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《黑龙江八一农垦大学》 2017年
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基于螺旋升运的谷物产量传感器机理研究

赵晨  
【摘要】:自动化的谷物产量测量是实行精准农业收获阶段的重要组成部分,而且产量的高低同样能够集中体现谷物的生长和管理状况,但是收获机械的实时产量的测量一直是农业生产中的难点,所以,获取准确的产量空间分布信息是实施精准农业的关键。本课题研究的目的就是通过研究谷物测产系统的关键技术,开发了一款基于螺旋升运原理的谷物产量传感器,采用嵌入式处理器对产量信息进行实时监测,实现低功耗和高测量精度的要求。通过螺旋升运原理设计一套谷物测产试验台,选用12V直流电机为其提供升运动力。根据试验台的螺旋升运物理结构和谷物在输送腔体内所受力的情况,在产生螺旋运动前及稳定输送过程中进行动力学分析,得到螺旋运动的临界转速。根据直流电机的本身参数,螺旋升运试验台物理结构和临界转速的约束,选取了测产实验的影响因素(包括机身倾斜角度和电机转速),分别进行谷物产量实验进行误差分析和功耗比较,最终选优最佳方案。测产系统包括螺旋升运式谷物产量传感器和上位机PC组成,能够实现谷物产量信息采集、计算和存储功能。具体功能如下所示:(1)就谷物产量传感器的构成来说,其内部核心处理器一般选取的是高性能以及低功耗的构件,在本次毕业设计中,选取的是以ARM Cotex-M3为内核的STM32F103VCT6嵌入式处理器;WHB20LSP5S2H型霍尔效应原理-闭环电流传感器为电流监测电路核心元件,提供了高精度、能耗低的检测方法;为了更好的显示和设置螺旋升运器的转速和电流状态,设计了人机交互模块来设置螺旋升运直流电机PWM百分比、对螺旋升运电机进行启停,同时利用分辨率为128*64的OLED设置参数、显示和监测数据;(2)上位机PC端通过串口助手和无线模块接收端,对谷物产量传感器中螺旋升运电机的转速和电流进行实时监测,采集产量信息完成后,可以通过串口助手保存数据,把采集的数据导入EXCEL中进行分析,绘制成曲线供研究调用。本文对筒腔内的谷物进行了一般动力学和稳定输送情况下的动力学分析,建立了一套根据输送电机参数计算谷物产量的计量方法。根据研究方法设计了一种基于螺旋输送机的谷物测产监测系统,通过采集电机的电压、电流、转速等相关参数计算谷物的流量。实验室内进行了试验验证,证明该方案可行,减少了谷物流量传感器的设计成本,实验误差较小。
【关键词】:联合收获 谷物产量 螺旋升运原理 嵌入式处理器 动力学分析
【学位授予单位】:黑龙江八一农垦大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP212;S127
【目录】:
  • 摘要11-12
  • Abstract12-14
  • 1 绪论14-22
  • 1.1 研究的目的和意义14-15
  • 1.1.1 精准农业的概述14-15
  • 1.1.2 谷物产量测量重要性15
  • 1.2 谷物流量传感原理研究15-17
  • 1.3 国内外研究应用现状17-20
  • 1.3.1 国外研究及发展现状17-18
  • 1.3.2 国内研究及发展现状18-20
  • 1.4 研究内容和方法20-21
  • 1.4.1 研究目标20
  • 1.4.2 研究内容20
  • 1.4.3 拟解决的关键问题20-21
  • 1.5 本研究的技术路线21-22
  • 2 谷物产量试验台装置设计22-30
  • 2.1 垂直和倾斜螺旋输送机的工作原理和特点22-24
  • 2.1.1 垂直螺旋输送机22-23
  • 2.1.2 倾斜螺旋输送机23-24
  • 2.2 试验台整体结构设计24
  • 2.3 螺旋输送绞龙的设计24-26
  • 2.4 螺旋输送电机的选择26-27
  • 2.5 螺旋升运器的转速检测27-28
  • 2.6 螺旋升运器的倾角设计28-29
  • 2.7 本章小结29-30
  • 3 谷物在输送腔体中的动力学分析30-38
  • 3.1 螺旋升运机现行的理论研究方法30-32
  • 3.1.1 单质点法30-31
  • 3.1.2 流体力学法31
  • 3.1.3 物料群法31
  • 3.1.4 散体力学法31-32
  • 3.2 谷物在绞龙输送过程中的一般动力学分析32-36
  • 3.2.1 谷物与螺旋叶片产生相对运动前的动力学分析33-34
  • 3.2.2 绞龙在稳定输送过程中的动力学分析34-36
  • 3.3 本章小结36-38
  • 4 硬件设计38-52
  • 4.1 整体硬件设计38-39
  • 4.2 核心控制单元设计39-41
  • 4.2.1 核心控制器选择39-40
  • 4.2.2 控制器应用电路40-41
  • 4.3 调试接口设计41-42
  • 4.4 电源模块设计42-43
  • 4.4.1 12V转5V电路设计42-43
  • 4.4.2 12V转3.3V电路设计43
  • 4.5 电流监测电路设计43-45
  • 4.6 电机驱动电路及速度采集电路设计45-46
  • 4.7 串口通信电路及无线通信模块设计46-48
  • 4.8 人机交互电路设计48-50
  • 4.8.1 人机交互按键电路48
  • 4.8.2 人机交互显示电路48-50
  • 4.9 系统PCB设计50-51
  • 4.10 本章小结51-52
  • 5 软件设计52-63
  • 5.1 下位机软件整体程序设计52-55
  • 5.1.1 下位机软件开发平台52-53
  • 5.1.2 下位机软件设计总体结构53-54
  • 5.1.3 软件整体工作流程54-55
  • 5.2 电机PWM调节模块设计55-57
  • 5.2.1 PWM控制原理55
  • 5.2.2 电机PWM调节模块设计55-57
  • 5.3 谷物产量数据计算模块57-58
  • 5.4 OLED显示驱动模块设计58-60
  • 5.5 无线通信模块60-62
  • 5.5.1 无线模块参数配置60-61
  • 5.5.2 无线模块数据传输测试61-62
  • 5.6 本章小结62-63
  • 6 谷物产量测量试验与分析63-71
  • 6.1 试验准备63-66
  • 6.1.1 试验目的63
  • 6.1.2 试验条件63-64
  • 6.1.3 试验影响因素的确定64-65
  • 6.1.4 实验步骤与方法65
  • 6.1.5 谷物流量传感器的静态试验65-66
  • 6.2 室内试验66-70
  • 6.2.1 倾斜角为 45°的谷物产量传感器测产试验67-68
  • 6.2.2 倾斜角为 90°的谷物产量传感器测产试验68-70
  • 6.2.3 试验结果分析70
  • 6.3 本章小结70-71
  • 7 结论与展望71-73
  • 7.1 结论71
  • 7.2 创新点71-72
  • 7.3 展望72-73
  • 参考文献73-77
  • 致谢77-79
  • 附录79-81
  • 附录一 电路原理图79-80
  • 附录二 电路实物图及PCB图80-81
  • 个人简历81

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1 赵晨;基于螺旋升运的谷物产量传感器机理研究[D];黑龙江八一农垦大学;2017年
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