【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 環(huán)節(jié)中應(yīng)用 RFID 技術(shù)，顯著降低了人力成本、降低商品庫(kù)存、加快商品流通。 RFID 技術(shù)在軍事領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，美國(guó)在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中采用 RFID 技術(shù)對(duì)彈藥，槍支，物資，人員，卡車等物體進(jìn)行識(shí)別與追 蹤。 RFID 技術(shù)快速讀取與難以偽造的特性，被廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別證件。如世界各國(guó)正在開(kāi)展的電子護(hù)照，我國(guó)的第二代身份證，學(xué)生證等證件。 RFID 技術(shù)還可以用于制造業(yè)的過(guò)程管理， RFID 技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行質(zhì)量追蹤，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和個(gè)性化生產(chǎn)等，在貴重和精密物品生產(chǎn)管理過(guò)程中應(yīng)用更為重要。 RFID 技術(shù)將涉及到我們工作生活的各個(gè)方面，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展具有重大的影響。 南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 10 3 ACFCS 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 概述 ACFCS 即自動(dòng)喂料控制系統(tǒng)由 奶牛識(shí)別模塊、 PIC 單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和顯 示與人工設(shè)定模塊等四個(gè)控制部分構(gòu)成。 奶牛識(shí)別模塊就是采用射頻識(shí)別技術(shù)，將 RFID電子標(biāo)簽做成奶牛的耳標(biāo)，使得奶牛具有獨(dú)立的編號(hào)。 PIC 單片機(jī)控制模塊 的功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂料的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)讀到電子標(biāo)簽的編碼，將信息采集通過(guò)串口傳送到 PIC， PIC 進(jìn)行查表操作，讀出編碼對(duì)應(yīng)的 奶牛的性別、年齡、牛 的編 號(hào)等信息，并且得出預(yù)先設(shè)定好的投放料量，從而可以得到負(fù)責(zé)飼料投放的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù) ； 顯示與人工設(shè)定模塊則是實(shí)時(shí)顯示牛的編號(hào)以及牛的飼料量。 ACFCS 工作流程 當(dāng)工人推著投放車走到牛棚里的時(shí)候，奶牛識(shí)別 模塊先開(kāi)始工作，它會(huì)根據(jù)讀得的電子標(biāo)簽的編碼，將信息采集并通過(guò)串口傳送到 PIC 單片機(jī)里，隨后單片機(jī)進(jìn)行查表操作，讀出編碼所對(duì)應(yīng)的奶牛的性別、年齡、牛 的編 號(hào)等信息，并且得出預(yù)先設(shè)定好的投放料量，從而可以得到負(fù)責(zé)飼料投放的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行飼料投放動(dòng)作，與此同時(shí)該奶牛的飼料量以及牛 的編 號(hào)會(huì)通過(guò) LED 顯示器顯示出來(lái)，如果碰到特殊情況如因奶牛生長(zhǎng)需要修改數(shù)據(jù)或者因讀卡故障需要人工驅(qū)動(dòng)放料電機(jī)等問(wèn)題，還可以通過(guò)鍵盤進(jìn)行輸入操作，真正實(shí)現(xiàn)了方便快捷高效 。 ACFCS 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 的總體設(shè)計(jì)思路是圍繞著如何實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、高精度展開(kāi)的?？傮w設(shè)計(jì)應(yīng)該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標(biāo)，進(jìn)行硬件初步選型，然后確定一個(gè)系統(tǒng)的草案，同時(shí)考慮軟硬件實(shí)現(xiàn)的可行性?？傮w方案經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲，確定了以 PIC 系列單片機(jī)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。系統(tǒng)的基本組成如圖 31。 南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 11 鍵 盤 輸 入 及 L E D 顯 示P I C 單 片 機(jī)E E P R O MM A X 2 3 2步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 器R F I D讀 卡步 進(jìn) 電 機(jī) 圖 31 奶牛自動(dòng)放料系統(tǒng)框圖 ACFCS 基本功能 ASFCS 系統(tǒng)能夠自動(dòng)測(cè)定 出奶牛 生長(zhǎng) 過(guò)程的各項(xiàng)精確數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成各種表、自動(dòng)繪制生長(zhǎng)性能曲線。為奶牛 的選擇、育種提供指標(biāo)參數(shù)，也可以依據(jù)飼料實(shí)際飼喂效果的精確數(shù)據(jù)，比較選擇最佳配方飼料。對(duì)于提高我國(guó) 奶場(chǎng)管理水平 ，促進(jìn)我國(guó) 牛場(chǎng) 產(chǎn)業(yè)化升級(jí)建設(shè)創(chuàng)造了必要條件。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下各項(xiàng)功能 : (1) 實(shí)現(xiàn)飼喂和測(cè)定過(guò)程的全自動(dòng)控制。 (2) 耳標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)進(jìn)食的奶牛 進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別 。 (3) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、測(cè)定狀況、奶牛異常情況進(jìn)行全面監(jiān)視 。南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 12 4 ACFCS 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 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。元件選 擇同樣是以 模 塊化、低成本 、低功耗 等 為原則的。 （ 1）模塊化。元件模塊化有利于簡(jiǎn)化電路，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，不至于使硬件系統(tǒng)顯得過(guò)于臃腫。也有利于電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明易懂，便于理解。 （ 2）低功耗。降低功耗，便于 電路順暢，高效率運(yùn)行。 （ 3）低成本。成本低，有利于降低整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)成本，便于爭(zhēng)奪市場(chǎng)成分。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的選擇是整個(gè)控制系統(tǒng) 的關(guān)鍵因素。應(yīng)選用功耗低、電磁兼容性好、可靠性高、保密程度高、內(nèi)置硬件看門狗電路的微控制器。 51系列單片機(jī)已比較熟悉，其特點(diǎn)是通用型強(qiáng)、堆棧豐富、編程容易等，使用十分方便。但 51 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)中， 2～ 3字節(jié)指令特別多。當(dāng)程序指針 PC 跳飛至某條指令的中間時(shí)，會(huì)把操作數(shù)當(dāng)成指令碼執(zhí)行而引起混亂。另外加密程度不高，內(nèi)部無(wú)硬件看門狗電路，外部電路更加復(fù)雜 。 本系統(tǒng)選擇美國(guó) Microchip 公司生產(chǎn)的 PIC 單片機(jī)作為主控芯片，哈佛總線結(jié)構(gòu)、指令單字節(jié)化、 尋址方式簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、 RISC 技術(shù)和運(yùn)行速度快使得它在 8 位單片機(jī)領(lǐng)域里大放異彩。 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(jī)作為 CPU，它具有 PIC 系列單片機(jī)的幾乎全部?jī)?yōu)點(diǎn)，并且 28 個(gè)引腳數(shù) 使得它方 便實(shí)用， 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 試驗(yàn)證明 PIC16F873 完全能達(dá)到所要求的性能。它 將 PIC 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單， 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練，中斷性能發(fā)達(dá)，低電壓，低功耗在試驗(yàn)中充分得到體現(xiàn)。 PIC 單片機(jī)具有以下優(yōu)越之處： (1)哈佛結(jié)構(gòu)：在國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的單片機(jī)中， PIC 系列單片機(jī)是唯一的一種在芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)的機(jī)型。這里所說(shuō)的“哈佛結(jié)構(gòu)”就是，在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 13 離，并且采用不同的寬度，如圖 所示。這樣做的好處是，便于實(shí)現(xiàn)“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行取指令的操作。在一般的單片機(jī)中，指 令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的。 圖 PIC 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) (2)“單字節(jié)化”：因?yàn)閿?shù)據(jù)總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序存貯器 ROM 和數(shù)據(jù)存貯器 RAM 的尋址空間（即地址編碼空間）是互相獨(dú)立的，而且兩種存貯器寬度也不同，這樣設(shè)計(jì)不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運(yùn)行速度和實(shí)現(xiàn)全部指令的“單字節(jié)化”。在此所說(shuō)的“字節(jié)”，特指 PIC 單片機(jī)的指令字節(jié)，而不是常說(shuō)的8比特字節(jié)。 (3)精簡(jiǎn)指令集（ RISC）技術(shù)： PIC 系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)（就是該單片機(jī)所能識(shí)別的全 部指令的集合）只有 35條指令。 PIC 系列單片機(jī)不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。 (4)尋址方式簡(jiǎn)單：尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。 PIC 系列單片機(jī)只有 4種尋址方式（即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址），容易掌握，而 MCS51 單片機(jī)則為 7種尋址方式。 (5)代碼壓縮率高： 1K 字節(jié)的存貯器空間，對(duì)于像 MCS51 這樣的單片機(jī)，大約只能存放 600 條指令，而 PIC 單片機(jī)則能夠存放 1024 條指令。 (6)運(yùn)行速度高：由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，以及指令的讀取和執(zhí) 行采用了流水作業(yè)方式，使得運(yùn)行速度大大提高。 (7)功耗低： PIC 系列單片機(jī)的功率消耗極低，是目前世界上最低的單片機(jī)品種之一。 (8)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)： I/O 端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè) I/O 引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達(dá)到 25mA 和 20mA，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 LED、光電耦合器或者微型繼電器等。 本設(shè)計(jì)的使用的是 PIC16F873， 它集成了許多外設(shè)模塊，能最大程度的減少了外結(jié)電南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 14 路，本設(shè)計(jì)使用到的外設(shè)模塊有： (1)定時(shí)器 TMR0 模塊： 8位寬的可編程定時(shí)器，也可以作為計(jì)數(shù)器使用。 (2)定時(shí)器 TMR1 模 塊： 16 位寬的可編程定時(shí)器，也可作為計(jì)數(shù)器，并且可以與捕捉 / 比較 /脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制輸出功能。 (3)EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊模塊： 128 字節(jié)的存儲(chǔ)器， 既可以擦除，也可以電寫(xiě)， 存儲(chǔ)的內(nèi)容掉電也不會(huì)丟失。 串口 EEPROM 的選擇 在系統(tǒng)的外部設(shè)備中，要選擇一種性能優(yōu)越、符合實(shí)驗(yàn)要求的 EEPROM 來(lái)用以存儲(chǔ)牛場(chǎng)中所有奶牛的信息，包括每頭牛的性別、年齡、料量和放料電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)。 通過(guò)比較我們選擇 AT24C64 串行 EEPROM 芯片，該芯片具有 8K 字節(jié)的存儲(chǔ)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(diǎn)。 （ 引腳圖 及功能 見(jiàn)圖 ） 圖 AT24C64 引腳圖 引腳描述： （ 1） 設(shè)備地址線 A A A0： 作 為設(shè)備地址輸入線 ； （ 2） WP 線：寫(xiě)保護(hù)輸入，當(dāng)接地時(shí)， 允 許寫(xiě)操作；接高電平的時(shí)候 VCC，所有的寫(xiě)操作被抑制；給引腳不接，內(nèi)部把它拉成低電平 GND； （ 3） SCL： SCL 輸入是用于時(shí)鐘信號(hào)，同步數(shù)據(jù)的輸入和輸出 EEPROM； （ 4） SDA： SDA 是一位一位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，形成一個(gè)數(shù)據(jù)串，而不是并行。該 引 腳 為漏極驅(qū) 動(dòng)，可以以別的漏極開(kāi)路的設(shè)備直接連接； AT24C64 設(shè)備的運(yùn)行條件： 南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 15 （ 1） 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸： SDA 腳通常被拉高在接外部設(shè)備時(shí)；數(shù)據(jù)只有在 SCL 時(shí)鐘上的信號(hào)變成低電平時(shí)改變才是有效的；在 SCL 高電平，數(shù)據(jù)線變化形成開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)； （ 2） 開(kāi)始時(shí)序： SCL 變成高電平， SDA 產(chǎn)生一個(gè)高低變化的信號(hào)，這個(gè)就是開(kāi)始信號(hào)，開(kāi)始信號(hào)是對(duì)卡進(jìn)行其他一切操作的必須條件； （ 3） 停止時(shí)序：在 SCL 高電平時(shí)， SDA 產(chǎn)生一個(gè) 由 低變到高的信號(hào)，這個(gè)形成結(jié)束命令信號(hào)；停止命令必須發(fā)生在 EEPROM 在標(biāo)準(zhǔn)電壓工作的條件下； （ 4） 應(yīng) 答信號(hào)（ ACKNOWLEDGE）：所有的地址和數(shù)據(jù)字被串行輸入輸出 EEPROM（即每傳輸了 8 位數(shù)據(jù)）， EEPROM 在第九個(gè)時(shí)鐘周期就發(fā)一個(gè) ‘0’ 信號(hào)，作為應(yīng)答已經(jīng)接受了每個(gè)字（即 8 為數(shù)據(jù)）； 顯示與人工設(shè)定模塊設(shè)計(jì) HD7279A 芯片選擇 在 顯示與人工設(shè)定 模塊中既有對(duì)鍵盤的信息讀入， 又有對(duì)數(shù)碼管的顯示控制。通過(guò)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(shí)驅(qū)動(dòng) 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(dòng)態(tài)循環(huán)掃描。它最主要的特點(diǎn)就是與 單片機(jī)之間采用串行接口方式，僅占用 4 根口線，簡(jiǎn)單方便。 HD7279A 內(nèi)部具有譯碼器，可直接接受 BCD 碼或 16 進(jìn)制碼，并同時(shí)具有兩種譯碼方式。 HD7279A 引腳圖如下（圖 ） 南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 16 圖 HD7279A 引腳圖 表 1 HD7279A 引腳說(shuō)明 HD7229A 采用串行方式與單片機(jī)通訊，串行數(shù)據(jù)通過(guò) DATA 引腳進(jìn)入芯片，并由 CLK端同步。當(dāng)片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅?DATA 引腳上的數(shù)據(jù)在 CLK 的上升沿被寫(xiě)入 HD7279A 的南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 17 緩存寄存 器內(nèi)。 模塊的電路設(shè)計(jì) 奶牛識(shí)別模塊獲取了奶牛的編號(hào)， PIC 單片機(jī)控制模塊根據(jù)編 號(hào)得出了相應(yīng)的奶牛信息之后，就要進(jìn)入到顯示模塊，將奶牛的編號(hào)和飼料 量 一一 顯示 。本系統(tǒng)采用的是兩個(gè) 數(shù)碼管 S05641C（四位七段） ，左邊一側(cè)的數(shù)碼管用于顯示牛號(hào)，從 0001 到 9999，足以滿足大多數(shù)牛場(chǎng)的需要；右邊一側(cè)的數(shù)碼管用于顯示飼料量以及電機(jī)的輸入脈沖數(shù)，當(dāng)在料量顯示狀態(tài)時(shí)以公斤計(jì)，從 1Kg 到 99Kg，并且可以精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。 鍵盤由 17 個(gè)鍵構(gòu)成，包括 0 到 9 的數(shù)字鍵、小數(shù)點(diǎn)鍵、增加鍵、減少鍵、料量修改鍵、手 動(dòng)放料鍵、校準(zhǔn)鍵和確認(rèn)鍵。鍵盤的設(shè)置主要為了實(shí)現(xiàn)三種功能，第一種就是料量修改功能：當(dāng)奶牛由于年齡的增長(zhǎng)，之前設(shè)置的料量已經(jīng)和現(xiàn)時(shí)所需要的料量不符合時(shí)，工人可以按下料量修改鍵，重新設(shè)置所需的量，完畢后按下確認(rèn)鍵，在按鍵修改的同時(shí)數(shù)值會(huì)在右側(cè)的數(shù)碼管 一一 顯示；第二種就是手動(dòng)放料功能：當(dāng)由于各種故障，使得系統(tǒng)沒(méi)有能夠識(shí)別奶牛的信息，進(jìn)而不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行下料時(shí)，工人可以按下手動(dòng)放料鍵，然后輸入數(shù)據(jù)并按下確定鍵，就可以臨時(shí)性地驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，放出相應(yīng)的草料，同時(shí)料量也會(huì)通過(guò)右側(cè)的數(shù)碼管同步顯示；第三種就是校準(zhǔn)功能，當(dāng)奶牛的飼料品種更換時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同樣步數(shù)所出的料量就有可能就會(huì)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(shí)就要對(duì)它進(jìn)行校準(zhǔn)，原本標(biāo)準(zhǔn)單位重量的草料對(duì)應(yīng)相應(yīng)脈沖數(shù)，如果新更換的草料通過(guò)電子秤稱重之后顯示少于標(biāo)準(zhǔn)單位重量，就要 增加相應(yīng)的脈沖數(shù)，反之則應(yīng)該減少，到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)重量即為校準(zhǔn)完成，按下確定鍵就將標(biāo)準(zhǔn)單位重量的草料所對(duì)應(yīng)的新的脈沖數(shù)存入到 E2PROM 中，并且在校準(zhǔn)的同時(shí)會(huì)通過(guò)右側(cè)的數(shù)碼管 將 對(duì)應(yīng)的脈沖值 顯示出來(lái) ，方便工人查看。 電路設(shè)計(jì)圖 南京林業(yè)大學(xué) 20xx 年畢業(yè)論文 18 1 2 3 4ABCD