置鼠標、條形碼掃描槍等設(shè)備。下圖為機殼裝機后的展示圖片： 圖 24 組裝實物圖 稱重 料筒 機械設(shè)計 稱重料筒采用的是懸掛方式進行稱重，選用橫桿固定“ S”稱重傳感器的上側(cè)，傳感器下側(cè)固定料筒。 稱重料筒落料方式 則 采用推拉式方法 。沉重料筒下部有合頁完成開合任務(wù)， 方案采用 電動推桿 對合頁進行開合控制 ，以 完成落料 。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 方案中將推桿置于料筒內(nèi)部，避免了因放在一側(cè)造成的不平衡問題，使得稱重傳感器更加準確的測量小區(qū)收獲種子的重量。桶內(nèi)橫梁是可拆卸的便于電機的更換調(diào)整，下一步桶內(nèi)橫梁也將被做成圓弧型，徹底避免落料不完全的問題。 圖 25 推拉合頁落料 方式 水分測量取料設(shè)備 水分測量取料設(shè)備，采用斜 坡落料，中間的圓口收集種子籽粒，其余溢出部分隨斜坡滑入稱重