收割机自动打包测控单元设计毕业论文.doc

宁波理工学院毕业设计（论文） 题 目 收割机自动打包测控单元设计 姓 名 学 号 3060611076 专业班级 06机制（3）班 指导教师 分 院 机电与能源分院 论文日期 2010年 6月 1日 49摘要最近10年来，我国农业机械化进程发展的非常迅速，联合收割机已经在农业中得到了普遍的应用，农业生产成本由此获得降低，但农业劳动力越来越紧缺，农业机械的自动化成为市场迫切需要的技术。本文以半喂入联合收割机的打包自动化为设计目标，以PIC16F873A芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一套粮袋自动打包测控系统。采用光电对射传感器检测打包机构是否完成预定任务，采用光电编码器检测打包的扭转机构的旋转角，采用多个微型直流电机控制打包的各个机构。软件方面采用MPASM汇编语言编程，采用任务巡检方式构成主循环，由定时器0产生一个200MS的定时中断，不断检测光电编码器的脉冲数，外触发中断用于检测粮袋是否充满。 本文进行了实验，进行了光电传感器、光电编码器的试验，进行了LED的数字显示电路的测试，进行了直流微电机的控制试验。为在打包机械机构设计与制造完成之后，进行系统综合调试准备了必要的准备。关键词：联合收割机；PIC16F87X；打包；LED显示；编码器；光电式传感器。AbstractThe last 10 years, the development of Agricultural Mechanization in China very quickly, combines have been widespread in agricultural applications, reduceagricultural production costs resulting therefrom, but the increasing scarcity of agricultural labor, agricultural machinery Zi Donghua a much-needed technology. This half-feed combine automation package designed to PIC16F873A chip as the core, supplemented by the necessary peripheral circuits, and design a package Liang Dai automatic control system. Photoelectric sensors detect fire packaged on whether the completion of scheduled tasks, use packaged encoders measure the rotation angle of torsion body, using miniature DC motor control over the various institutions packaged. Photoelectric sensors detect fire packaged on whether the completion of scheduled tasks, use packaged encoders measure the rotation angle of torsion body, using miniature DC motor control over the various institutions packaged. This was experimentally carried out photoelectric sensors, optical encoder test, conducted LED digital display circuit test, carried out tests of DC micro-motor control. Packaging machinery sector in the design and manufacture of complete, integrated debugging systems ready for the necessary preparations.Key words : Combine; PIC16F87X ;The packing; LED demonstrated; Encoder;. Photoelectric sensor.目录摘要IAbstractII第一章 绪论21.1 课题的背景和意义21.2 国内外农业机械化现状21.3 单片机发展现状31.4 传感器发展现状51.5 主要工作6第二章 收割机自动打包测控单元系统设计72.1 收粮系统构架设计72.2 收粮系统程序92.3 各模块功用15第三章 测量模块173.1 PIC16F877A简介173.2 200ms定时模块(TMR0)183.3 测量袋满（RBO/INT）223.4 外触发中断电路263.5 编码器计数273.6 脉冲计数电路343.7 显示模块343.8显示电路423.9 实验结果与讨论43第四章 总结与展望48参考文献49致谢50第一章 绪论1.1 课题的背景和意义现代的农业收割机的打包机构一般都是靠人力操作的，虽然人力操作的可控性比较强，但是从优化劳动力方面考虑，实现收割机自动打包的意义是非常重要的。就现在的产业行情趋势看，机器的自动化已越来越普遍。因此，实现收割机自动打包是自动化趋势的必然结果。1.2 国内外农业机械化现状中国是农业大国，利用占世界7%的耕地养活了占世界22%的人口，农业是治国之本，而农业机械化是指运用先进的农业机械装备农业，改善农业生产经营条件，不断提高农业的生产技术水平和经济效益、生态效益的过程，是农业现代化的必由之路。农机化程度的提升，标志着生产力的发展和社会的进步，标志着社会主义新农村建设的水平1。我国农业机械化发展取得的成就    1农业机械化事业不断发展壮大，农机化装备水平稳步提高 截至2003年底，全国农业机械总动力达到6亿kW以上，农机原值达3 362亿美元；农田作业机械化水平显著提高，机械耕地、播种、收获水平分别达到46.8%、26.7%、19%；农机服务领域不断拓展，由原来的农田作业逐步向产前和产后延伸，向其他领域扩展；农机作业向市场化、社会化服务发展。2004年小麦机收比1995年提高了472。    2农机服务组织化、市场化规模不断扩大，联合收割机跨区机收成效显著。自1996年以后，全国小麦跨区机收面积年均递增速度达到31%，特别是小麦主产区机收水平已达到80%以上。跨区机收不但使农民经济效益明显提高，增加了收入，还促进了农机工业的发展。    3农机科研开发取得重大进展，新技术推广普及速度加快 国家实施农业科技跨越计划、农业机械化项目，加快了农业机械化重点科技成果的转化、使用。    4加强农机对外交流与合作，开放式发展农机化的路子正在形成 当前各地在对外交流与合作中，大胆吸收和借鉴国外先进技术和管理经验，兴办合资企业扩大外资和技术的利用，取得良好成效。随着工业化和信息化技术的不断融合和快速发展，国际农业装备技术在向着高度自动化和智能化方向发展的同时，更加注重资源节约和环境友好，并由此逐步占据了全球农业装备产业价值链的高端。装备有中央处理器芯片，采用机载计算机、自动导航系统和先进传感器的只能农业装备已大量出现，并最大限度地减少了紧缺农用生产资料的消耗和环境污染。拖拉机驾驶室噪声已经接近小轿车，极大地提高了使用舒适性。多功能、复式联合作业装备的不断发展，在节约劳动时间、减少土壤压实、提高装备作业效率的同时，使得单位作业面积的能源消耗水平降低60%以上3。基于“精细农业”技术思想的多种定位变量作业，智能型农业机械进入国际市场，已经成为国际21世纪合理利用农业资源、提高作物产量、降低生产成本、保护环境和提高农产品国际市场竞争力的前沿性领域之一4。1.3 单片机发展现状单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:1、单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时系统也更加稳定，目前该方向即是发展为SOC(片上系统)。 2、单片机抗干扰能力加强，使的它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景5。 3、单片机提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。 4、在线编程目前有两种不同方式： 1)、ISP ，具备ISP的单片机内部集成FLASH存储器，用户可以通过下载线以特定的硬件时序在线编程，但用户程序自身不可以对内部存储器做修改。这类产品如ATMEL8990系列。 2)、IAP ，具备这种特性的单片机厂家在出厂时内部写入了单片机引导程序，用户可以通过下载线对它在线编程，用户程序也可以自己对内存重新修改。这对于工业实时控制和数据的保存提供了方便。这类产品如SST的89系列。 5、在线仿真变的容易。用户一旦开发一个比较大的系统，开发调试变的非常复杂，同时由于单片机资源有限，不能象PC一样直接调试自己的软件，于是出现了品种繁多的专业仿真器，为用户的开发提供了强大功能，加速了开发进程，降低了开发难度，同时这类仿真器也给中小型用户带来沉重的经济负担，目前已经有公司推出了可以在线调试的单片机，这类单片机采用标准JTAG接口，JTAG是一种标准(IEEE 1149。1)，是为测试芯片而制定的，目的是用TCK、TDI、TDO和TMS四个信号来测试芯片的内部状态.其发展趋势如下：1.低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。2.微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展6。1.4 传感器发展现状  传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。世界技术发达国家对开发传感器技术部十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术，其中8项为无源传感器。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国家重点发展6大核心技术之一。Gu(uh0    传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。传感器开始受到普遍重视，从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”。美国国防部将传感器技术视为今年20项关键技术之一，日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为6大核心枝术，德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，在近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家7。1.5 主要工作设计目标：实现收割机自动打包的测控。课题意义：可以节约劳动力，加大生产效率，实现资源的优化配置。设计内容：1、收割机自动收粮过程检测。2、单片机电路设计和编程。3、编码器电路设计和程序编程。4、LED显示电路设计和程序编程。第二章 收割机自动打包测控单元系统设计2.1 收粮系统构架设计本次收粮系统是以PIC16F877A为核心，以PORTA（0-3脚）和PORTD为信息输入端，端口为1表示有信号输入，0表示无信号输入。PORTB为信息输出端，端口为1表示开电机，0表示停电机。采用间跳指令来完成的整个任务循检过程。主要逻辑为放袋放粮撑袋夹袋扭转扎袋推袋。信号输入端口分配：新袋放好否RA0，出粮口全张开否RA1，袋满否RA2，出粮口全关闭否RA3，撑袋电机到位否RD0，夹袋否RD1，夹袋结束否RD2，扭转否RD3，扭转到位否RD4，扎袋否RD5，扎带结束否RD6，推袋结束否RD7信息输出端口分配：开出粮口电机RB1，关出粮口电机RB2，撑袋电机RB3，扭转电机RB4，夹袋电机RB5，打捆电机RB6，推袋电机RB7 初始化新袋放好否 开出粮口 Y N 停止开出粮口电机出粮口全张开否Y N 关出粮口袋满否 Y N停止关出粮口电机并开撑袋电机出粮口全关闭否 Y N停撑袋电机 撑袋电机到位否 Y N 开夹袋电机夹袋否 Y N停夹袋电机夹袋结束否 Y N开扭转电机扭转否 Y N停扭转电机扭转到位否 Y N开扎袋电机扎袋否 Y N停扎袋电机，开推袋电机扎袋结束否 Y N停止推袋电机，反向开扭转电机推袋结束否 Y N读取PORTD 图2-1 收粮过程程序步骤如图2-1所示为收粮过程的程序编写步骤简图，主要逻辑为放袋放粮撑袋夹袋扭转扎袋推袋。首先是程序初始化，然后进入程序的主循环。放粮前，收割机放粮前得先检查粮袋是否在放粮口的正下方，若是则放粮；反之则继续循环。放粮时，当粮袋放好后，放粮开始，打开放粮口，检测放粮口是否全张开，是则停止电机运行：反之则继续循环。当袋中粮快满是检测袋口粮满否，是则关闭出粮口；反之则继续循环。放粮结束，当出粮口关闭时，检测出粮口是否全关闭，是则停止电机运行并开撑袋电机；反之则继续循环。撑袋时要检测撑袋是否结束，是则停止运行撑袋电机；反之则继续循环。夹袋时，当撑袋结束时检测是否夹袋，是则开夹袋电机；反之则继续循环。当夹袋时需检测夹袋结束否，是则停止运行夹袋电机；反之则继续循环。扭转时，夹袋好后检测是否扭转粮袋口，是则运行扭转；反之则继续循环。扭转时需检测扭转结束否，是则停止运行扭转电机；反之则继续循环。扎袋时，扭转好后检测是否开始扎袋，是则运行扎袋电机；反之则继续循环。推袋时，扎袋时需检测扎袋束否，是则停止运行扎袋电机，并运行推袋电机；反之则继续循环。推袋结束则停止运行推袋电机；反之则继续循环。当粮袋被推出后必须反向运行扭转电机，防止控制扭转电机的电线扭结。2.2 收粮系统程序MyFlag EQU 20H MyFlag1 EQU 21HOrg 0000hmain banksel TRISB movlw 0x00 movwf TRISB clrf PORTB banksel TRISD movlw 0xff movwf TRISD clrf PORTD banksel TRISA movlw 0xff movwf TRISA clrf PORTA clrf MyFlag clrf MyFlag1 loop btfsc MyFlag,0 ;新袋放好否 call kaichuliangkou ;开出粮口电机(RB1=1），电机正转 btfsc MyFlag,1 ;袋充满否 call guanchuliangkou ;关出粮口电机(RB2=1），电机反转 btfsc MyFlag,2 ;出粮口全张开否 call tingkaichuliangkou ;停开出粮口电机(RB1=0） btfsc MyFlag,3 ;出粮口全关闭否 call tingguanchuliangkou ;停关出粮口电机(RB2=0）并开撑袋电机(RB3=1) btfsc MyFlag,4 ;撑袋电机到位否 call guanchengdai ;关撑袋电机（RB3=0) btfsc MyFlag,5 ;扭转否 call kainiuzhuan ;开扭转电机（RB4=1） btfsc MyFlag,6 ;扭转结束否 call guanniuzhuan ;关扭转电机（RB4=0） btfsc MyFlag,7 ;夹袋否 call kaijiadai ;开夹袋电机（RB5=1) btfsc MyFlag1,0 ;夹袋结束否 call guanjiadai ;关夹袋电机（RB5=0) btfsc MyFlag1,1 ;打捆否 call kaidakun ;开打捆电机（RB6=1） btfsc MyFlag1,2 ;打捆结束否 call guandakun ;关打捆电机（RB6=0) btfsc MyFlag1,3 ;推袋否 call kaituidai ;开推袋电机（RB7=1) call READPORTD ;读PORTD输入端 clrwdt goto loop kaichuliangkou bcf MyFlag,0 movlw b00000010 ;RB1置1iorwf PORTB,f returnguanchuliangkou bcf MyFlag,1 movlw b00000100 ;RB2置1iorwf PORTB,f returntingkaichuliangkou bcf MyFlag,2 movlw b11111101 ; RB1置0addwf PORTB,1 returntingguanchuliangkou bcf MyFlag,3 movlw b11111011 ; RB2置0addwf PORTB,f movlw b00001000 ; RB3置1iorwf PORTB,f returnguanchengdai bcf MyFlag,4 movlw b11110111 ; RB3置0addwf PORTB,f returnkainiuzhuan bcf MyFlag,5 movlw b00010000 ; RB4置1iorwf PORTB,f returnguanniuzhuan bcf MyFlag,6 movlw b11101111 ; RB4置0addwf PORTB,f returnkaijiadai bcf MyFlag,7 movlw b00100000 ; RB5置1iorwf PORTB,f returnguanjiadai bcf MyFlag1,0 movlw b11011111 ; RB5置0addwf PORTB,f returnkaidakun bcf MyFlag1,1 movlw b01000000 ; RB6置1iorwf PORTB,f returnguandakun bcf MyFlag1,2 movlw b10111111 ; RB6置0addwf PORTB,f returnkaituidai bcf MyFlag1,3 movlw b10000000 ; RB7置1iorwf PORTB,f returnguantuidai bcf MyFlag1,4 movlw b01111111 ; RB7置0addwf PORTB,f returnREADPORTD btfsc PORTA,0 bsf MyFlag,0 btfsc PORTA,1 bsf MyFlag,1 btfsc PORTA,2 bsf MyFlag,2 btfsc PORTA,3 bsf MyFlag,3 btfsc PORTD,0 bsf MyFlag,4btfsc PORTD,1 bsf MyFlag,5 btfsc PORTD,2 bsf MyFlag,6 btfsc PORTD,3 bsf MyFlag,7 btfsc PORTD,4 bsf MyFlag1,0 btfsc PORTD,5 bsf MyFlag1,1 btfsc PORTD,6 bsf MyFlag1,2 btfsc PORTD,7 bsf MyFlag1,3 returnend2.3 各模块功用本次设计收粮过程的编程系统已在2.1节中讲过，整个设计的几个模块的框图如图2-2所示。初始化200ms定时机构运动到位否读计数值判正反/转显示控制YN粮袋满否停止控制YN 图2-2 设计整体框图 各模块的功用：1、200ms定时模块。应为程序不是一直处于检测状态，为了方便检测的间歇性，本次设计要求它有200ms的定时。主要是用TMR0来实现此中端程序。2、读计数值，判正反/转模块。编码器在扭转电机的带动下会发送脉冲，本次设计所用的编码器为720个脉冲没转，也就是说发出一个脉冲电机转了0.5°。而PIC16F873A单片机的RA5引脚为接受此脉冲的。这样我们就可以根据单片机的RA所接受到的脉冲数来知道电机扭转的角度同时就是的控制电机的运行。判断电机的正反转是为了便于控制电机的扭转。此模块是有TMR1的计数程序来实现的。3、显示模块。显示模块只是为了可以直观的让人看到单片机收到的脉冲数和电机正反转的情况，便于人为计算电机转动角度。此模块是利用MSSP模块的SPI方式实现与LED数码显示接口4、粮袋满否模块。此模块是本次设计的核心，主要是检测整个收粮过程的运行情况，详细的功用在2.1节中已讲过。此模块是有RB0/INT的外触发中断来实现的。5、机构运行到位否模块。此模块是第四模块的预延续，在收粮过程中美一个机构的运行都得有个机构运行到位的检测，以便下一机构的顺利运行。6、控制和停止控制模块。此模块主要是指电机的控制，是根据检测时的结果来运行的，当检测到收粮的不同阶段的结果不同所需的电机控制不同。电机的控制为PIC16F873A单片机的RB1-RB7引脚实现的。第三章 测量模块 测量模块主要由200ms定时模块、测粮袋满否的外触发中断模块、编码器计数模块、显示模块组成。3.1 PIC16F877A简介 PIC16F87X是维芯公司的中档产品，PIC16F877A为其中之一。它采用14位的类RISC指令系统，在保持低价格的前提下，增加了A/D转换器、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出（加上简单的滤波电路后，还可以作为D/A输出）、I2C总线和SPI总线接口电路、异步串行通信（USART）接口电路、模拟电压比较器、LCD驱动、FLASH程序存储器等许多功能，可方便地在线多次编程和调试，特别适用于初学者学习和在产品的开发阶段使用;它也可以作为产品开发的终极产品。该系列单片机具有如下显著的特点：1、开发容易，周期短 由于PIC采用类RISC指令集，指令数目少（PIC16F87X仅35条指令），且全部未单字长指令，易学易用。相对于采用CISC（复杂指令集）结构的单片机，可节省30%以上的开发时间、2倍以上的程序空间。2、高速 PIC采用哈佛总线和类精简指令集，逐步建立了一种新的工业标准，指令的执行速度比一般的单片机要快4-5倍。3、 低功耗 PIC采用CMOS电路设计，结合了诸多的节电特性，使其功耗很低;100%的静态设计可影响激活后的正常运行进入休眠省电状态，而不会影响激活后的正常运行。4、低价实用 PIC配备有OTP(one time programmable)型、EPROM型及FLASH型等多种形式的芯片，其OTP型芯片的价格很低；还提供程序监视器（WDT）和程序可分区保密的保密位等功能；提供了基于Windows 98/NT/2000的、方便易用的、全系列产品开发工具的大量子程序库和应用实例，使产品开发更容易、快捷8。PIC16F877A的各引脚分布如图3.1所示图3-1 PIC16F877A单片机引脚图3.2 200ms定时模块(TMR0) 此模块主要是为读取脉冲计数和判正反转起到一个定时读取和判断作用。3.2.1 TMR0综述 TMR0是所有PIC单片机都具有的一个标准定时器资源。针对PIC中档系列单片机其基本特点有： A）它是一个8位宽度的定时器/计数器； B）定时寄存器的当前计数值可读/写； C）可以附带一个8位宽度的预分频器； D）可以选择内部指令周期计数或外部输入脉冲计数； E）以递增方式计数，当计数值从0xFF溢出变回0x00是产生溢出标志，引发中断； F）当设为外部脉冲计数时还可以选择是上升沿还是下降沿计数。 3.2.2 与TMR0相关的控制寄存器OPTION_REG是用于配置定时器TMR0工作方式最重要的寄存器。如图3-2所示，此寄存器内的数值在任何时候均可读/写，每一个数据位的定义如下9。R/W-1 R/W-1 R/W-1 R/W-1