毕业设计（论文）取苗机构控制系统设计

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1、石河子大学机电学院2007级本科生毕业设计目 录 摘要1第一章 绪 论21.1 研究的目的和意义21.2本课题所涉及的问题在国内外研究现状及分析21.2.1 国内穴盘育苗移栽机控制技术的研究现状21.2.2 国外穴盘育苗移栽机控制技术的研究现状31.3 本课题需要重点研究的内容4第二章 系统的总体设计52.1 系统设计任务介绍52.2 系统概述62.3 系统基本功能模块72.3.1 单片机辅助电路72.3.2 开关量输入模块92.3.3 气缸驱动模块102.3.4 同步带电机驱动模块12第三章 系统的软件设计143.1 软件设计概述143.2.1 编程软件的介绍153.2.2 使用Keil C

2、51编写仿真程序16第四章 Proteus仿真184.1 Proteus单片机仿真概述184.1.1 进入Proteus ISIS184.1.2 工作界面184.2 绘制系统电路图194.3 KeilC与Proteus连接调试20第五章 系统干扰设计215.1 硬件抗干扰设计215.2 软件抗干扰设计21第六章 总结与展望226.1 总结226.2 展望22参考文献23附录24致 谢261摘要自动取苗机构是穴盘苗自动移栽机的关键机构之一,为提高移栽机的自动化程度，通过对自动移苗机控制系统的功能分析，以单片机为控制核心，结合各种气动装置和步进电机等元件对控制系统的硬件和软件进行了设计，编制了相应

3、的控制程序，实现了取苗机构的自动准确拔苗、放苗。Summary: Auto-transplanter is one of the key mechanism of the automatically taken automatically plug seedlings transplanting machine. With the purpose of improving the transplanting machine automation ，After the function analysis of the machines control systemthe control syst

4、em is designed by microcontrollerWith the assistant of all kind of pneumatic equipment，steppingmotor and so on，detailed research is done to the hardware and the software of the control system，and achieve the targets of pulling seedlings accurately，transplanting automaticly朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典关键字：单片机 自动控

5、制 取苗机构 移栽机 第一章 绪 论1.1 研究的目的和意义随着兵团加工蕃茄、线辣椒、棉花移栽的需要,减少定苗人工用量，提高经济效益，需设计一种配合移栽机需求的穴盘育苗自动取苗机构自动控制。移栽是当前田间生产的主要栽植方式，但我国生产的幼苗自动移栽机，大都属于半自动机器。幼苗仍需人工供给，不仅劳动强度大，工作效率低，而且作业质量难以保证。因此要实现幼苗移栽的自动化，必须解决幼苗的供给问题。世界人口日益增加，蔬菜等农产品的需求量也日渐增长，世界各国对农业生产的发展都给予了极大的重视和关注。世界人口日益增加，蔬菜等农产品的需求量也日渐增长，世界各国对农业生产的发展都给予了极大的重视和关注。人工移栽

6、劳动强度大、效率低，而机械化移栽能减轻种植户的劳动强度,提高作业效率，以便达到增产、增收的目的，因此实现移栽作业的机械化已成为我国农作物移栽种植中迫切需要解决的问题。目前，一些发达国家生产的移栽机具通用性较强，工作可靠性较好，但其结构复杂，造价也比较昂贵，而国内适用于大面积移栽的幼苗移栽机还不成熟，因此，研制适应我国国情的移栽机具，对转变我国农业生产中劳动密集型的特点,降低生产成本,节约劳动力具有理论和实用价值。移栽机核心部件 取苗机构的设计。穴盘苗娇嫩易伤， 而取苗机构是直接与苗坨接触的工作部件，其设计要基于苗坨的物理和生理特性，在保证成功提起和放置苗坨的情况下， 使其具有一定的柔性，以减少

7、穴苗损伤率和苗坨破碎率。设计时应着重考虑的因素有夹持指数量、夹持指形状、夹持力及动作实现方式。 目前，国外的一些移栽机械手虽然具有良好的移栽效果，但结构复杂、成本偏高、通用性差，只适用于某一类穴盘苗的移栽。因此，提高通用性、简化机构及降低制造成本是移栽取苗机构设计需要解决的关键问题。若取苗机构夹持指针的张开角度和入土深度可调，其通用性必将有很大程度地提高。1.2本课题所涉及的问题在国内外研究现状及分析1.2.1 国内穴盘育苗移栽机控制技术的研究现状我国70 年代开始研制裸根苗移栽机，最早用于甜菜移栽，80年代研制成半自动蔬菜移栽机，同时也从国外引进了多种适合于移栽蔬菜烟叶甜菜等经济作物的移栽机

8、械，但均因育苗技术落后，配套性能差，以及机具本身性能不稳定和生产率低等原因，都未得到推广使用，近几年来，随着育苗技术的发展，以及劳动力成本的上升，推动了移栽机械的研制开发工作，目前国内已经研制开发的钵苗移栽机主要以半自动为主，全自动移栽机因结构复、成本高，目前尚处在研究起步阶段。我国台湾省研制的移植288288cm2 格草花种苗穴盘移苗机，穴盘移苗机，每次移苗作业时，一次可平行移植6株种苗到下方软钵中，移栽速度与自动软钵上钵机的作业速度配合。该种苗移植机主要由控制系统、触摸屏人机接口、种苗穴盘供盘机构、穴盘定位机构、种苗夹持机构和软钵与托盘定位输送带等组成。其后方自动取苗机构是由步进，电机驱动

9、的，夹持机构则是以气压驱动，所有动作都采用可编程逻辑控制器plc 进行顺序控制，并可进行单步控制。吉林农业大学研究了一种空气整根自动移苗机。根据温室生产特点，温室全自动移栽机采用双秧盘结构与秧盘输送带结构2种形式 。双秧盘形式的下部不是输送带，而是一个大的秧盘框。育苗秧盘位于上部，由全自动落苗机构将秧苗移植到下部大秧盘或输送带上的花盆中。移栽机设有选择开关，可适应多种尺寸的秧盘，移栽机的操作移栽机的移行机构由步进电机驱动，置精度很高，移栽的全部工作由单片机控制。移栽机的操作键可装在一个很小的控制盒上，用电缆与移栽机相连，可以在一定范围内对移栽机遥控,操作简单，使用维修方便。农业大学2001级硕

10、士研究生孙刚 ,对生菜自动移苗机进行了初步研究，设计了一套龙门式的移苗机构，采用运行C /OS 一II 嵌入式操作系统的16位微控制器作为核心控制系统。在移苗机构 、移苗手爪的设计和机构稳定性等方面还有待完善和提高。中国农业大学2003 级硕士研究生强丽慧 ,对生菜 自动移苗机进行了改进研究 ,主要从三维辅助设计和理论研究角度对移苗机进行 了改进设计 。首次设计了倾斜插缩一垂直取放移苗装置，为改善移栽，准确性，设计了位置传感器和步进电机驱动同步带移苗装置 。沈阳农业大学张诗 、田苏博等2007年分别对穴盘苗 ，自动移栽机的移栽机械手和控制部分进行了研究，应用ADAMS对机械手进行了运动学仿真及

11、合成运动的轨迹分析，确定了最优工作速度，验证了机械手设计的合理性，完成了穴盘苗移栽机械手样机的试制。1.2.2 国外穴盘育苗移栽机控制技术的研究现状穴盘苗移栽机技术的研究开发始于 20 世纪 80年代， 到目前为止，穴盘苗取苗过程的实现方式有两种，一种是依托现有工业机器人的穴盘苗自动移栽机，另一种是研制独立机电系统的穴盘苗自动移栽机。（1）以工业机器人为本体的穴盘苗自动移栽机以工业机器人为本体的穴盘苗自动移栽机是最简单的实现移栽作业的种植机械。它主要利用工业机器人的机械本体和控制器，并安装能完成移栽的末端执行器、视觉传感器，以组成一个移栽机器人系统。1987 年美国奥本大学 Kutz 等人设计

12、的苗圃植物移栽机器人，其本体为 Puma 560 机器人，末端执行器为自主设计的平行夹持指夹苗机构，可以将种苗从 392 孔穴盘移栽至 36 孔的生长盘中。利用电脑辅助设计系统模拟实际作业情况结果表明：穴盘与生长盘排放的相对位置对作业效率影响较大，穴盘与生长盘并排放置时移栽效率最高。1992 年 K.C.Ting 和 Y.Yang 等人研制的移栽机器人以四自由度工业机器人 ADEPT SCARA 为本体，带传感器的滑移指针（ Sliding Needles with Sensor 简称 SNS ）夹持器为末端执行器。其位于顶部的视觉传感器检测穴苗的位置，力觉传感器可避免 SNS夹持器夹苗时用力

13、过大而损伤穴苗， 在苗盘相邻的情况下，移栽单个苗的时间为 2.603.25 s。该研究证明了应用移栽机器人实施移栽作业的可行性。(2) 以独立机电系统为主体的穴盘苗自动移栽机为了智能扩张和提高农业机器人的柔性生产能力，许多专家针对农业生产的不同特性而研制出的穴盘苗自动移栽机具有独立机电系统，该系统通常由机械部分和控制部分组成。1995 年日本研制的 PT6000 型移栽机器人是第台识别有无缺苗的移栽机器人，专用于穴盘苗移栽。这种机器人的取苗部分主要部件包括机械手和插入式拔苗器 ，工作时，穴盘输送系统将穴盘苗移动至拔苗器下方 ，经光电传感器检测，在穴孔内无缺苗时， 拔苗器将穴苗抓起，用机械手带动

14、到空的盆状容器所在位置。2001 年韩国 K.H.Ryu 等人借助笛卡尔坐标系开发出一种育苗移栽机器人，其取苗部分由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指组成，电机的作用是使指针在夹取前旋转至适当的位置，以避免夹苗时损伤叶片，气缸的作用是推动指针插入苗坨，气动卡盘的作用是通过开合来实现对穴苗的抓取、保持和释放当土壤湿度较低时，该机械手移栽就不能很好地完成移栽任务，为此 Ryu 等人针对这一问题进行了改进，改进后的夹取器的2 个手指成 15 每个手指均由 1 个气缸驱动，其灵活性和可靠性有所提高，但结构相对复杂。2002 年韩国 W.C.Choi 研制出一种蔬菜移栽机其取苗机械手由五杆形成的路径发生器

15、 、夹取指针和指针驱动器3 部分构成，样机试验证明苗龄，指针插入深度， 夹持位置和抓苗速度对移栽成功率均有影响 ，每分钟抓 30 株 23 d 苗龄的苗，成功率为 97%。（3）投入生产实践的穴盘苗自动移栽机澳大利亚 Transplant Systems 公司生产的 XT616型移栽机是茶叶穴盘苗专用移栽机系列之一。该移栽机体积相对较小、可靠性和灵活性较高适用于大型育苗生产线和中小育苗户。XT616 型移栽机之所以成为一种开放式农业机器人的典型，体现在3个方面：1）采用可编程控制器实现对驱动装置（步进电机、气缸）的控制，只要保留足够的接口，便可控制足够自由度的机械部分或接收传感器信号，通过简单

16、的更改程序，便可调整机械手末端的动作幅度，配有多种不同规格的机械手末端执行器，以适应不同规格的穴盘苗移栽，提高了移栽本体的利用率，输送平台可折叠，可充分节省空间及成本。荷兰飞梭公司生产的PIC-O-Mat PC-11/4自动移栽机的夹苗装置为指针插入式结构，1个机械臂上有4个夹苗装置，移栽速率为6000株，是人工移栽速率的6-7倍。1.3 本课题需要重点研究的内容（1）根据取苗机构及其工作原理，确定需要检测的输入量及需要控制的输出量。根据系统性能指标要求，确定系统控制方式及硬件控制电路中单片机以及外围芯片。 （2）根据系统方案，设计单片机硬件系统，并完成系统原理图，设计相应的外围电路。（3）根

17、据接口电路设计定制，应用 Keil C51 开发环境进行控制系统软件部分的开发与调试，并使用Proteus软件进行仿真。第二章 系统的总体设计2.1 系统设计任务介绍该设计的主要任务是结合其机械结构及移栽动作过程,设计一种配合移栽机需求的穴盘育苗自动取苗机构的控制系统，实现其自动取苗过程。取苗机构在移栽过程中承担拔苗作业，是自动移栽机重要的一个机构。移苗机构由下几部分组成：移苗执行装置、移动臂、 导轨和同步带驱动部分，如图2-1-1所示 。1. 同步带 2.电机 3.行程开关 4.导轨 5.移苗气缸 6.移苗针 7.机械臂 8.同步带轮 9.张紧装置图2-1-1 取苗机构该设计中采用的思路是：

18、做一套机器系统来模仿人工取苗的动作，完成如下几个移栽过程（图2-2-1）：手移动到苗盘待移的苗的上方；手下降；手抓住基质：将移栽苗向上拔起；将移栽苗平移到幼苗输送带相应的位置；将抓基质的手松开；手抬起，完成一次移栽作业。1.穴盘台2.苗盘 3.取苗手臂 4.幼苗输送带 5.移栽路径 图2-2-1 取苗工作过程示意图该取苗机构工作原理：取苗执行装置与移动臂相连接。同步带驱动部分开始运转时，同步带带动移动臂及取苗执行装置在导轨上做往复运动，根据移苗需要，导轨的相应位置上均安装了行程开关，当同步带电机正转移动臂运动到与需要拔苗的孔穴相应的行程开关位置时，移动臂上的小滚轮将行程开关压下，产生位置到达的

19、脉冲信号，同步带驱动电机停止转动，移动臂和移苗执行装置开始执行拔苗任务。拔苗完成后 同步带电机反转，移动臂开始反向移动，移动臂运动到幼苗传送带相应的行程开关位置时，移动臂上的小滚轮将行程开关压下，产生位置到达的脉冲信号 同步带驱动电机停止转动移动臂和移苗执行机构开始执行放苗任务。2.2 系统概述 单片机 辅助电路气缸驱动A开关量输入同步带电机驱动B 图 2-2 系统控制原理框图本文所述系统原理如图2-2所示。系统设计工作原理为：将装满移栽苗的穴盘放在苗盘台固定位置上，按下取苗机启动按钮，取苗机开始工作。取苗机构上的步进电机开始转动，在步进电机的带动下，同步带带着移苗机构在导轨上运动。当运动到拔

20、苗位置，行程开关被压下，步进电机停止转动，机械手臂伸出，之后，移苗气缸伸出，连接在移苗气缸端部的6组针随之扎入6棵苗的基质中，机械手臂缩回，完成拔苗。步进电机反向转动，移苗机构向幼苗传送带方向移动，当运动到床上的位置时，压下相应的行程开关，步进电机停止转动，机械手臂伸出，移苗气缸缩回，之后机械手臂缩回。完成一次移苗。每移完一个穴盘的全部幼苗，其他机构暂时停止工作，进行换苗盘。不需要换苗盘的话，同步带步进电机继续正转，将移苗机构送到相应位置继续移苗。2.3 系统基本功能模块通过对取苗机构分析可知，自动取苗机构的主要动作由受电磁换向阀控制的气缸执行，因此取苗机控制系统首先要能控制电磁换向阀按预定的

21、时序开闭，从而完成取苗过程。其次，机械臂及取苗机构的位移是通过步进电机的转动来驱动的，所以必须控制步进电机使其精确运动。作为一个完整的控制系统还应具备控制自动移苗机的初始状态、启动、停止等功能。综合起来，移苗机的控制系统需要完成的功能如下： （1）控制电磁换向阀按相应的位置开关，从而驱动执行机构按预定的动作工作，完成整个移苗过程： （2）控制步进电机按照要求的时间和方向； （3）控制机械手臂的初始位置和各个气动元件的初始状态； 根据系统控制原理图把整个系统分为4个功能模块，其分别为单片机辅助电路、开关量输入模块、气缸驱动模块、同步带电机驱动，下面分别接受各模块组成及功能。2.3.1 单片机辅助

22、电路2.3.1.1晶振电路AT89C52单片机芯片的内部有片内振荡电路，但必须外部附加电路才能形成时钟。在XTAL1和XTAL2引脚之间外接晶体振荡器和电容组成的谐振电路就可以使内部振荡电路产生自激振荡。为了保证振荡器的稳定可靠工作，应尽可能使晶体振荡器和电容靠近单片机芯片，以减少寄生电容。图2-3-1是80C51单片机片外震荡器电路图，外接晶体(选用陶瓷谐振器)以及电容CYl和CY2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度稳定性。晶体可在12MHZ-12MHZ之间任选，电容CYI和CY2

23、的典型值在5PF30PF之间选择，对时钟频率有微调的作用，典型值通常选择为30PF左右(这是对应的时钟频率为12MHZ)。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠的工作。 XTAL1 XTAL2图2-3-1-1 晶振电路2.3.1.2复位电路C51单片机通常采用上电自动复位和开关复位两种方式。上电复位如下：在通电瞬间，+5V加到RST端，然后，电源通过电阻R对电容C充电，RST端出现正脉冲用以复位。一般晶振频率为12MHz时，取C=10F，R=8.2k。手动复位电路如下：2.3.1.3电源电路 考虑到控制系统须安装在移

24、栽机上，并随移栽机在田间工作，因而不可能采用 220V 交流电变压为5V 直流电来供电。可采用的电源是为拖拉机所装备的12V 电瓶，但此电压不稳定，因此需要设计由 LM7805 降压型稳压芯片将12V 转变为稳定的5V 电压的电路，为系统提供电源，电路图如图2-3-1-3所示。图2-3-1-3 电压转换电路图本电源设计有12V 电压通过电解电容器 C6 作为滤波器，从而消除毛刺，使电平趋于平稳，输入到集成开关稳压器 LM7805 的输入端，LM7805 输出稳定电压为5V，能够驱动 3.0A 的负载。LM7805 的功耗非常低，只要很小尺寸的附加散热片。LM7805 在指定输入电压和输出负载条

25、件下保证输出电压的4%误差，以及振荡器频率的10%的误差。还包含了外部的关断电路，具有 80A 待机电流。输出开关包括电流限制以及在故障情况下提供完全保护的热关断功能。2.3.2 开关量输入模块自动取苗机构的整个工作过程包括：拔苗、放苗。按下启动按钮以后，取苗机构在机械臂的带动下在导轨上作往复运动，在相应工作位置完成拔苗、放苗过程中，拔苗或放苗时机构动作都一样，只是工作位置在不断发生变化，他们的工作位置由十二个行程开关来控制。这十二个行程开关对应着十二个工作位置如图2-3-2-1所示。 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 图2-3-2-1行程开关位置示意图在导轨上固定了

26、十二个行程开关(如图2-3-2-1所示)。它们分别与苗盘上的每列苗穴一一对应。也代表了移苗机构的十三个工作位置。一到十二与穴盘上的十二列苗穴对应，代表了移苗机构的十二个拔苗位置，十三代表了幼苗输送带放苗位置。根据工作的先后顺序，取苗机构工作位置顺序如下：位置1一位置13一位置2一位置13一位置3一位置13一位置4一位置13一位置5一位置13一位置6一位置13一位置7一位置13一位置8一位置13一位置9一位置13一位置l0一位置13一位置12一位置13，换苗盘继续取苗工作。2.3.3 气缸驱动模块2.3.3.1 机械臂气缸驱动机械臂可以实现移苗机构水平方向、垂直方向的运动，通过两个垂直安装的双轴

27、直动气缸的轴伸出和缩回来实现移苗机构的上下移动，用电磁阀实现两个竖直气缸垂直方向位移，电磁换向阀是气动控制元件中最主要的元件，它接收电信号使阀换向，达到改变气体流动方向的目的，进而实现气缸的伸缩。一般穴盘苗的移栽高度大约在50100 mm，为使移苗针能插入幼苗土坨的1/32/3，因此，拟确定机械臂气缸的行程为90mm，防止损伤苗块，取苗机构运动采用负载能力较小、 动作响应速度更快的气动系统。，该气动系统主要由气缸、电磁阀、会流板、截止阀接头、气泵等组成，其气路原理如图2-3-4-1。其中A为垂直气缸。1、截止阀2、气源调节装置3、汇流板4-5、单向阀6、电磁换向阀、7-8、消声器图2-3-4-

28、1 气路原理图。2.3.3.2移苗气缸驱动移苗机的移苗方案是通过安装在移苗装置上的6对移苗针同时对苗盘上一列6棵茁进行移栽。移苗针是直接和苗接触的部件。结合幼菜苗样本、基质的参数测量结果及移苗机构的设计情况，移苗针设计方案如图2-3-4-2所示。弯曲的角度为1200，安装在移苗装置上时，针的下半部与水平面成300角，在移苗装置上平均分布了6个这样的移苗针，它们的位置分别与一列苗穴对应。图2-3-4-2移苗气缸用来实现移苗针的位移。设计过程中综合考虑到移苗针的参数及其扎入基质的角度、机构参数和已经测量的苗、基质参数，选择气缸的行程为30mm。由于拖拉机电瓶电压为直流 + 12V，所以采用12V的

29、二位四通气压电磁阀来控制机械臂气缸和移苗气缸的伸缩运动，电磁阀控制电路如图2-3-4-2所示 机械臂气缸电磁阀移苗气缸电磁阀 图2-3-4-3 电磁阀控制电路图工作原理： 当单片机引脚为5V时，PNP三极管不满足导通条件处于截止状态，即PNP的基极与集电极不通，使得通过电磁的的回路断路，电磁阀线圈处于失电状态，气缸缩回；当单片机引脚为 0V时流过PNP基极电流为 0, PNP集电极电压为 12V,即继电器控制端为 12V,PNP导通,电磁阀线圈得电，气缸伸出。这种电路就完成了单片机控制气压电磁阀的过程。本系统由于驱动电磁阀工作, 电磁线圈在断电的瞬间，由于线圈自感作用，会产生很大的反向电动势，

30、在回路中产生大电流而损坏器件；并联二极管，在断电瞬间与线圈构成回路，对三极管以及回路起到保护作用。因此，只要编写程序控制单片机的P2.0，P2.1引脚输出的电平即可控制气缸的伸缩与气爪的开合。2.3.4 同步带电机驱动模块当电机转动时，驱动同步带转动，同步带带动移动臂在导轨上水平往复运动为了保证同步带的张紧，还设计了同步带张紧装置。进行电机选择时主要考虑送带的工作要求，传送带一般工作在低速运行状态，要求所选电机低速运行平稳起停迅速，定位准确。基于以上要求，本机选用步进电机作为传送带的驱动装置。2.3.4.1 步进电机的工作原理步进电机是将给定的电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给定

31、一个电脉冲信号，步进电机转子就转过相应的角度，这个角度就称作该步进电机的步距角。目前常用步进电机的步距角大多为1.8度（俗称一步）或0.9度（俗称半步）。以步距角为0.9度的进步电机来说，当我们给步进电机一个电脉冲信号，步进电机就转过0.9度；给两个脉冲信号，步进电机就转过1.8度。以此类推，连续给定脉冲信号，步进电机就可以连续运转。由于电脉冲信号与步进电机转角存在的这种线性关系，使得步进电机在速度控制、位置控制等方面得到了广泛的应用。（1）控制换相顺序步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，四相步进电机的四相八拍工作方式，其各相通电

32、的顺序为 A-B-C-D-A（正转）或D-C-B-A（反转），通电控制脉冲必须严格这一顺序分别控制A,B,C,D相的通电和断电。 （2）控制步进电机的转向如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；如果按反序通电换相，则步进电机就反转。 （3）控制步进电机的速度如果给定步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个控制脉冲，它就会再转一步。两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机进行调速。2.3.4.1 步进电机的驱动设计 方案论证与比较：对步进电机的控制和驱动是本设计的重点，设计中受控电机为四相六线制的步进

33、电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）方案一：使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。方案二：使用ULN2003A芯片驱动电机（1）ULN2003A简况LN2003A也是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。如图2-3-4-1所示图2-3-4-1（2）功能特点

34、：工作电压为5V高电压输出50V输出钳位二极管输入兼容各种类型的逻辑电路应用继电器驱动器 ULN2003芯片可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。驱动电路如图2-3-4-2图2-3-4-2 步进电机驱动电路连接图图2-3-4-1通过比较，使用ULN2003A芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用ULN2003A驱动电机。而使用ULN2003A时，可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用后者。由于本系统采用四相四拍的通电方式（A-B-C-D-A），即驱动

35、方式相序如下表1：comABCD十六进制数+10000x08h+01000x04h+00100x02h+00010x01h+00100x02h+01000x04h+10000x08h表1结合图2-3-4-2与表1可得出电机正转相序为0x08,0x04,0x02,0x01反转相序为0x01,0x02,0x04, 0x08。第三章 系统的软件设计3.1 软件设计概述利用Keil C51语言编写程序实现单片机信号输入与控制；利用proteus7.5sp3软件对单片机的控制进行仿真。本系统主要是取苗机构动作的顺序控制，将装满待移栽苗的苗盘放在传送带和疏苗盘传送带上面，按下移苗机启动按钮后，移苗机构上的

36、步进电机开始转动，在步进电机的带动下，同步带带着移苗机构沿着导轨运动，当运动到密苗盘某一列苗上方时，相应的槽形光电开关被触发，同步带步进电机停止转动，机械手臂伸出，之后，移苗气缸伸出，连接在移苗气缸端部的6对移苗针随着气缸伸出分别扎入6棵苗的基质中。机械手臂缩回，6棵苗随之一起抬起，完成拔苗作业。拔苗作业完成之后，同步带步进电机反向转动，移苗机构向疏苗盘方向移动，当运动到疏苗盘对应位置上方时，相应的槽形光电开关被触发，步进电机停止转动，机械手臂伸出，移苗气缸缩回，落苗，机械手臂缩回，完成一次放苗。3.2.1 编程软件的介绍 开发单片机的编程语言主要是汇编语言和C语言。采用汇编语言编程必须对单片

37、机的内部资源和外围电路非常熟悉，尤其是对指令系统的使用必须非常熟练，故对程序开发者的要求是比较高的。用汇编语言开发软件程序量通常比较大，采用汇编语言编程主要适用于功能比较简单的中小型应用系统。采用C语言编程时，只需对单片机的内部结构基本了解，对外围电路比较熟悉，而对指令系统则不必非常熟悉。用C语言开发软件相对比较轻松，因此C语言在单片机软件开发中的应用越来越广，使用者越来越多。当开发环境为基于操作系统编程时，编程语言通常采用C语言。本设计即采用C语言编程。编程的主要流程图包括取苗和放苗过程，如图4-2-1所示Keil C51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑、编译、仿真于一体，支

38、持汇编、PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。本设计使用C语言作为单片机编程语言。 取苗工作流程图放苗工作流程图图4-2-1 系统流程图3.2.2 使用Keil C51编写仿真程序启动Keil C51，几秒钟后出现编辑界面。 (1) 建立一个新工程单击Project菜单，在弹出的下拉菜单中选中New Project选项，出现Create New Project对话框。然后选择你要保存的路径、文件夹，输入工程文件的名字，单击“保存”按钮。这时会弹出一个 “Select Device for Target Target 1” 对话框，要求你选择单片机的型号，你可以根据你使用的单片机来选

39、择，Keil C51几乎支持所有的51核的单片机。这里选择Atmel 的89C51。选择89C51之后，右边一栏是对这个单片机的基本的说明，然后单击“确定”按钮。 (2) 编写程序单击“File”菜单，再在下拉菜单中单击“New”选项。此时光标在编辑窗口里闪烁，这时键入应用程序。单击菜单上的“File”，在下拉菜单中选中“Save As”选项单击，在“文件名”栏右侧的编辑框中，键入欲使用的文件名，同时，必须键入正确的扩展名，xitong.c，然后，单击“保存”按钮。回到编辑界面后，单击“Target 1”前面的“”号，然后在“Source Group 1”上单击右键，弹出菜单，然后单击“Add

40、 File to GroupSource Group 1”。选中xitong.c，然后单击“Add”按钮，再单击“Close”按钮。 (3) 编译程序单击“Project”菜单，在下拉菜单中单击“Options for TargetTarget 1”选项，出现对话框，选择Output选项卡，选中“Create HEX Files”项，单击“确定”按钮。再单击“Project”菜单，在下拉菜单中单击“Built Target”选项（或者使用快捷键F7），进行编译。若有错误会在output窗口提示，可根据此提示，找出错误并修改，直至编译通过，如图4-2-2所示。图4-2-2 编译通过的xitong

41、工程第四章 Proteus仿真4.1 Proteus单片机仿真概述Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。支持主流单片机系统的仿真。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款

42、集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。4.1.1 进入Proteus ISIS双击桌面上的ISIS 7 Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”“程序”“Proteus 7 Professional” “ISIS 7Professional”，出现如图4-1所示屏幕，表明进入Proteus ISIS集成环境。图4-1-1 进入界面4.1.2 工作界面Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图4-1-2所示。包括：标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器

43、窗口、图形编辑窗口。如图4-1-2 工作界面4.2 绘制系统电路图点击对象选择按钮，选择电路图中所用的元器件，右击分别放置在图形编辑窗口，摆放好位置，将元器件连线，形成系统图，双击该元件，设置其需要设置的属性，如某一电阻属性设置如下：绘制完整的系统电路图如图4-2-1所示 图4-2-1 系统电路仿真图4.3 KeilC与Proteus连接调试1、进入KeilC Vision2开发集成环境，创建一个新项目(Project)，并为该项目选定合适的单片机CPU器件（如：Atmel公司的AT89C51）。并为该项目加入KeilC源程序。 2、单击“Project菜单/Options for Targe

44、t”选项或者点击工具栏的“option for target”按钮，弹出窗口，点击“Debug”按钮，出现如图所示页面。在出现的对话框里在右栏上部的下拉菜单里选中“Proteus VSM Monitor一51 Driver”,点击“OK”按钮即可。最后将工程编译，进入调试状态，并运行。3、Proteus的设置进入Proteus的ISIS，鼠标左键点击菜单“Debug”， 选中“use romote debuger monitor”，如图所示。此后，便可实现KeilC与Proteus连接调试。 4、KeilC与Proteus连接仿真调试 单击仿真运行开始按钮，我们能清楚地观察到每一个引脚的电频变

45、化，红色代表高电频，蓝色代表低电频。第五章 系统干扰设计影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声，又称干扰。在实验室运行良好的控制系统，在工业现场使用时，可能由于强大的干扰等原因，使测量信号发生误差，导致系统不能正常运行，严重的会使有的信号完全被淹没，使单片机系统无法工作，造成不良后果乃至事故。对于该系统，取苗机构的控制系统承担者保正移栽机可靠工作的重要任务，对稳定性及可靠性的要求更高。因此，对系统采取抗干扰措施是必不可少的。本章从硬件电路设计和软件设计两个方面给出了提高系统抗干扰能力的方法。5.1 硬件抗干扰设计消除或抑制干扰的途径为：抑制干扰源、切断干扰入侵途径以及增强控制系统的电磁兼容性

46、、降低装置对干扰的敏感程度。主要的硬件抗干扰措施有： (1)接地处理：采用正确合理的接地方式是抑制干扰的有效方法。通常是把数字电子装置和模拟电子装置的工作基准地浮空，而设备外壳和箱体采用屏蔽接地。 (2)信号滤波、去耦和旁路。 (3)硬件电路合理设计。 (4)对供电电源采取一定措施。 本装置硬件设计中主要做了以下工作： (1)启用单片机内部集成的看门狗复位电路。看门狗电路需要程序周期性地复位，如果程序跑飞或者其它原因造成程序没有在规定的时间内复位看门狗电路，则可以认为程序在执行过程中出现问题，看门狗电路就会复位单片机，使系统从初始状态运行。保证移栽机执行机构不会因为外部干扰而处于不动作或误动作

47、状态。 (2)电磁阀线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。 (3)合理接地处理。电源地、驱动电源地采用浮地技术，相互不共地。 5.2 软件抗干扰设计系统干扰的最终表现形式为软件故障，使系统不能按照预期运行，或者控制失灵，误动作出现。因此，使用软件抗干扰技术来提高系统的可靠性就显得十分必要。 该设计中软件抗干扰所研究的主要内容有以下两个方面： (1)采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声的影响，如数字滤波。 (2)采用适当的程序设计技术，保证程序在复杂环境下能顺利执行，这些技术主要包

48、括软件冗余、软件陷阱、看门狗技术以及软件纠错技术。 第六章 总结与展望6.1 总结取苗机构能否稳定可靠的完成取苗工作，其控制系统起着决定性的作用。本设计以研究保证取苗机构精确、稳定工作的控制系统为目标，在查阅了大量数据资料的基础上对移栽机控制系统的软件、硬件系统做了详细的设计，做了大量工作。该控制系统的研究主要取得了以下成果： (1)查阅大量的文献、数据以及其它资料，吸收了国内外己有移栽机结构优点，使用了通过机械臂摆动和机械手开合来进行拔苗和放苗，较好地解决了移栽机作过程中自动取苗的问题。 (2)提出了以AT89C52 单片机为核心处理器的自动取苗机构控制系统解决方案。 (3)在前两项成果的基

49、础上，该设计中详细设计了控制系统的硬件电路，之后，以硬件电路结构为其设计了控制系统的程序。在进行系统软硬件设计时，充分考虑了系统的抗干扰性能，对提高系统的抗干扰能力做了诸多方面的工作。 该设计的创新点：创造性地将单片机技术引入到移栽机械的控制系统设计中。通过单片机对取苗机构的执行机构进行控制，可使移栽机在工作过程中提高移栽速度，降低劳动者的劳动强度，减少成本，从而提高经济效益。6.2 展望在课题研究过程中，由于研究时间和条件等因素的限制，对一些问题深入研究不够，还有许多需要改进之处，若要在今后的研究中深入下去，以进一步提高性能，作者有几点如下设想： (1)深入挖掘 AT89C52 单片机的性能

50、，充分利用单片机的片上资源，提高数据采集、处理速度，尽量缩短动作响应时间。 (2)在现有控制系统软件的基础上改进算法，移栽动作能更加准确的完成。 (3)对控制系统的软硬件系统做进一步的改进，以期提高其抗干扰性能。参考文献 1 邵琰, 钱东平.STC89C52RC单片机在幼苗移栽机控制系统中的应用J农机化 研究,2010(5):121-1242陈风， 陈永成，王维新. 旱地移栽机现状和发展趋势J.农机化研究， 2005( 5): 24- 26 .3李其昀. 机械化育苗移栽的现状与展望 J. 农机化研究，2006( 3): 26- 27 .4张丽华，邱立春，田素博.穴盘苗自动移栽机的研究进展J.

51、农业科技与装备，2009(5)5于红松，张铁中，杨 丽. 穴盘苗自动移栽机研究现状与发展前景.农业机械，2008(7):44-456肖名涛，孙松林，蒋 蘋，谢方平，惠东至. 烤烟烟苗物理特性与自动取苗方案分析. 湖南农机，2010(1):41-427徐丽明，张铁，史志清.玉米自动移栽机取苗机构的设计中国农业大学学报，2000，5 (4) : 58 60.8胡汉才.单片机原理及系统设计.北京:清华大学出版社,30039胡乾斌，李光斌，李玲，喻红.单片微型计算机原理与应用:华中科技大学出版社,200510杨海君，汤楚宙，欧阳中万. 自动移载机拔苗机构设计及其参数理论性研究. 常德师范学院学报(自然

52、科学版),2002(4):47-4911 张诗田素博，邱立春，等穴盘苗自动移栽机械手的结构设计与仿真J沈阳农业大学学报，2007，38(3)：437439 12 阎石主编. 数字电子技术M. 北京：高等教育出版社，2006 13 郁有文，常建，程继红编著. 传感器原理及工程应用M. 陕西：西安电子科技大学出版社，2008. 14 熊新民主编.微机自动原理与系统M. 北京: 电子工业出版社, 2003. 15蔡军，黎兰萍，王蓓. 基于单片机的机械手控制系统研究，科技信息，2009（30）.16耶晓东.微计算机信息.2009(25).17 强丽慧，浮板蔬菜生产自动移苗技术研究D：北京：中国农业大学

53、18 孙刚，张铁中，郑文刚，吴文彪. 生菜自动移苗机的研究J，中国农业工程学会2005年学术年会论文集：298-30119沈孝芹，张蔚波，于复生，陈楚文.基于单片机空手的气动机械手的研制J液压与气动，2008，(8)：141520 K.C.TING,G.A.GIACOMELLI.A robot for transplanting plugsJ.Greenhouse Grower,1988,6(12):58-6021 L.J.KUTZ.Robotic transplanting of bedding plantsJ.Transactions of the ASAE,1987,30(3):586-

54、59022 W C Choi，D C Kim，I H Ryu Development of a Robotic transplanter for bedding plants,2001,78（2）：141-146附录 #include#include#define uchar unsigned char#define unit unsigned intunsigned char code F4=0x08,0x04,0x02,0x01;unsigned char code Z4=0x01,0x02,0x04,0x08;sbit K1 = P10;sbit K2 = P12;sbit K3 = P

55、11;sbit K4 = P13;sbit a = P30;sbit b = P31;void delay ()long c; long j; for(j=0;j10000;j+); for(c=0;c10000;c+); void delay1 ()long c; long j; for(j=0;j2500;j+); for(c=0;c1;c+); void main(void)uchar i; uchar k; while (1) if (K1=0) for(k=0;k10;k+) for(i=0;i4;i+) P2=Fi; delay1(); if (K2=0) break; if (K

56、4=0) break; if (K2=0) a=0; delay(); b=0; delay(); a=1; delay(); for(k=0;k10;k+) for(i=0;i4;i+) P2=Zi; delay1(); if (K3=0) break; if (K4=0) break; if(K3=0) a=0; delay(); b=1; delay(); a=1; for(k=0;k10;k+) for(i=0;i4;i+) P2=Fi; delay1(); if (K2=0) break; if (K4=0) break; if (K4=0) a=1; b=1; 致 谢 首先要感谢的

57、是我的导师曹卫彬教授，导师严谨务实的治学风范，一丝不苟的学术钻研精神，真诚正直的为人态度，以身作则的领导风范无不让我终生难忘。毕业设计期间，我得到了曹老师的谆谆教诲和卓有成效的指导。导师在学术研究上给予我精心的指导，更重要的是教会了我做人的道理，也给予了我无微不至的关怀，使我能够顺利完成学业。师恩难酬，我将永远铭记您对我的谆谆教诲，不辜负您对我的培养，在今后的研究生学习中努力做出更大成绩。 在设计完成过程中，得到了刘荣、赵芳等同学的大力帮助，在此表示衷心的感谢！特别感谢实验室的师哥师姐们，他们在设计期间给予了不同形式的指导和帮助。 感谢我们350宿舍的舍友们，大家共同学习和生活的三年是快乐的，在学习中我们共同讨论进步，在生活上我们互相帮助支持，这些都给我留下了美好而深刻的回忆。还有机电工程学院所有帮助过我的老师和同学们，在此一并向他们表示感谢 。27