【正文】 re sensor正文均用小四號， 宋體，數(shù)字、字母為Times New Roman二級標(biāo)題：黑體、四號、加粗引言據(jù)統(tǒng)計,全球玉米因倒伏而造成損失十分巨大, 而影響玉米倒伏的主要因素是莖稈的強度。在作物生長的各個階段對其莖桿進行活體測量，進而根據(jù)莖桿纖維層的抗彎阻力與抗倒伏能力的相關(guān)性對群體測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，對作物的栽培和育種具有重要意義。由此可見，設(shè)計出一款靈活方便既能滿足實驗室需要同時又能帶到農(nóng)作物生長現(xiàn)場的莖稈強度測定儀將會大大減輕工作人員的負擔(dān)，同時提高實驗的準(zhǔn)確性。對國內(nèi)外農(nóng)作物莖稈強度測定儀的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，早期在玉米莖稈強度測試方面使用的分析工具是液壓測力機[1], 用自動的液壓測力機去測試干燥玉米垂直壓碎所需要的壓力, 然后研制出小型機械式莖稈強度測定儀, 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定的結(jié)果精確度不夠。國內(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。據(jù)M aydica 雜志介紹, 1996 年美國推出一種新型的莖稈強度測定儀。%，是專業(yè)級研究系統(tǒng)，根據(jù)分析樣品不同，力量量程可通過豐富的力量感應(yīng)元進行調(diào)整。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。為此研制了便攜式的玉米莖稈強度測定儀，該儀器體積小，同時使用先進的32位STM32單片機對莖稈測定儀進行控制，大大提高了數(shù)據(jù)采集的精確性與可靠性。所以本項目在總結(jié)前人理論的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代先進的技術(shù)條件提出了以電子拉壓力傳感器測量系統(tǒng)作為植物生長測量裝置。三級標(biāo)題（后空一格）：黑體、小四號、加粗 莖稈強度測定儀結(jié)構(gòu)實驗中根據(jù)實際機械操作以及動物在咀嚼飼料時牙齒對飼料的剪切和擠壓的力學(xué)原理[3]，設(shè)計了玉米莖稈強度測定儀，該測定儀由機械和控制兩部分組成機械系統(tǒng)。小四號宋體、加粗圖1 1 玉米莖稈強度測定儀系統(tǒng)組成圖信息采集依靠拉/壓力傳感器和行程傳感器完成；控制器負責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理；執(zhí)行機構(gòu)由電動機和發(fā)條驅(qū)動裝置構(gòu)成；人機交互界面進行數(shù)據(jù)顯示及指令讀取。圖12 玉米莖稈強度測定儀實物結(jié)構(gòu)圖玉米莖稈強度測定儀主要由壓力傳感器、BSQ2變送器、控制用單片機、液晶顯示器和上位機通信部件等幾部分組成。STM32單片機是以意法半導(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]。屬于微控制器范疇，單片集成多種用于控制，通信，存儲的外設(shè)。運算速度、存儲容量遠高于51單片機。增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品?；谟衩浊o稈測定儀的精度與速度要求實驗中選擇STM32F103“增強型”系列單片機。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：指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。 　　(2)靈敏度：靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標(biāo)。用S表示靈敏度。對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。 (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間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。根據(jù)需要傳感器選用CFBLS型拉壓力計，滿量程載荷為200KG。應(yīng)用先進的密封工藝，能在高濕度的環(huán)境中工作。 液晶顯示屏的選擇顯示出的內(nèi)容可以把系統(tǒng)內(nèi)部的運行參數(shù)和狀態(tài)及時的顯示出來，反饋給用戶，用戶根據(jù)顯示的內(nèi)容來判斷和決定對系統(tǒng)進行相應(yīng)的操作。較早的顯示器為LED顯示，組成LED顯示器的主要元件是發(fā)光二極管。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)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。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。LED的工作原理很簡單，但是它的體積較大，而且功耗相對來說較高。而這就要求盡可能的縮小儀器的體積并降低其功耗。這里選擇TFT ( Thin film Transistor，薄膜晶體管）屏幕，它也是目前實驗中最普遍采用的顯示屏。光線的通過和不通過的組合就可以在屏幕上顯示出圖像來。大多數(shù)液晶都屬于有機復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。 莖稈強度測定儀工作原理本設(shè)計擬以STM32F103單片機為核心，利用其內(nèi)帶AD轉(zhuǎn)換器采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，并通過液晶屏進行可視化顯示。 數(shù)據(jù)采集模塊原理本項目主要采用STM32單片機作為主控單片機，檢測裝置初步采用S型拉/壓力傳感器作為前端傳感器，以交流減速電機控制刀片，使刀片勻速切割玉米秸稈，然后將拉壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)過變送器進行數(shù)據(jù)處理，最后將采集的數(shù)據(jù)信號輸送至單片機。同時單片機還控制交流減速電機的運作，通過USB接口與上位機之間進行數(shù)據(jù)顯示和存儲，微處理機硬件系統(tǒng)如圖15所示。五號、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 . 傳動板連軸 9 . 上行程托板 10 . 限位開關(guān) 11 . 固定板 12 . 電機固定螺桿 13 . 交流電機 14 . 傳動軸 15. 聯(lián)軸器圖2 1 玉米莖稈強度測定儀簡圖 儀器運行模式該系統(tǒng)主要采用電動模式，采用交流減速電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動。作物秸稈放在刀片的刀口中。在調(diào)速器的配合下交流減速電機可實現(xiàn)十個檔位速度輸出。刃口形狀最初設(shè)計為矩形，在試驗中由于秸稈會產(chǎn)生左右移動，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，最終修改為帶有倒角的三角形。刃口不進行打磨，以減少鋒利程度對試驗結(jié)果的影響。圖23 動刀片結(jié)構(gòu)簡圖3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)以STM32單片機為核心組成嵌入式控制平臺既增強了系統(tǒng)的功能，又使研發(fā)成本得到控制，具有很好的實用性。 信號放大系統(tǒng)信號放大電路由負電壓產(chǎn)生電路和信號放大器組成。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。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)。引腳圖如圖32。其性能高于3運放分立放大器設(shè)計，采用8引腳DIP和SOIC封裝。其工作原理如圖33所示。AD620提供優(yōu)于自制三運放儀表放大器設(shè)計的性能，同時具有較小的尺寸，較少的原件和低10倍的工作電流。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，其計算公式為G = (R1 + R2)/RG + 1。RG值還可以決定前置放大器的跨導(dǎo)。這會帶來三大好處：a，開環(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]。增益公式為： 信號反向電路用于將測拉力時的負電壓信號進行翻轉(zhuǎn)，以滿足單片機ADC的采集。負電壓產(chǎn)生電路由7808穩(wěn)壓芯片及ICL7660S構(gòu)成，信號反向器由OP07搭建。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為177。圖35 信號反向電路結(jié)構(gòu)圖信號反向器實質(zhì)為增益為1的放大器，通過此環(huán)節(jié)是否接入電路來控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而控制機械系統(tǒng)的上升與下降和拉壓力信號的變換采集。系統(tǒng)原始信號數(shù)據(jù)經(jīng)過放大器的放大后，一般為一負值，我們設(shè)定壓力方向為正方向，當(dāng)采集信號為壓力信號時，將電路開關(guān)連接在反向電路輸出端，這樣信號不經(jīng)過反向直接采集；而當(dāng)采集信號未拉力時，將電路開發(fā)連接在反向電路輸入端，將反向后的信號作為最終信號輸出，從而實現(xiàn)拉壓力信號的變換采集。線路中采用了兩個繼電器，即正轉(zhuǎn)用的繼電器和反轉(zhuǎn)用的繼電器，它們分別由正轉(zhuǎn)按鈕K2和反轉(zhuǎn)按鈕K1控制?？刂齐娐酚袃蓷l，根據(jù)開關(guān)選擇接通不同的控制電路，來實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。相反，如果控制反轉(zhuǎn)信號的繼電器作用，則電機反轉(zhuǎn)。SD卡（Secrue Digital Memory Card）是一種基于 Flash的新一代存儲器,具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動靈活、安全性能好、適用于手持設(shè)備等優(yōu)點,是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質(zhì)[10]。支持四位寬的并行傳輸）默認情況下的通信模式是SD模式, 單片機由于速度問題一般用SPI接口,該儀器采用SD模式。系統(tǒng)存儲穩(wěn)定，能滿足設(shè)計要求。將此開發(fā)板與電機驅(qū)動器、調(diào)速器集合放置于控制箱內(nèi)，體積小巧，便于攜帶。圖37 自制開發(fā)板電路圖 圖38 自制開發(fā)板實物圖芯片集成度高，功能實現(xiàn)方便，部分電路圖如圖39所示。Altium Designer 是業(yè)界首例將設(shè)計流程、集成化PCB 設(shè)計、可編程器件（如FPGA）設(shè)計和基于處理器設(shè)計的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一起的產(chǎn)品，一種同時進行PCB和FPGA設(shè)計以及嵌入式設(shè)計的解決方案，具有將設(shè)計方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。 其次，在原理圖部分，新增加“靈巧粘帖”可以將一些不同的對象拷貝到原理圖當(dāng)中，比如一些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號， 一頁圖紙的BOM表，都可以拷貝粘帖到原理圖當(dāng)中。在信號仿真部分，提供完善的混合信號仿真,在對XSPICE 標(biāo)準(zhǔn)的支持之外，還支持對Pspice模型和電路的仿真。第三,在嵌入式設(shè)計部分，增強了JTAG器件的實時顯示功能，增強型基于FPGA的邏輯分析儀，可以支持32位或64位的信號輸入。 Altium Designer ，簡化了復(fù)雜板卡的設(shè)計導(dǎo)航功能，設(shè)計師可以有效處理高速差分信號，尤其對大規(guī)?？删幊唐骷系拇罅縇VDS資源。 PCB 板設(shè)計的工作流程(1)方案分析決定電路原理圖如何設(shè)計，同時也影響到 PCB 板如何規(guī)劃。(2)電路仿真在設(shè)計電路原理圖之前，有時候會對某一部分電路設(shè)計并不十分確定，因此需要通過電路仿真來驗證。(3)設(shè)計原理圖組件Altium Designer 提供了豐富的原理圖組件庫，但不可能包括所有組件必要時需動手設(shè)計原理圖組件，建立自己的組件庫。根據(jù)電路復(fù)雜程度決定是否需要使用層次原理圖。找到出錯原因并修改原理圖電路，重新查錯到?jīng)]有原則性錯誤為止。需要時自行設(shè)計并建立新的組件封裝庫。首先繪出 PCB 板的輪廓，確定工藝要求（使用幾層板等）。（設(shè)計規(guī)則檢查）工具查錯。(7)文檔整理對原理圖、 PCB 圖及器件清單等文件予以保存，以便以后維護、修改。為實現(xiàn)電機調(diào)速，在儀器機械系統(tǒng)部分安裝帶有20孔的轉(zhuǎn)盤，通過類似傳感器原理計算一分鐘所采集的孔的數(shù)目來測算儀器中電機的轉(zhuǎn)速。通過在文檔中寫入任意數(shù)據(jù)，然后觀察其是否具有讀功能來檢測是否帶有SD卡，方便快捷。軟件程序包括主程序、壓力采集子程序、SD卡存儲子程序等。獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。行列式鍵盤接口用于按鍵數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。由于儀器工作所需按鍵只有拉壓力選擇鍵、清零鍵、運動方向控制鍵和圖像縮放鍵，所以我們選擇獨立式鍵盤接口。試驗中通過按壓拉/壓力傳感器來模擬真實實驗時的剪切運動，通過剪切力曲線的顯示結(jié)果可以看到系統(tǒng)能正常采集剪切力信號并能進行實時顯示。上位機數(shù)據(jù)顯示 SD卡數(shù)據(jù)存儲顯示控制器數(shù)據(jù)顯示圖41 莖稈強度測定儀數(shù)據(jù)顯示方式 中斷處理所謂中斷，就是指CPU在執(zhí)行程序的過程中，由于某種外部或內(nèi)部事件的作用（如外部設(shè)備請求與CPU傳送數(shù)據(jù)或CPU在執(zhí)行程序的過程中出現(xiàn)了異常），強迫CPU停止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去為該事件服務(wù)，待事件服務(wù)結(jié)束后，又能自動返回到被中斷了的程序中繼續(xù)執(zhí)行。相對被中斷的原程序來說，中斷處理程序是臨時嵌入的一段程序，所以，一般將被中斷的原程序稱為主程序，而將中斷處理程序稱為中斷子程序。中斷系統(tǒng)是現(xiàn)代計算機中重要的組成部分，它可以使計算機完成如下操作： （1）故障檢測和自動處理。如電源掉電、存儲器出錯、運算溢出等，采用中斷技術(shù)可以有效地進行系統(tǒng)的故障檢測和自動處理。在實時信息處理系統(tǒng)中，需要對采集的信息立即做出響應(yīng)，以避免丟失信息，采用中斷技術(shù)可以進行信息的實時處理。當(dāng)外部設(shè)備與CPU以中斷方式傳送數(shù)據(jù)時，可以實現(xiàn)CPU與外部設(shè)備之間的并行操作,使系統(tǒng)更加有效地發(fā)揮效能，提高效率?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)具有多任務(wù)處理功能，使同一個微處理器可以同時運行多道程序，通過定時和中斷方式，將CPU按時間分配給每個程序，從而實現(xiàn)多任務(wù)之間的定時切換與處理。該系統(tǒng)利用上位機通過單片機串口中斷控制電機的啟動/停止、正傳/反轉(zhuǎn)。 A/D轉(zhuǎn)換最佳精度設(shè)計ADC的精度直接影響到整個系統(tǒng)的質(zhì)量和效率。 誤差來源與分析ADC自身相關(guān)誤差主要表現(xiàn)在偏移誤差、增益誤差和微分線性誤差[16]。在實驗中，嚴重影響系統(tǒng)精度的誤差是電源噪聲、電源穩(wěn)壓方面。 硬件如何減小ADC誤差對于ADC自身相關(guān)誤差，多采用多次轉(zhuǎn)換做平均的方法來達到減小誤差的目的。對于由于電源噪聲引起的精度誤差，線性穩(wěn)壓器具有較好的輸出。為減小交流電源對輸出信號的影響，我們并不采用開關(guān)型電源而是采用線性穩(wěn)壓器為模擬部分供電。平均值法需要在一個相同的模擬輸入電壓上進行多次采樣，保證模擬輸入信號在轉(zhuǎn)換完成之前保持在相同的電壓。校正前后信號比較如圖43所示。它是取a=0～1，本次濾波結(jié)果=（1a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果[16]。由于莖稈測定儀的測量波動較高所以我們選用此方法作為濾波主要方式。 上位機通訊程序設(shè)計上位機數(shù)據(jù)采集接收界面通過Microsoft Visual C++++等編程語言設(shè)計開發(fā)而成，該界面可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時