【正文】 在畢業(yè)設計過程，首先要感謝的是我的指導老師 陸榮鑑 老師 ，他 給我莫大的幫助。 本文 提出的奶牛 自動飼喂控制系統(tǒng)硬件電路簡單、控制靈活、可擴展性強， 但 在實際應用中 也存在需要改進的地方。 2） 步進電動機驅(qū)動器與 PIC16F873 單片機的接口 。該設計 將 分為 2 個步驟來進行。 0X00 為命令執(zhí)行成功， 0XFF 為命令執(zhí)行失敗。 2） 應答格式（ RFID→單片機） 包頭 長度字節(jié) 狀態(tài)字節(jié) 數(shù)據(jù)內(nèi)容 校驗字節(jié) 包尾 格式說明 0X02 包長度 0X00:成功 0XFF:失敗 n 字節(jié)的內(nèi)容 包校驗 0X03 字節(jié)數(shù) 1 1 1 n 1 1 表 a) 異步半雙工， 1 位起始位 +8 位數(shù)據(jù)位 +1 位停止位 。 c) 從包頭 到 包尾之間數(shù)據(jù)，不包括包頭和包尾，若出現(xiàn) 0X02,在之前補0X10,且長度直接不包括填補值 0X1O。在進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)時，本課題使用 PICMATE20xx 軟件來編寫、調(diào)試、編譯程序。 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 22 步進電機 步進電機驅(qū)動器 PIC 單片機 圖 電機驅(qū)動原理圖 RB0 RB2 A CP A B DIR B 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 23 5 ACFCS 系統(tǒng)軟件設計 上一章介紹了系統(tǒng)硬件的設計，本章將介紹各個功能模塊的軟件設計。選擇步進電機大致分為以下幾種步驟： a. 計算負載轉(zhuǎn)矩 假設系統(tǒng)力學模型如圖所示： 已知條件： 所用絲桿為滾珠螺桿，直徑 D=20mm,長度 L=1m，負載 P=50KG,Z1,Z2 為傳動齒輪，Z1分度圓直徑為 d1=210mm,Z2 分度圓直徑為 d2=70mm,寬度為 2cm； u=. 由此可計算負載轉(zhuǎn)矩如下： T= = 50 20/2/1000 = 1. 計算傳動構(gòu)件的 轉(zhuǎn)動慣量 滾珠螺桿傳動慣量： I0= l = 7800 1 = 同理可以求得 Z1 和 Z2的轉(zhuǎn)動慣量 I1= I2= 2. 計算傳動比 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 21 I21=d1/d2= 3 3. 計算電機啟動轉(zhuǎn)矩 Tm=T/I21+(I0+I1)ψ /I21+I2 ψ =+(+) 314/3+ 314 =++ = 考慮到 其他因素，將其乘以一個系數(shù)，此系數(shù)請以實際情況酌情選擇。盡管它是開環(huán)控制系統(tǒng)，會存在失步和振蕩 現(xiàn)象，但對于奶牛自動放料系統(tǒng)來講，這些都是在其誤差允許范圍內(nèi)的。通常當使用外部功能時，這個引腳不 可以作為 正常的 I/O 口使用。鍵盤的設置主要為了實現(xiàn)三種功能，第一種就是料量修改功能：當奶牛由于年齡的增長，之前設置的料量已經(jīng)和現(xiàn)時所需要的料量不符合時，工人可以按下料量修改鍵，重新設置所需的量，完畢后按下確認鍵，在按鍵修改的同時數(shù)值會在右側(cè)的數(shù)碼管 一一 顯示；第二種就是手動放料功能：當由于各種故障，使得系統(tǒng)沒有能夠識別奶牛的信息，進而不能驅(qū)動電機進行下料時，工人可以按下手動放料鍵，然后輸入數(shù)據(jù)并按下確定鍵，就可以臨時性地驅(qū)動電機進行動作，放出相應的草料，同時料量也會通過右側(cè)的數(shù)碼管同步顯示；第三種就是校準功能，當奶牛的飼料品種更換時，電機轉(zhuǎn)動同樣步數(shù)所出的料量就有可能就會和上一批飼料的料量不同，出現(xiàn)偏高或者偏低的現(xiàn)象，所以工人在初次更換草料時就要對它進行校準，原本標準單位重量的草料對應相應脈沖數(shù)，如果新更換的草料通過電子秤稱重之后顯示少于標準單位重量，就要 增加相應的脈沖數(shù)，反之則應該減少，到達標準重量即為校準完成，按下確定鍵就將標準單位重量的草料所對應的新的脈沖數(shù)存入到 E2PROM 中，并且在校準的同時會通過右側(cè)的數(shù)碼管 將 對應的脈沖值 顯示出來 ，方便工人查看。通過比較， 我們選用鍵盤 /顯示器專用芯片 HD7279A，這是一款串行控制芯片，能同時驅(qū)動 8 位共陰極 LED 數(shù)碼管和 64 鍵的鍵盤 (8*8 鍵盤矩陣 )，采用動態(tài)循環(huán)掃描。 (8)驅(qū)動能力強： I/O 端口驅(qū)動負載的能力較強，每個 I/O 引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達到 25mA 和 20mA，能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管 LED、光電耦合器或者微型繼電器等。在此所說的“字節(jié)”，特指 PIC 單片機的指令字節(jié)，而不是常說的8比特字節(jié)。 根據(jù)系統(tǒng)功能需求和成本的綜合考慮，采用 PIC16F873 這一款單片機作為 CPU，它具有 PIC 系列單片機的幾乎全部優(yōu)點，并且 28 個引腳數(shù) 使得它方 便實用， 經(jīng)濟實惠。成本低，有利于降低整個產(chǎn)品的研發(fā)成本，便于爭奪市場成分。南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 12 4 ACFCS 系統(tǒng)硬件電路設計 元件選擇 在硬件系統(tǒng)組成確定后，就需要考慮具體的元件選擇了?？傮w方案經(jīng)過反復推敲，確定了以 PIC 系列單片機為控制系統(tǒng)的核心，并選擇低功耗和低成本的 EEPROM、射 頻芯片等元 件。 RFID 技術(shù)還可以用于制造業(yè)的過程管理， RFID 技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)控生產(chǎn)過程的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進行質(zhì)量追蹤，實現(xiàn)自動化和個性化生產(chǎn)等，在貴重和精密物品生產(chǎn)管理過程中應用更為重要。 從設備的使用壽命來看，它利用無線電進行通信，并且采用了封閉式包裝，可以防塵、防油污和粉塵甚至高放射性，具有較好的環(huán)境耐受性，適合工作在惡劣的環(huán)境條件下。而對于有源系 統(tǒng) 來講，標簽成本更加昂貴，大多在 100 元以上。 在實際應用中，可進一步通過 Ether 或 WLAN 等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處 理及遠程傳送等管理功能。 讀寫器是讀寫電子標識中數(shù)據(jù)的裝置，由 RF 模塊、控制電路、接口電 路以及天線等組成。 (3)設計了基于 PIC 單片機的控制電路，并采用 Protel99 繪制了電路原理圖。 個性化 管理 : 準確控制每頭奶牛的飼料量，真正實現(xiàn)個性化管理。 歐 美等國所采用的 TMR 混合性日糧 （ Total Mixed Ration）技術(shù)，是一種能夠提供足夠的營養(yǎng)以滿足奶牛需要的飼養(yǎng)技術(shù)。 促進奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，是當前及今后一個時期農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展中一項緊迫的戰(zhàn)略任務。 為促進奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展 , 20xx 年 9 月 30 日， 國務院發(fā)布《國務院關(guān)于促進奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》。 本研究運用 RFID 射頻技術(shù)實現(xiàn)奶牛身份的自動識別， 提出了一套較為完整的適用于規(guī)?；B(yǎng)牛場的奶牛自動、準確料量投放的飼喂控制系統(tǒng)（ Automatic Cow Feeding Control System）。 試驗結(jié)果表明： MF1 IC S50 射頻讀寫器靈敏度高，識別時間短，識別距離達到 6cm,誤讀率低。標準化是關(guān)鍵，通過標準化生產(chǎn)，把集成的科學技術(shù)落在實處。 國內(nèi)傳統(tǒng)的奶牛養(yǎng) 殖，對于飼料投放這一塊都是采用人工放料，即工人根據(jù)肉眼觀察牛棚里每頭奶牛上方的標牌，獲知奶牛的性別、年齡、牛 的編 號和飼料量等信息，然后手工將對應重量的飼料投放到食槽中，這樣的方法簡單易于實現(xiàn)。 第一，實現(xiàn)了整個 喂養(yǎng) 過程的高度自動化控制。當規(guī)模化養(yǎng)殖成為主流， 自動喂養(yǎng)的方式必然是其中不可或缺的環(huán)節(jié)。存儲在集成電路里的數(shù)據(jù)可以通過天線來發(fā)送。中間 將基于不同平臺、不同實際需求的應用環(huán)境連接起來，通過提供合適的整合接口進行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)的其它投資是一次性的，而標簽的投資則是經(jīng)常的，即使是可以回收利用的系統(tǒng)， 也需要經(jīng)常補充損壞或者遺失的標簽。 RFID 特點 RFID 作為一項 有發(fā)展前途的信息技術(shù) ，主要有以下特點： 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 9 從數(shù)據(jù)的讀取方面來講，它無需接觸，不需要光源，且 讀取 信息 速度較快，穿透能力較好，電子標簽可以重復使用，應用 起來方便快捷。 RFID 技術(shù)在軍事領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛應用，美國在伊拉克戰(zhàn)爭中采用 RFID 技術(shù)對彈藥，槍支，物資，人員，卡車等物體進行識別與追 蹤。 ACFCS 工作流程 當工人推著投放車走到牛棚里的時候，奶牛識別 模塊先開始工作，它會根據(jù)讀得的電子標簽的編碼，將信息采集并通過串口傳送到 PIC 單片機里，隨后單片機進行查表操作，讀出編碼所對應的奶牛的性別、年齡、牛 的編 號等信息，并且得出預先設定好的投放料量，從而可以得到負責飼料投放的步進電機應該轉(zhuǎn)動的步數(shù)，進而驅(qū)動電機進行飼料投放動作，與此同時該奶牛的飼料量以及牛 的編 號會通過 LED 顯示器顯示出來，如果碰到特殊情況如因奶牛生長需要修改數(shù)據(jù)或者因讀卡故障需要人工驅(qū)動放料電機等問題，還可以通過鍵盤進行輸入操作，真正實現(xiàn)了方便快捷高效 。系統(tǒng)實現(xiàn)了以下各項功能 : (1) 實現(xiàn)飼喂和測定過程的全自動控制。 （ 2）低功耗。當程序指針 PC 跳飛至某條指令的中間時，會把操作數(shù)當成指令碼執(zhí)行而引起混亂。這樣做的好處是，便于實現(xiàn)“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行取指令的操作。 (5)代碼壓縮率高： 1K 字節(jié)的存貯器空間，對于像 MCS51 這樣的單片機，大約只能存放 600 條指令，而 PIC 單片機則能夠存放 1024 條指令。 通過比較我們選擇 AT24C64 串行 EEPROM 芯片，該芯片具有 8K 字節(jié)的存儲空間，且體積小、功耗低 、 電源電壓寬、 遵循 I2C總線協(xié)議 的特點。 模塊的電路設計 奶牛識別模塊獲取了奶牛的編號， PIC 單片機控制模塊根據(jù)編 號得出了相應的奶牛信息之后，就要進入到顯示模塊，將奶牛的編號和飼料 量 一一 顯示 。在該模塊中 PIC 的定時器模塊以及中斷系統(tǒng) 得到了最大限度的發(fā)揮，利用定時器的計數(shù)功能來產(chǎn)生一定周期的脈沖從而準確控制步進電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，達到自動放料和準確放料 的雙重目的。 RB0～ RB4接 HD7279A 的控制引腳。細分比不細分，輸出轉(zhuǎn)矩對各種電機都有不同程度的提 升。從驅(qū)動方式上來看，采用了高 壓、低壓兩個 電壓 進行 驅(qū)動，在步進電 機繞組開始上電的時候用高壓來供電，使得繞組中電流快速上升，然后切斷高壓改用低壓維持繞組中的電流，由于繞組的電阻很小，所以低壓足以為繞組提供較大電流，電機可以正常運行。主程序，實現(xiàn)的功能就是自動放料，這是整個系統(tǒng)軟件設計的核心，是系統(tǒng)最主要也是最基本的功能 。 UART 協(xié)議的所有命令的發(fā)送和接受均采用數(shù)據(jù)包的方式。 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 25 g) 數(shù)據(jù)內(nèi)容：通訊過程中，命令所帶的參數(shù)或內(nèi)容。即不包括包頭 到 包尾的字節(jié)數(shù)。首先執(zhí)行UART_INIT 完成 UART 的初始化工作，然后以無窮循環(huán)的方式執(zhí)行子程序 GET_DATA 檢查是否接受到數(shù)據(jù)，以及子程序 SEND_DATA 將接受到的數(shù)據(jù)傳送回去。反之輸出 RC=0. 3. 步驟三 完成以梯形速度曲線運動的步進電機控制程序。奶業(yè)要發(fā)展，離不開高新技術(shù)對它的幫助，本系統(tǒng)在未來的奶牛場管理系統(tǒng)中，必將發(fā)揮越來越重要的作用。 在畢業(yè)設計的這一學期，我感覺是 大學中 最充實，收獲最多的學期。你們善于鉆研 、百折不饒 的精神 一次次的打動了我，對我順利完成畢業(yè)設計起到了促進作用。 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 30 7 致謝 畢業(yè)設計接近尾聲，意味著大學四年的生活即將結(jié)束。 5） 給料量和步進電機旋轉(zhuǎn)角度的計算。 2. 步驟二 完成子程序，使得上步驟的 RB2 引腳可以輸出步進電機脈沖命令。 j) 包尾：固定為 0X03。 d) 包頭：固定為 0X02。即不包括包頭 到 包尾的字節(jié)數(shù)。 PIC 指令系統(tǒng)設計簡練，絕大部分是單字節(jié)指令，是最容易學、最容易運用的單片機品種之一。 程序的主循環(huán)流程 本系統(tǒng)的軟件設計思想，是以 PIC 單片機為核心，對其他外設進行全面有效地控制操作。 根據(jù)步進電機的型號，我們選擇常州蘇泰電器有限公司的 ST29HB 步進電機驅(qū)動器，它采用美國高性能專用微步距電腦控制芯片，實現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動，具有很強的抗干擾性、高頻性能好、頻率高、控制信號與內(nèi)部信號實現(xiàn)光電隔離，細分數(shù)可根據(jù)用戶需求專門設計。 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 20 驅(qū)動器的細分：細分是控制精度的標志，通過增大細分能改善精度。 A0口接 E2PROM 的 SCL,SCL 變成高電平可以對 AT24C64 進行操作。在單片機中，由于單位重量的飼料與步進電機輸入脈沖數(shù)的關(guān)系已預先設置好，所以明確了該奶牛的飼料量，就可以查出相應的放料電機脈沖數(shù)，然后就可以對顯示與人工設定以及電機驅(qū)動這兩個模塊進行操作。 HD7279A 引腳圖如下（圖 ） 南京林業(yè)大學 20xx 年畢業(yè)論文 16 圖 HD7279A 引腳圖 表 1 HD7