基于射频识别技术的奶牛自动放料系统毕业论文(30页).doc

-基于射频识别技术的奶牛自动放料系统毕业论文-第 29 页摘要RFID (Radio Frequency Identification，射频识别)是一种非接触式自动识别技术，在动物的饲养、运输、屠宰及产品的加工和流通等环节可以实施全过程、全位的有序管理和监控，因而得到了广泛使用。本研究运用RFID射频技术实现奶牛身份的自动识别，提出了一套较为完整的适用于规模化养牛场的奶牛自动、准确料量投放的饲喂控制系统（Automatic Cow Feeding Control System）。奶牛自动喂料系统主要是由奶牛识别模块、PIC单片机控制模块、电机驱动模块和显示与人工设定模块等四个控制部分构成。 奶牛识别模块是基于MF1 IC S50的高频读写器，用于读写电子耳标信息，识别奶牛的身份。控制模块是通过pic16F873单片机输出的脉冲数控制电机转动从而达到准确投料的目的。本文主要从这几个模块着手，简要介绍它们的主要特点和工作原理，全面阐述了该技术在今后的奶牛养殖中方便之处和发展趋势。试验结果表明：MF1 IC S50射频读写器灵敏度高，识别时间短，识别距离达到6cm,误读率低。软、硬件系统能够长期稳定的运行，具有较高的使用价值。关键词： RFID PIC单片机控制 电机驱动 ABSTRACT RFID (Radio Frequency Identification) is an untouched automatic identification technique, which was widely used because it can manage monitor efficiently in the whole process of breeding, transportation and slaughtering of animals and the manufacture and circulation. RFID technique was selected to implement of cow identification according to the comparison of several automated identification techniques. An intact automated cow feeding control system (ACFCS) applied in the scale cow was proposed in this study. Automatic Cow Feeding System is composed of four parts，such as cow identification- module , PIC MCU control module, the motor-driving module and display and artificial setting module. Cow identification module is built by MF1 IC S50 high frequency reader was used to read the information of ear tag and identify the cow ID. PIC MCU control module control motor turning by MCU pic16F873. From the four major parts, this article outlines the main features and principles of the work，expounded the trend of the development and the convenience of the farming and techniques in the future. Experiments result indicted that MF1 IC S50 was high sensitive and radio of error was low. The operation of both hardware and software were stable，it has a great applied value. Keywords：RFID PIC MCU-control motor-driving 目录摘要1ABSTRACT2目录31 前言41.1选题的背景及意义41.2 研究目标和研究内容51.2.1 研究目标51.2.2 研究内容62 RFID技术简介72.1 RFID系统的组成72.2 RFID系统的原理72.3 RFID系统方案选型82.4 RFID特点83 ACFCS系统总体设计103.1概述103.2 ACFCS 工作流程103.3 ACFCS总体方案设计103.4 ACFCS 基本功能114 ACFCS 系统硬件电路设计124.1 元件选择124.1.1 单片机的选择124.1.2 串口EEPROM的选择144.2 显示与人工设定模块设计154.2.1 HD7279A芯片选择154.2.2 模块的电路设计174.3 单片机控制模块184.4 电机驱动模块194.4.1 步进电机的选择195 ACFCS系统软件设计225.1 程序的主循环流程225.2 软件开发环境225.3 RS232串行通信225.3.1 通信协议225.3.2 串行通信程序设计225.4 步进电机位置控制程序设计225.5 中断程序设计226 总结与讨论227 致谢22参考文献22附录 控制系统的程序清单221 前言1.1选题的背景及意义 近几年来，我国奶业持续健康发展，饲养规模不断扩大，加工能力明显增强，奶类产品持续增长，乳品消费稳步提高，对丰富城乡市场、优化农业结构、增加农民收入做出了重要贡献。为促进奶业持续健康发展, 2007年9月30日，国务院发布国务院关于促进奶业持续健康发展的意见。意见强调，促进奶业持续健康，是优化农业结构，建设现代农业的需要；是促进产业进步，增加农民收入的需要；是改善居民膳食结构，增强国民体质的需要。国内外实践证明，奶牛养殖规模化、集约化、标准化是发展现代奶牛养殖业的必由之路。规模化是基础，只有推行奶牛养殖规模化，才能广泛运用先进技术，规模化奶牛场是推广先进技术的载体。集约化是核心，其本质就是提高科技含量，在规模化的基础上，集成各项先进实用技术，开展集约化经营。标准化是关键，通过标准化生产，把集成的科学技术落在实处。通过发展规模化奶牛场提高规模养殖的比重。奶牛业是畜牧业的重要组成部分，是世界公认的节粮、经济、高效型产业。促进奶业持续健康发展，是当前及今后一个时期农业和农村经济发展中一项紧迫的战略任务。促进养殖方式由粗放向集约转变，市场秩序由无序竞争向规范有序转变，增长方式由数量向质量转变，奶业由传统向现代转变。从2008年三聚氰胺事件中也看出规模化、集约化、标准化养殖奶牛的重要性，由于众多乳品加工企业为节约成本，忽视奶源建设的重要性，在产业链上游，抛开奶牛这项低投资回报率的重资产，把控制力和波动风险转嫁给奶站，从而导致悲剧的发生。随着事件的发展，乳品加工企业已经意识到上游奶源之于产品质量非比寻常的重要性，加快奶场的建设已经成为当务之急。而奶场的规模化必然是大势所趋，也为本课题研究的份量增添了砝码。国内传统的奶牛养殖，对于饲料投放这一块都是采用人工放料，即工人根据肉眼观察牛棚里每头奶牛上方的标牌，获知奶牛的性别、年龄、牛的编号和饲料量等信息，然后手工将对应重量的饲料投放到食槽中，这样的方法简单易于实现。但是由于饲料的重量是靠人工把握的，不可避免会出现误差，当料量偏少时奶牛吃不饱，会导致产奶量减少，当料量偏多时奶牛长膘过多，也会导致产奶量减少，使奶农遭受经济损失。而且对整个牛场中所有奶牛投喂需要相当长的时间，采用人工放料的方式必然会使工人疲劳，体力消耗也很大，对于规模较大的牛场，这样的喂养方法不利于高效迅捷的管理。欧美等国所采用的TMR混合性日粮（Total Mixed Ration）技术，是一种能够提供足够的营养以满足奶牛需要的饲养技术。 它是根据奶牛在各个不同阶段的营养需要，按营养专家设计的配方用特制搅拌机对粗料、精料等进行充分混合的一种先进的饲养工艺。但因其成本高，初期投入巨大，目前国内采用这种工艺的牛场较少，一般都是存栏量在数千头以上的大型牛场。所以开发能够代替人工并且符合中国奶农所要追求的高效率低成本的自动放料系统已经是刻不容缓。1.2 研究目标和研究内容1.2.1 研究目标 无线射频识别技术解决方案可确保任何供应链的高质量数据交流，该项目的实施可以实现两个最重要的目标。第一，实现了整个喂养过程的高度自动化控制。第二，彻底实现奶牛个性化管理。建设目标具体如下：1、实现了整个生产过程的高度自动化控制自动供料: 整个系统采用自动下料+自动识别的自动饲喂装置，实现了完全的自动供料。个性化管理: 准确控制每头奶牛的饲料量，真正实现个性化管理。数据传输: 所有数据都可以实时传输显示在显示器上。2、实现了数据管理的高度智能化系统可以自动完成奶牛的自动识别，并能实时显示奶牛的饲料量，从而了解奶牛的成长情况。当发生如因奶牛生长需要修改数据或者因读卡故障需要人工驱动放料电机等问题，还可以通过键盘进行输入操作，真正实现了方便快捷高效。3、有利于奶场规模化、简约化、标准化建设该系统将成为奶场建设中里程碑式的成就，在日益追求效率的现在，该系统的作用不可估量。当规模化养殖成为主流，自动喂养的方式必然是其中不可或缺的环节。1.2.2 研究内容 本文以射频识别技术的实际应用为背景，以奶牛自动饲喂控制系统的设计为例，阐述了使用一种Philips公司生产的工作于13.56MHz的典型的射频CL RC632 IC卡进行系统开发的方法，所做的工作主要有以下几方面:(1)系统的总体方案设计，研究奶牛自动识别的实现原理，确定系统的具体实现过程与工艺流程，完成硬件系统结构框图，实现控制参数的检测，完成硬件各部分元器件的选择，选取软件语言等。(2)采用公司MIFARE的MF1 IC S50射频芯片，设计了基于51单片机的13.56MHz的射频读写器，对读写器作了重点研究。(3)设计了基于PIC单片机的控制电路，并采用Protel99绘制了电路原理图。(4)根据所要实现的功能，利用汇编语言进行了程序设计，并进行调试，真正实现所要求的结果。 (5)对整个系统作了模拟试验，验证系统的可靠性。2 RFID技术简介2.1 RFID系统的组成最简单的RFID系统由电子标识(Tag)、读写器(Reader)和天线(Antenna)三部分组成。电子标识由集成电路(IC)和连接天线组成，天线通常为一组线圈。存储在集成电路里的数据可以通过天线来发送。电子标识芯片有的比米粒还小，有的则像砖块一样大。数据发送速度和范围将根据使用的频率、天线尺寸、功率输出和干扰的不同而异。读写器是读写电子标识中数据的装置，由RF模块、控制电路、接口电路以及天线等组成。读写器的基本功能就是提供与标识进行数据传输的途径。读写器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正等功能。读写器通常采用RS232或USB数据接口同电脑进行通讯，以便将所获得的数据传输给计算机。一套完整的RFID系统还包括系统中间件的研发，中间件是连接读写器和企业应用程序的纽带，是RFID应用系统的核心。中间将基于不同平台、不同实际需求的应用环境连接起来，通过提供合适的整合接口进行数据通信。2.2 RFID系统的原理 RFID系统的工作原理:标签进入磁场后，如果接收到读写器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(即passive tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(即active tag，有源标签或主动标签)，读写器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。读写器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读写器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。 工作原理如下图2-1所示: 图2-1 RFID系统的工作原理2.3 RFID系统方案选型 不同的RFID系统决定了其应用场合的不同。因此在进行方案选型的时候，户需要针对自身的使用环境，选择最适当的系统方案，防止投资的浪费。对于RFI系统来讲，标签是消耗品。系统的其它投资是一次性的，而标签的投资则是经常的，即使是可以回收利用的系统，也需要经常补充损坏或者遗失的标签。目前RFI标签的成本低频一般在3块钱以下，高频一般在4元以下，而超高频标签一般在元以上。当然，这与标签的制作材质、尺寸、性能有直接的关系。而对于有源系统来讲，标签成本更加昂贵，大多在100元以上。高频射频标签是目前应用最为广泛的一种形式的电子标签，其应用频率13.56MHZ，此种形式的标签价格低、工作时间短，工作距离长，应用范围广，所以本研究选择基于13.56MHz的无源RFID系统。本系统采用了公司MIFARE标准IC卡MF1 IC S50作为牛耳标的射频芯片，同时采用Philips CL RC632作读卡芯片。S50卡总容量1K字节，分成16个区，每区分4段，每段有16个字节，工作距离可达100mm，工作频率13.56MHz。从信息量上足以用作标记不同的奶牛，该卡除具有其他IC卡相同的功能之外，该卡是根据ISO14443标准，可以确保数据的安全稳定性，从而保证整个系统可靠性和稳定性。2.4 RFID特点RFID作为一项有发展前途的信息技术，主要有以下特点： 从数据的读取方面来讲，它无需接触，不需要光源，且读取信息速度较快，穿透能力较好，电子标签可以重复使用，应用起来方便快捷。从数据容量来看，它的标签中存储器一般在1K以上，并且可以根据用户的需求进行扩充，完全可以满足客户的要求。从数据的安全性来考虑，它的每个设备都具有唯一的序列号，在出厂前就已经固化，从而保证了设备的可靠性，并且各种数据加密和算法保护，使得保密性大大增强，保障了数据的安全可靠。从设备的使用寿命来看，它利用无线电进行通信，并且采用了封闭式包装，可以防尘、防油污和粉尘甚至高放射性，具有较好的环境耐受性，适合工作在恶劣的环境条件下。 由于具备这些优点，RFID技术应用领域非常广泛，涉及到我们工作和生活的各个方面。物流仓储是RFID最有潜力的应用领域之一，UPS，DHL，等国际物流巨头都在积极试验RFID技术，使RFID技术能够大幅提高其物流效率，降低物流成本。RFID技术应用的物流流程包括货物追踪，信息自动采集，仓储管理应用，港口应用，邮政包裹，快递等。沃尔玛、麦德隆等大型超市已经开始在采购和仓储环节中应用RFID技术，显著降低了人力成本、降低商品库存、加快商品流通。   RFID技术在军事领域已经开始广泛应用，美国在伊拉克战争中采用RFID技术对弹药，枪支，物资，人员，卡车等物体进行识别与追踪。RFID技术快速读取与难以伪造的特性，被广泛应用于身份识别证件。如世界各国正在开展的电子护照，我国的第二代身份证，学生证等证件。RFID技术还可以用于制造业的过程管理，RFID技术能够实时监控生产过程的各种生产数据，进行质量追踪，实现自动化和个性化生产等，在贵重和精密物品生产管理过程中应用更为重要。RFID技术将涉及到我们工作生活的各个方面，对人类社会的发展具有重大的影响。 3 ACFCS系统总体设计3.1概述 ACFCS即自动喂料控制系统由奶牛识别模块、PIC单片机控制模块、电机驱动模块和显示与人工设定模块等四个控制部分构成。奶牛识别模块就是采用射频识别技术，将RFID电子标签做成奶牛的耳标，使得奶牛具有独立的编号。PIC单片机控制模块的功能是实现自动喂料的重要环节，当读到电子标签的编码，将信息采集通过串口传送到PIC，PIC进行查表操作，读出编码对应的奶牛的性别、年龄、牛的编号等信息，并且得出预先设定好的投放料量，从而可以得到负责饲料投放的步进电机应该转动的步数；显示与人工设定模块则是实时显示牛的编号以及牛的饲料量。3.2 ACFCS 工作流程 当工人推着投放车走到牛棚里的时候，奶牛识别模块先开始工作，它会根据读得的电子标签的编码，将信息采集并通过串口传送到PIC单片机里，随后单片机进行查表操作，读出编码所对应的奶牛的性别、年龄、牛的编号等信息，并且得出预先设定好的投放料量，从而可以得到负责饲料投放的步进电机应该转动的步数，进而驱动电机进行饲料投放动作，与此同时该奶牛的饲料量以及牛的编号会通过LED显示器显示出来，如果碰到特殊情况如因奶牛生长需要修改数据或者因读卡故障需要人工驱动放料电机等问题，还可以通过键盘进行输入操作，真正实现了方便快捷高效。3.3 ACFCS总体方案设计 系统的总体设计思路是围绕着如何实现低功耗、低成本、高精度展开的。总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。总体方案经过反复推敲，确定了以PIC系列单片机为控制系统的核心，并选择低功耗和低成本的EEPROM、射频芯片等元件。系统的基本组成如图3-1。 图3-1 奶牛自动放料系统框图3.4 ACFCS 基本功能 ASFCS系统能够自动测定出奶牛生长过程的各项精确数据、自动生成各种表、自动绘制生长性能曲线。为奶牛的选择、育种提供指标参数，也可以依据饲料实际饲喂效果的精确数据，比较选择最佳配方饲料。对于提高我国奶场管理水平，促进我国牛场产业化升级建设创造了必要条件。系统实现了以下各项功能:(1) 实现饲喂和测定过程的全自动控制。(2) 耳标识别系统对进食的奶牛进行自动识别。(3) 实现系统对控制设备的运行状态、测定状况、奶牛异常情况进行全面监视。4 ACFCS 系统硬件电路设计4.1 元件选择 在硬件系统组成确定后，就需要考虑具体的元件选择了。元件选择同样是以模块化、低成本、低功耗等为原则的。（1）模块化。元件模块化有利于简化电路，优化结构，不至于使硬件系统显得过于臃肿。也有利于电路设计简明易懂，便于理解。（2）低功耗。降低功耗，便于电路顺畅，高效率运行。（3）低成本。成本低，有利于降低整个产品的研发成本，便于争夺市场成分。4.1.1 单片机的选择 单片机的选择是整个控制系统的关键因素。应选用功耗低、电磁兼容性好、可靠性高、保密程度高、内置硬件看门狗电路的微控制器。51系列单片机已比较熟悉，其特点是通用型强、堆栈丰富、编程容易等，使用十分方便。但51系列单片机指令系统中，23字节指令特别多。当程序指针PC跳飞至某条指令的中间时，会把操作数当成指令码执行而引起混乱。另外加密程度不高，内部无硬件看门狗电路，外部电路更加复杂。本系统选择美国Microchip公司生产的PIC单片机作为主控芯片，哈佛总线结构、指令单字节化、寻址方式简单、驱动能力强、RISC技术和运行速度快使得它在8位单片机领域里大放异彩。根据系统功能需求和成本的综合考虑，采用PIC16F873这一款单片机作为CPU，它具有PIC系列单片机的几乎全部优点，并且28个引脚数使得它方便实用，经济实惠。试验证明PIC16F873完全能达到所要求的性能。它将PIC单片机硬件设计简单，指令系统设计简练，中断性能发达，低电压，低功耗在试验中充分得到体现。PIC单片机具有以下优越之处： (1)哈佛结构：在国内最常见的单片机中，PIC系列单片机是唯一的一种在芯片内部采用哈佛结构的机型。这里所说的“哈佛结构”就是，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，如图4.1所示。这样做的好处是，便于实现“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指令的操作。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的。 图4.1 PIC单片机内部结构(2)“单字节化”：因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存贮器ROM和数据存贮器RAM的寻址空间（即地址编码空间）是互相独立的，而且两种存贮器宽度也不同，这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现全部指令的“单字节化”。在此所说的“字节”，特指PIC单片机的指令字节，而不是常说的8比特字节。(3)精简指令集（RISC）技术：PIC系列单片机的指令系统（就是该单片机所能识别的全部指令的集合）只有35条指令。PIC系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。(4)寻址方式简单：寻址方式就是寻找操作数的方法。PIC系列单片机只有4种寻址方式（即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址），容易掌握，而MCS-51单片机则为7种寻址方式。(5)代码压缩率高：1K字节的存贮器空间，对于像MCS-51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而PIC单片机则能够存放1024条指令。(6)运行速度高：由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用了流水作业方式，使得运行速度大大提高。(7)功耗低：PIC系列单片机的功率消耗极低，是目前世界上最低的单片机品种之一。(8)驱动能力强：I/O端口驱动负载的能力较强，每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA，能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。本设计的使用的是PIC16F873， 它集成了许多外设模块，能最大程度的减少了外结电路，本设计使用到的外设模块有：(1)定时器TMR0模块：8位宽的可编程定时器，也可以作为计数器使用。(2)定时器TMR1模块：16位宽的可编程定时器，也可作为计数器，并且可以与捕捉/ 比较/脉宽调制CCP模块配合，实现脉宽调制输出功能。(3)EEPROM数据存储块模块：128字节的存储器，既可以擦除，也可以电写，存储的内容掉电也不会丢失。4.1.2 串口EEPROM的选择 在系统的外部设备中，要选择一种性能优越、符合实验要求的EEPROM来用以存储牛场中所有奶牛的信息，包括每头牛的性别、年龄、料量和放料电机应转动的脉冲数。通过比较我们选择AT24C64串行EEPROM芯片，该芯片具有8K字节的存储空间，且体积小、功耗低、电源电压宽、遵循I2C总线协议的特点。（引脚图及功能见图4.2） 图4.2 AT24C64 引脚图引脚描述：（1）设备地址线A2、A1、A0：作为设备地址输入线；（2）WP线：写保护输入，当接地时，允许写操作；接高电平的时候VCC，所有的写操作被抑制；给引脚不接，内部把它拉成低电平GND；（3）SCL：SCL输入是用于时钟信号，同步数据的输入和输出EEPROM；（4）SDA：SDA是一位一位进行数据传输，形成一个数据串，而不是并行。该引脚为漏极驱动，可以以别的漏极开路的设备直接连接；AT24C64设备的运行条件：（1）时钟和数据传输：SDA脚通常被拉高在接外部设备时；数据只有在SCL时钟上的信号变成低电平时改变才是有效的；在SCL高电平，数据线变化形成开始和结束信号；（2）开始时序： SCL变成高电平，SDA产生一个高低变化的信号，这个就是开始信号，开始信号是对卡进行其他一切操作的必须条件；（3）停止时序：在SCL高电平时，SDA产生一个由低变到高的信号，这个形成结束命令信号；停止命令必须发生在EEPROM在标准电压工作的条件下；（4）应答信号（ACKNOWLEDGE）：所有的地址和数据字被串行输入输出EEPROM（即每传输了8位数据），EEPROM在第九个时钟周期就发一个0信号，作为应答已经接受了每个字（即8为数据）；4.2 显示与人工设定模块设计4.2.1 HD7279A芯片选择在显示与人工设定模块中既有对键盘的信息读入，又有对数码管的显示控制。通过比较，我们选用键盘/显示器专用芯片HD7279A，这是一款串行控制芯片，能同时驱动8位共阴极LED数码管和64键的键盘(8*8键盘矩阵)，采用动态循环扫描。它最主要的特点就是与单片机之间采用串行接口方式，仅占用4根口线，简单方便。HD7279A内部具有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有两种译码方式。HD7279A引脚图如下（图4.3） 图4.3 HD7279A引脚图 表1 HD7279A引脚说明 HD7229A采用串行方式与单片机通讯，串行数据通过DATA引脚进入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK的上升沿被写入HD7279A的缓存寄存器内。 4.2.2 模块的电路设计奶牛识别模块获取了奶牛的编号，PIC单片机控制模块根据编号得出了相应的奶牛信息之后，就要进入到显示模块，将奶牛的编号和饲料量一一显示。本系统采用的是两个数码管S05641C（四位七段），左边一侧的数码管用于显示牛号，从0001到9999，足以满足大多数牛场的需要；右边一侧的数码管用于显示饲料量以及电机的输入脉冲数，当在料量显示状态时以公斤计，从1Kg到99Kg，并且可以精确到小数点后两位。键盘由17个键构成，包括0到9的数字键、小数点键、增加键、减少键、料量修改键、手动放料键、校准键和确认键。键盘的设置主要为了实现三种功能，第一种就是料量修改功能：当奶牛由于年龄的增长，之前设置的料量已经和现时所需要的料量不符合时，工人可以按下料量修改键，重新设置所需的量，完毕后按下确认键，在按键修改的同时数值会在右侧的数码管一一显示；第二种就是手动放料功能：当由于各种故障，使得系统没有能够识别奶牛的信息，进而不能驱动电机进行下料时，工人可以按下手动放料键，然后输入数据并按下确定键，就可以临时性地驱动电机进行动作，放出相应的草料，同时料量也会通过右侧的数码管同步显示；第三种就是校准功能，当奶牛的饲料品种更换时，电机转动同样步数所出的料量就有可能就会和上一批饲料的料量不同，出现偏高或者偏低的现象，所以工人在初次更换草料时就要对它进行校准，原本标准单位重量的草料对应相应脉冲数，如果新更换的草料通过电子秤称重之后显示少于标准单位重量，就要增加相应的脉冲数，反之则应该减少，到达标准重量即为校准完成，按下确定键就将标准单位重量的草料所对应的新的脉冲数存入到E2PROM中，并且在校准的同时会通过右侧的数码管将对应的脉冲值显示出来，方便工人查看。电路设计图4.4 图4.4 显示与人工设定模块原理图4.3 单片机控制模块 本模块的工作原理如下：如图4.5所示，从奶牛识别模块传输过来的232电平信号，经过MAX232A芯片再次转换为TTL电平，并被PIC单片机接收。根据接收到的数据，进入AT24C64进行查表操作，得出该牛的信息。在单片机中，由于单位重量的饲料与步进电机输入脉冲数的关系已预先设置好，所以明确了该奶牛的饲料量，就可以查出相应的放料电机脉冲数，然后就可以对显示与人工设定以及电机驱动这两个模块进行操作。该模块是自动放料系统的核心，将各个模块有机的串联起来，起到了桥梁作用，并充分发挥了PIC单片机强大的控制与优越的人性化性能。在该模块中PIC的定时器模块以及中断系统得到了最大限度的发挥，利用定时器的计数功能来产生一定周期的脉冲从而准确控制步进电机转动的圈数，达到自动放料和准确放料的双重目的。控制模块对显示与人工设定模块以及电机驱动模块的操作是利用PIC单片机接口的优势。PIC单片机I/0口多路复用，它对于单片机的外部特性具有选择作用。通常当使用外部功能时，这个引脚不可以作为正常的I/O口使用。 图4.5 PIC控制模块原理图OSC1/CLKIN、OSC2/CLKOUT晶振的输入/输出引脚，使用20M的晶振。MCLR/VRR为人工复位输入端（低电平有效）/编程电压输入端。A0口接E2PROM的SCL,SCL变成高电平可以对AT24C64进行操作。A1口接E2PROM的SDA，SDA变成高电平AT24C64进行数据传输。RB0RB4接HD7279A的控制引脚。4.4 电机驱动模块4.4.1 步进电机的选择饲料投放机构需要用电机来带动，在直流电机、交流伺服电机和步进电机这几种常用电机中，我们选用步进电机。步进电机有如下优点，它的角位移和输入脉冲严格成正比，具有良好的跟随性；它的动态响应快，易于起停；它的速度在相当大的范围内可以实现平滑调节，较低速度下仍能获得较大转矩；它简单易行，成本低。尽管它是开环控制系统，会存在失步和振荡现象，但对于奶牛自动放料系统来讲，这些都是在其误差允许范围内的。（1）选型原则 驱动器电流：电流是判断驱动器能力大小的依据，是选择驱动器的重要指标之一，通常驱动器电流要略大于电机的标称电流，通常驱动器电流有3.0A、4.0A,6.0A,8.0A等规格。 驱动器的供电电压：驱动器电压是判断驱动器升速能力的标志。 驱动器的细分：细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善精度。步进电机都有低频振荡的特点，细分驱动器能很好的改善这一缺点。细分比不细分，输出转矩对各种电机都有不同程度的提升。（2）选型指导 要使系统协调运转，选型是比较重要的一环。因此可以从电机着手。选择步进电机大致分为以下几种步骤：a. 计算负载转矩假设系统力学模型如图所示：已知条件：所用丝杆为滚珠螺杆，直径D=20mm,长度L=1m，负载P=50KG,Z1,Z2为传动齿轮，Z1分度圆直径为d1=210mm,Z2分度圆直径为d2=70mm,宽度为2cm；u=0.2.由此可计算负载转矩如下：T=9.8upd/2/1000 =9.8×0.2×50×20/2/1000 =0.98 N.M1. 计算传动构件的转动惯量滚珠螺杆传动惯量：I0=1.57R4l =1.57×0.014×7800×1=0.012 Kg.m2 同理可以求得Z1和Z2的转动惯量 I1=0.024 Kg.m2 I2=0.0015 Kg.m22. 计算传动比I21=d1/d2= 33. 计算电机启动转矩Tm=T/I21+(I0+I1)/I21+I2× =0.98/3+(0.012+0.024)×314/3+0.0015×314 =0.33+3.376+0.471 =4.571N.M 考虑到其他因素，将其乘以一个系数，此系数请以实际情况酌情选择。在此取K=1.5,则T=Tm×K=6.86N.M 根据实际情况,我们选择8牛·米的步进电机。根据步进电机的型号，我们选择常州苏泰电器有限公司的ST-29HB步进电机驱动器，它采用美国高性能专用微步距电脑控制芯片，实现高频斩波，恒流驱动，具有很强的抗干扰性、高频性能好、频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离，细分数可根据用户需求专门设计。它应用了新型的双极性恒流斩波技术，电机运行平稳。从驱动方式上来看，采用了高压、低压两个电压进行驱动，在步进电机绕组开始上电的时候用高压来供电，使得绕组中电流快速上升，然后切断高压改用低压维持绕组中的电流，由于绕组的电阻很小，所以低压足以为绕组提供较大电流，电机可以正常运行。模块工作原理如下：从PIC单片机控制模块传来的电机输入脉冲以及方向控制信号通过电机驱动器来驱动步进电机，由于电机步数与料量的对应关系，当电机转动完成之后放料机构便会放出相应重量的饲料，从而实现了饲料的准确配给。原理图见图4.6。 ACP A- BDIR B- RB0 RB2步进电机步进电机驱动器PIC单片机图4.6 电机驱动原理图5 ACFCS系统软件设计上一章介绍了系统硬件的设计，本章将介绍各个功能模块的软件设计。软件设计中一个重要的思想就是采用模块化的设计，把整个编程逐步细分，分解成一个个功能模块，每个模块都能够完成一个明确的任务，实现某个具体的功能，这样编制的程序易于调试修改，可读性好。这种思路对于可以重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而且节约程序空间。5.1 程序的主循环流程 本系统的软件设计思想，是以PIC单片机为核心，对其他外设进行全面有效地控制操作。主要实现的功能就是对放料电机的控制，LED数码管的显示，对料量等参数的修改，对电机控制脉冲数的校准以及对出现读卡失败等情况时实现手动供给的保障。主程序，实现的功能就是自动放料，这是整个系统软件设计的核心，是系统最主要也是最基本的功能。流程图见5.1。开始初始化读入奶牛RFID编码？ N Y 查表得出料量的脉冲数 将脉冲数送电机驱动器驱动步进电机判断脉冲数是否为零 Y 图5.1 主程序流程图5.2 软件开发环境软件设计的一个很重要环节是确定开发工具和编程语言。在进行系统的软件开发时，本课题使用PICMATE2002软件来编写、调试、编译程序。PICMATE2002是一套用来开发PIC16F87X系列及大部分中级PIC单片机的低价开发工具。为了方便软件的通用性，本设计使用汇编语言。PIC指令系统设计简练，绝大部分是单字节指令，是最容易学、最容易运用的单片机品种之一。5.3 RS232串行通信5.3.1 通信协议射频卡（RFID）开发板采用RS232串口与PIC单片机进行通信，为了能正常的进行通信，必须建立起一种互相遵循的通信协议。UART协议的所有命令的发送和接受均采用数据包的方式。数据包的格式如下：1） 发送格式（单片机RFID）包头长度字节