【正文】 信號(hào)都是接近于平滑的曲線，因此可以證明，原來信號(hào)波動(dòng)是有放大器未接地所引起。圖45 蓄電池供電采集信號(hào)由圖43與圖44比較，用蓄電池供電所采集信號(hào)雖然波動(dòng)幅度減小，但是任然存在規(guī)律性波動(dòng)，由此可以排除波動(dòng)由交流電引入的假設(shè)。同時(shí)由于放大器在不同位置信號(hào)波動(dòng)幅度不同，采集到未加任何處理的信號(hào)如圖44。 所以只要求出測得的壓力曲線下的總點(diǎn)數(shù)，就可通過其比值求出本次測量所做的功。因?yàn)閱纹瑱C(jī)采集的最大壓力值為200，轉(zhuǎn)換為AD值為,相當(dāng)于分成了4096份，這樣滿量程所做的功就可用個(gè)點(diǎn)代替。 （1）式中：——剪切位移；——剪切速度；——剪切時(shí)間。 = Max式中　——綜合系數(shù)——每次測定的壓力值S ——受力面積 過載及做功程序設(shè)計(jì)當(dāng)壓力值大于設(shè)定的最大值時(shí)，系統(tǒng)通過蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)電機(jī)按反方向運(yùn)行，直到限位開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。同時(shí)該軟件還可讀取SD卡存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，很好的再現(xiàn)測量時(shí)的壓力曲線并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 測量參數(shù)及其計(jì)算方法玉米莖稈強(qiáng)度可以通過玉米莖稈某一固定部位單位面積上的壓力來表示, 為此我們只要檢測到玉米莖稈某一固定部位單位面積上的壓力就可以計(jì)算出玉米莖稈的強(qiáng)度。Show =Date*200/4096。通過串口與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。但是在濾波過程中也存在一些缺點(diǎn)需要我們注意：它相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。具有對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場合。信號(hào)未校正前信號(hào)校正后圖43 校正前后信號(hào)圖比較 軟件如何減小ADC誤差軟件濾波有很多種方法，主要是針對(duì)不同干擾信號(hào)采取不同的方法將其消除，實(shí)驗(yàn)中綜合 各種濾波方法的優(yōu)缺點(diǎn)采用一階滯后濾波法。否則模擬輸入的變化將會(huì)出現(xiàn)在結(jié)果數(shù)值中，從而引入新的誤差。試驗(yàn)中采用對(duì)模擬輸入信號(hào)的多次采樣和軟件計(jì)算取平均值來消除模擬輸入信號(hào)的噪聲。市電經(jīng)降壓、整流、濾波，再經(jīng)過線性穩(wěn)壓器可以得到較為穩(wěn)定的信號(hào)輸出。但對(duì)于偏移和增益誤差我們可以簡單的采用STM32F103模塊的自校準(zhǔn)功能補(bǔ)償。為此在改進(jìn)儀器測定精度過程中，在ADC模塊與電源之間增加電容成為必不可少的環(huán)節(jié)。其次是與環(huán)境相關(guān)的ADC誤差主要是電源噪聲、電源穩(wěn)壓和模擬輸入信號(hào)噪聲。要提高儀器測量數(shù)據(jù)精度需要了解誤差來源以及如何從硬件與軟件方面減小誤差，提高精度。中斷程序主要進(jìn)行電機(jī)控制，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，上位機(jī)通信以及過載保護(hù)等。微機(jī)系統(tǒng)中，中斷可分為外部中斷（或硬件中斷）和內(nèi)部中斷（或軟件中斷）。（4）分時(shí)處理。（3）并行操作。（2）實(shí)時(shí)信息處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障和程序執(zhí)行錯(cuò)誤都是隨機(jī)事件，事先無法預(yù)料。中斷子程序一般存放在內(nèi)存中一個(gè)固定的區(qū)域內(nèi)，它的起始地址稱為中斷服務(wù)子程序的入口地址[15]。由于CPU正在執(zhí)行的原程序被暫停執(zhí)行，所以稱為中斷。玉米莖稈剪切力不僅可以與上位機(jī)進(jìn)行通信進(jìn)行顯示和SD卡存儲(chǔ)讀取顯示，還可以通過控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，圖41為三種數(shù)據(jù)顯示方式。 數(shù)據(jù)顯示單片機(jī)對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，處理后的數(shù)據(jù)由液晶屏以剪切力曲線的形式進(jìn)行顯示。行列式鍵盤接口有掃描法和線反轉(zhuǎn)法等[13 14]。獨(dú)立式鍵盤接口有中斷方式和查詢方式等，一般都采用軟件消抖的方法來實(shí)現(xiàn)鍵功能處理。 鍵功能處理常用鍵盤接口分為獨(dú)立式鍵盤接口和行列式鍵盤接口。 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件嵌入式控制系統(tǒng)由主程序控制，鍵功能處理、數(shù)據(jù)顯示、中斷處理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上位機(jī)通信等模塊組成。儀器還具有SD卡檢測功能?？刂破靼婷嬗煞糯?、歸位、拉力、壓力、上升、下降等各種控制按鍵、存儲(chǔ)器清零鍵、傳感器清零鍵、復(fù)位鍵和調(diào)速器組成。電路設(shè)計(jì)時(shí)另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將決定該產(chǎn)品的實(shí)用性能，需要考慮的因素很多，不同的電路有不同要求。然后將原理圖傳輸?shù)?PCB 板中來，在網(wǎng)絡(luò)表（簡單介紹來歷功能）、設(shè)計(jì)規(guī)則和原理圖的引導(dǎo)下布局和布線。(6)設(shè)計(jì) PCB 板確認(rèn)原理圖沒有錯(cuò)誤之后，開始 PCB 板的繪制。(5)設(shè)計(jì)組件封裝和原理圖組件庫一樣， Altium Designer 也不可能提供所有組件的封裝。完成原理圖后，用 ERC （電氣法則檢查）工具查錯(cuò)。(4)繪制原理圖找到所有需要的原理組件后，開始原理圖繪制。還可以用于確定電路中某些重要器件參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行方案比較、選擇，元器件的選擇等，開發(fā)項(xiàng)目中最重要的環(huán)節(jié)。Altium Designer 充分利用可得到的板卡空間和現(xiàn)代封裝技術(shù)，以更有效的設(shè)計(jì)流程和更低的制造成本縮短上市時(shí)間。Altium Designer ，在FPGA和板級(jí)設(shè)計(jì)中，同時(shí)支持原理圖輸入和HDL硬件描述輸入模式；同時(shí)支持基于VHDL的設(shè)計(jì)仿真，混合信號(hào)電路仿真、布局前/ Designer ，并且在PCB布線中采用了無網(wǎng)格的SitusTM拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線功能；同時(shí)，將完整的CAM輸出功能的編輯結(jié)合在一起。對(duì)FPGA設(shè)計(jì)提供了豐富的IP內(nèi)核，包括各種處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)、接口、以及虛擬儀器 。原理圖文件切片，多個(gè)器件集體操作，文本筐的直接編輯，箭頭的添加，器件精確移動(dòng)，總線走線，自動(dòng)網(wǎng)標(biāo)選擇等！強(qiáng)大的前端將多層次、多通道的原理圖輸入、VHDL開發(fā)和功能仿真、布線前后的信號(hào)完整性分析功能。首先：在PCB部分，除了Protel2004中的多通道復(fù)制；實(shí)時(shí)的、阻抗控制布線功能；SitusTM自動(dòng)布線器等新功能以外，Altium Designer ：差分對(duì)布線，F(xiàn)PGA器件差分對(duì)管腳的動(dòng)態(tài)分配， PCB和FPGA之間的全面集成，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)引腳優(yōu)化和非凡的布線效果。圖29 自制芯片功能電路圖 Altium Designer Protel軟件的高端版本Altium Designer ，它是完全一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)新版本，也是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級(jí)設(shè)計(jì)解決方案[12]。開發(fā)板電路圖如圖37所示，實(shí)物圖如圖38所示。為實(shí)現(xiàn)儀器便攜的目的，我們利用altium design軟件自行設(shè)計(jì)制作了單片機(jī)開發(fā)板，板上集了RTC、24C02 E2PROM、485通信模塊、232串口通信模塊以及液晶屏接口。在實(shí)驗(yàn)中，模擬數(shù)據(jù)被保存在新創(chuàng)建的TXT文本中，其中拉力文件以S開頭壓力文件以P 開頭。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式（獨(dú)立序列輸入和序列輸出），1位SD模式 （獨(dú)立指令和數(shù)據(jù)通道，獨(dú)有的傳輸格式）， 4位SD模式 （使用額外的針腳以及某些重新設(shè)置的針腳。圖36 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理圖 SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)SD卡存儲(chǔ)系統(tǒng)負(fù)責(zé)剪切力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制回路共用一條電源線，當(dāng)控制正轉(zhuǎn)信號(hào)的繼電器作用使開關(guān)K2接通，則控制正轉(zhuǎn)的電路導(dǎo)通，從而使電機(jī)正轉(zhuǎn)。這兩個(gè)接觸器的主觸頭所接通的電源相序不同，K1按L1—L2—L3相序接線，K2則對(duì)調(diào)了兩相的相序。正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如圖36所示。在軟件控制中，先假定上升為正方向，當(dāng)需要系統(tǒng)控制機(jī)械部分下降時(shí)便需要加入反向系統(tǒng)，從而改變電壓方向，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制其上升與下降。2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。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。 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。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)。單位增益減法器A3用來消除任何共模信號(hào)，以獲得折合到REF引腳電位的單端輸出。圖34 AD620結(jié)構(gòu)圖通過調(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。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]。同時(shí)還具有低功耗特點(diǎn)。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。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。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。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?？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。定刀片為兩片寬為15毫米的不銹鋼片。還有不同直徑的圓形刀片。為方便切割測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。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。傳動(dòng)軸通過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)。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。數(shù)據(jù)采集原理簡圖參見圖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)還可利用STM32F103單片機(jī)開發(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。這樣根據(jù)不同的組合就能在玻璃面板前看到圖像了。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。簡單點(diǎn)說，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。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；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線的通過。因所設(shè)計(jì)的作物莖稈抗倒伏強(qiáng)度測定儀主要在田間工作,為了使其在田間太陽光線較強(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。而隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域需要應(yīng)用以單片機(jī)為核心的便攜式儀表和測試儀。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。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。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)過渡層，稱為pn結(jié)[7]。用戶也可以得到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)以做他用。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。%，適用室內(nèi)與室外工作，采用S型結(jié)構(gòu)，拉壓均可使用。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）。 　　(4)重復(fù)性：重復(fù)性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí)，所得特性曲線不一致的程度。 　　(3)遲滯：傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象成為遲滯。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。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。 拉壓力傳感器簡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。具有一流的外設(shè)、低功耗、最大的集成度等特點(diǎn)。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。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。系統(tǒng)在程序的控制下執(zhí)行。片上集成512K flash、64KRAM、12Bit ADC、DAC、PWM、CAN、USB、SDIO、FSMC等資源。結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示圖13 玉米莖稈強(qiáng)度測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。玉米莖稈強(qiáng)度測定儀實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖12所示。結(jié)構(gòu)組成如圖11所示。電子拉壓力傳感器具有高靈敏、低噪聲、長壽命、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)度測定儀結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶操作。1 莖稈強(qiáng)度測定儀的結(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)度測試裝置的要求也越來越高，尤其是表現(xiàn)在高靈敏度以及便攜式等方面。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。國內(nèi)的YYD1 莖桿強(qiáng)度測定儀（抗倒伏測定儀）在功能上顯然要比TMSPRO遜色的多。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)格昂貴且不能在無電力能源的田間進(jìn)行現(xiàn)場測試，限制了其應(yīng)用范圍；在產(chǎn)品研究方面，美國FTC公司TMSPRO質(zhì)構(gòu)儀可以用來測定食品的嫩度、硬度、拉升強(qiáng)度等物性測試。吉林省農(nóng)科院玉米所的李景安、馮芬芬教授在引用美國的彈簧測力裝置的基礎(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, 在測定準(zhǔn)確性方面未能得到改善。MARCU S