基于射頻識別技術的奶牛自動放料系統(tǒng)畢業(yè)論文

南京林業(yè)大學2009年畢業(yè)論文摘要RFID(RadioFrequencyIdentification，射頻識別)是一種非接觸式自動識別技術，在動物的飼養(yǎng)、運輸、屠宰及產品的加工和流通等環(huán)節(jié)可以實施全過程、全位的有序管理和監(jiān)控，因而得到了廣泛使用。本研究運用RFID射頻技術實現(xiàn)奶牛身份的自動識別，提出了一套較為完整的適用于規(guī)模化養(yǎng)牛場的奶牛自動、準確料量投放的飼喂控制系統(tǒng)（AutomaticCowFeedingControlSystem）。奶牛自動喂料系統(tǒng)主要是由奶牛識別模塊、PIC單片機控制模塊、電機驅動模塊和顯示與人工設定模塊等四個控制部分構成。奶牛識別模塊是基于MF1ICS50的高頻讀寫器，用于讀寫電子耳標信息，識別奶牛的身份?？刂颇K是通過pic16F873單片機輸出的脈沖數(shù)控制電機轉動從而達到準確投料的目的。本文主要從這幾個模塊著手，簡要介紹它們的主要特點和工作原理，全面闡述了該技術在今后的奶牛養(yǎng)殖中方便之處和發(fā)展趨勢。試驗結果表明：MF1ICS50射頻讀寫器靈敏度高，識別時間短，識別距離達到6cm,誤讀率低。軟、硬件系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的運行，具有較高的使用價值。關鍵詞：RFIDPIC單片機控制電機驅動ABSTRACTRFID(RadioFrequencyIdentification)isanuntouchedautomaticidentificationtechnique,whichwaswidelyusedbecauseitcanmanagemonitorefficientlyinthewholeprocessofbreeding,transportationandslaughteringofanimalsandthemanufactureandcirculation.RFIDtechniquewasselectedtoimplementofcowidentificationaccordingtothecomparisonofseveralautomatedidentificationtechniques.Anintactautomatedcowfeedingcontrolsystem(ACFCS)appliedinthescalecowwasproposedinthisstudy.AutomaticCowFeedingSystemiscomposedoffourparts，suchascowidentification-module,PICMCUcontrolmodule,themotor-drivingmoduleanddisplayandartificialsettingmodule.CowidentificationmoduleisbuiltbyMF1ICS50highfrequencyreaderwasusedtoreadtheinformationofeartagandidentifythecowID.PICMCUcontrolmodulecontrolmotorturningbyMCUpic16F873.Fromthefourmajorparts,thisarticleoutlinesthemainfeaturesandprinciplesofthework，expoundedthetrendofthedevelopmentandtheconvenienceofthefarmingandtechniquesinthefuture.ExperimentsresultindictedthatMF1ICS50washighsensitiveandradiooferrorwaslow.Theoperationofbothhardwareandsoftwarewerestable，ithasagreatappliedvalue.Keywords：RFIDPICMCU-controlmotor-driving

目錄摘要 1ABSTRACT 2目錄 31前言 41.1選題的背景及意義 41.2研究目標和研究內容 51.2.1研究目標 51.2.2研究內容 62RFID技術簡介 72.1RFID系統(tǒng)的組成 72.2RFID系統(tǒng)的原理 72.3RFID系統(tǒng)方案選型 82.4RFID特點 83ACFCS系統(tǒng)總體設計 103.1概述 103.2ACFCS工作流程 103.3ACFCS總體方案設計 103.4ACFCS基本功能 114ACFCS系統(tǒng)硬件電路設計 124.1元件選擇 124.1.1單片機的選擇 124.1.2串口EEPROM的選擇 144.2顯示與人工設定模塊設計 154.2.1HD7279A芯片選擇 154.2.2模塊的電路設計 174.3單片機控制模塊 184.4電機驅動模塊 194.4.1步進電機的選擇 195ACFCS系統(tǒng)軟件設計 225.1程序的主循環(huán)流程 225.2軟件開發(fā)環(huán)境 225.3RS232串行通信 225.3.1通信協(xié)議 225.3.2串行通信程序設計 225.4步進電機位置控制程序設計 225.5中斷程序設計 226總結與討論 227致謝 22參考文獻 22附錄控制系統(tǒng)的程序清單 221前言1.1選題的背景及意義近幾年來，我國奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，飼養(yǎng)規(guī)模不斷擴大，加工能力明顯增強，奶類產品持續(xù)增長，乳品消費穩(wěn)步提高，對豐富城鄉(xiāng)市場、優(yōu)化農業(yè)結構、增加農民收入做出了重要貢獻。為促進奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展,2007年9月30日，國務院發(fā)布《國務院關于促進奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》?！兑庖姟窂娬{，促進奶業(yè)持續(xù)健康，是優(yōu)化農業(yè)結構，建設現(xiàn)代農業(yè)的需要；是促進產業(yè)進步，增加農民收入的需要；是改善居民膳食結構，增強國民體質的需要。國內外實踐證明，奶牛養(yǎng)殖規(guī)?；?、集約化、標準化是發(fā)展現(xiàn)代奶牛養(yǎng)殖業(yè)的必由之路。規(guī)?；腔A，只有推行奶牛養(yǎng)殖規(guī)模化，才能廣泛運用先進技術，規(guī)?；膛鍪峭茝V先進技術的載體。集約化是核心，其本質就是提高科技含量，在規(guī)?；幕A上，集成各項先進實用技術，開展集約化經營。標準化是關鍵，通過標準化生產，把集成的科學技術落在實處。通過發(fā)展規(guī)?；膛鎏岣咭?guī)模養(yǎng)殖的比重。奶牛業(yè)是畜牧業(yè)的重要組成部分，是世界公認的節(jié)糧、經濟、高效型產業(yè)。促進奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，是當前及今后一個時期農業(yè)和農村經濟發(fā)展中一項緊迫的戰(zhàn)略任務。促進養(yǎng)殖方式由粗放向集約轉變，市場秩序由無序競爭向規(guī)范有序轉變，增長方式由數(shù)量向質量轉變，奶業(yè)由傳統(tǒng)向現(xiàn)代轉變。從2008年三聚氰胺事件中也看出規(guī)?；⒓s化、標準化養(yǎng)殖奶牛的重要性，由于眾多乳品加工企業(yè)為節(jié)約成本，忽視奶源建設的重要性，在產業(yè)鏈上游，拋開奶牛這項低投資回報率的重資產，把控制力和波動風險轉嫁給奶站，從而導致悲劇的發(fā)生。隨著事件的發(fā)展，乳品加工企業(yè)已經意識到上游奶源之于產品質量非比尋常的重要性，加快奶場的建設已經成為當務之急。而奶場的規(guī)模化必然是大勢所趨，也為本課題研究的份量增添了砝碼。國內傳統(tǒng)的奶牛養(yǎng)殖，對于飼料投放這一塊都是采用人工放料，即工人根據(jù)肉眼觀察牛棚里每頭奶牛上方的標牌，獲知奶牛的性別、年齡、牛的編號和飼料量等信息，然后手工將對應重量的飼料投放到食槽中，這樣的方法簡單易于實現(xiàn)。但是由于飼料的重量是靠人工把握的，不可避免會出現(xiàn)誤差，當料量偏少時奶牛吃不飽，會導致產奶量減少，當料量偏多時奶牛長膘過多，也會導致產奶量減少，使奶農遭受經濟損失。而且對整個牛場中所有奶牛投喂需要相當長的時間，采用人工放料的方式必然會使工人疲勞，體力消耗也很大，對于規(guī)模較大的牛場，這樣的喂養(yǎng)方法不利于高效迅捷的管理。歐美等國所采用的TMR混合性日糧（TotalMixedRation）技術，是一種能夠提供足夠的營養(yǎng)以滿足奶牛需要的飼養(yǎng)技術。它是根據(jù)奶牛在各個不同階段的營養(yǎng)需要，按營養(yǎng)專家設計的配方用特制攪拌機對粗料、精料等進行充分混合的一種先進的飼養(yǎng)工藝。但因其成本高，初期投入巨大，目前國內采用這種工藝的牛場較少，一般都是存欄量在數(shù)千頭以上的大型牛場。所以開發(fā)能夠代替人工并且符合中國奶農所要追求的高效率低成本的自動放料系統(tǒng)已經是刻不容緩。1.2研究目標和研究內容1.2.1研究目標無線射頻識別技術解決方案可確保任何供應鏈的高質量數(shù)據(jù)交流，該項目的實施可以實現(xiàn)兩個最重要的目標。第一，實現(xiàn)了整個喂養(yǎng)過程的高度自動化控制。第二，徹底實現(xiàn)奶牛個性化管理。建設目標具體如下：1、實現(xiàn)了整個生產過程的高度自動化控制自動供料:整個系統(tǒng)采用自動下料+自動識別的自動飼喂裝置，實現(xiàn)了完全的自動供料。個性化管理:準確控制每頭奶牛的飼料量，真正實現(xiàn)個性化管理。數(shù)據(jù)傳輸:所有數(shù)據(jù)都可以實時傳輸顯示在顯示器上。2、實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理的高度智能化系統(tǒng)可以自動完成奶牛的自動識別，并能實時顯示奶牛的飼料量，從而了解奶牛的成長情況。當發(fā)生如因奶牛生長需要修改數(shù)據(jù)或者因讀卡故障需要人工驅動放料電機等問題，還可以通過鍵盤進行輸入操作，真正實現(xiàn)了方便快捷高效。3、有利于奶場規(guī)模化、簡約化、標準化建設該系統(tǒng)將成為奶場建設中里程碑式的成就，在日益追求效率的現(xiàn)在，該系統(tǒng)的作用不可估量。當規(guī)?；B(yǎng)殖成為主流，自動喂養(yǎng)的方式必然是其中不可或缺的環(huán)節(jié)。1.2.2研究內容本文以射頻識別技術的實際應用為背景，以奶牛自動飼喂控制系統(tǒng)的設計為例，闡述了使用一種Philips公司生產的工作于13.56MHz的典型的射頻CLRC632IC卡進行系統(tǒng)開發(fā)的方法，所做的工作主要有以下幾方面:(1)系統(tǒng)的總體方案設計，研究奶牛自動識別的實現(xiàn)原理，確定系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程與工藝流程，完成硬件系統(tǒng)結構框圖，實現(xiàn)控制參數(shù)的檢測，完成硬件各部分元器件的選擇，選取軟件語言等。(2)采用公司MIFARE的MF1ICS50射頻芯片，設計了基于51單片機的13.56MHz的射頻讀寫器，對讀寫器作了重點研究。(3)設計了基于PIC單片機的控制電路，并采用Protel99繪制了電路原理圖。(4)根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，利用匯編語言進行了程序設計，并進行調試，真正實現(xiàn)所要求的結果。(5)對整個系統(tǒng)作了模擬試驗，驗證系統(tǒng)的可靠性。

2RFID技術簡介2.1RFID系統(tǒng)的組成最簡單的RFID系統(tǒng)由電子標識(Tag)、讀寫器(Reader)和天線(Antenna)三部分組成。電子標識由集成電路(IC)和連接天線組成，天線通常為一組線圈。存儲在集成電路里的數(shù)據(jù)可以通過天線來發(fā)送。電子標識芯片有的比米粒還小，有的則像磚塊一樣大。數(shù)據(jù)發(fā)送速度和范圍將根據(jù)使用的頻率、天線尺寸、功率輸出和干擾的不同而異。讀寫器是讀寫電子標識中數(shù)據(jù)的裝置，由RF模塊、控制電路、接口電路以及天線等組成。讀寫器的基本功能就是提供與標識進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。讀寫器還提供相當復雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正等功能。讀寫器通常采用RS232或USB數(shù)據(jù)接口同電腦進行通訊，以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳輸給計算機。一套完整的RFID系統(tǒng)還包括系統(tǒng)中間件的研發(fā)，中間件是連接讀寫器和企業(yè)應用程序的紐帶，是RFID應用系統(tǒng)的核心。中間將基于不同平臺、不同實際需求的應用環(huán)境連接起來，通過提供合適的整合接口進行數(shù)據(jù)通信。2.2RFID系統(tǒng)的原理RFID系統(tǒng)的工作原理:標簽進入磁場后，如果接收到讀寫器發(fā)出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息(即passivetag，無源標簽或被動標簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(即activetag，有源標簽或主動標簽)，讀寫器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼等信息，被讀寫器讀取并解碼后送至電腦主機進行有關處理。在實際應用中，可進一步通過Ethernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。應答器是RFID系統(tǒng)的信息載體，目前應答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。工作原理如下圖2-1所示:圖2-1RFID系統(tǒng)的工作原理2.3RFID系統(tǒng)方案選型不同的RFID系統(tǒng)決定了其應用場合的不同。因此在進行方案選型的時候，戶需要針對自身的使用環(huán)境，選擇最適當?shù)南到y(tǒng)方案，防止投資的浪費。對于RFI系統(tǒng)來講，標簽是消耗品。系統(tǒng)的其它投資是一次性的，而標簽的投資則是經常的，即使是可以回收利用的系統(tǒng)，也需要經常補充損壞或者遺失的標簽。目前RFI標簽的成本低頻一般在3塊錢以下，高頻一般在4元以下，而超高頻標簽一般在元以上。當然，這與標簽的制作材質、尺寸、性能有直接的關系。而對于有源系統(tǒng)來講，標簽成本更加昂貴，大多在100元以上。高頻射頻標簽是目前應用最為廣泛的一種形式的電子標簽，其應用頻率13.56MHZ，此種形式的標簽價格低、工作時間短，工作距離長，應用范圍廣，所以本研究選擇基于13.56MHz的無源RFID系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了公司MIFARE標準IC卡MF1ICS50作為牛耳標的射頻芯片，同時采用PhilipsCLRC632作讀卡芯片。S50卡總容量1K字節(jié)，分成16個區(qū)，每區(qū)分4段，每段有16個字節(jié)，工作距離可達100mm，工作頻率13.56MHz。從信息量上足以用作標記不同的奶牛，該卡除具有其他IC卡相同的功能之外，該卡是根據(jù)ISO14443標準，可以確保數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定性，從而保證整個系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。2.4RFID特點RFID作為一項有發(fā)展前途的信息技術，主要有以下特點：從數(shù)據(jù)的讀取方面來講，它無需接觸，不需要光源，且讀取信息速度較快，穿透能力較好，電子標簽可以重復使用，應用起來方便快捷。從數(shù)據(jù)容量來看，它的標簽中存儲器一般在1K以上，并且可以根據(jù)用戶的需求進行擴充，完全可以滿足客戶的要求。從數(shù)據(jù)的安全性來考慮，它的每個設備都具有唯一的序列號，在出廠前就已經固化，從而保證了設備的可靠性，并且各種數(shù)據(jù)加密和算法保護，使得保密性大大增強，保障了數(shù)據(jù)的安全可靠。從設備的使用壽命來看，它利用無線電進行通信，并且采用了封閉式包裝，可以防塵、防油污和粉塵甚至高放射性，具有較好的環(huán)境耐受性，適合工作在惡劣的環(huán)境條件下。由于具備這些優(yōu)點，RFID技術應用領域非常廣泛，涉及到我們工作和生活的各個方面。物流倉儲是RFID最有潛力的應用領域之一，UPS，DHL，等國際物流巨頭都在積極試驗RFID技術，使RFID技術能夠大幅提高其物流效率，降低物流成本。RFID技術應用的物流流程包括貨物追蹤，信息自動采集，倉儲管理應用，港口應用，郵政包裹，快遞等。沃爾瑪、麥德隆等大型超市已經開始在采購和倉儲環(huán)節(jié)中應用RFID技術，顯著降低了人力成本、降低商品庫存、加快商品流通。

RFID技術在軍事領域已經開始廣泛應用，美國在伊拉克戰(zhàn)爭中采用RFID技術對彈藥，槍支，物資，人員，卡車等物體進行識別與追蹤。RFID技術快速讀取與難以偽造的特性，被廣泛應用于身份識別證件。如世界各國正在開展的電子護照，我國的第二代身份證，學生證等證件。RFID技術還可以用于制造業(yè)的過程管理，RFID技術能夠實時監(jiān)控生產過程的各種生產數(shù)據(jù)，進行質量追蹤，實現(xiàn)自動化和個性化生產等，在貴重和精密物品生產管理過程中應用更為重要。RFID技術將涉及到我們工作生活的各個方面，對人類社會的發(fā)展具有重大的影響。

3ACFCS系統(tǒng)總體設計3.1概述

ACFCS即自動喂料控制系統(tǒng)由奶牛識別模塊、PIC單片機控制模塊、電機驅動模塊和顯示與人工設定模塊等四個控制部分構成。奶牛識別模塊就是采用射頻識別技術，將RFID電子標簽做成奶牛的耳標，使得奶牛具有獨立的編號。PIC單片機控制模塊的功能是實現(xiàn)自動喂料的重要環(huán)節(jié)，當讀到電子標簽的編碼，將信息采集通過串口傳送到PIC，PIC進行查表操作，讀出編碼對應的奶牛的性別、年齡、牛的編號等信息，并且得出預先設定好的投放料量，從而可以得到負責飼料投放的步進電機應該轉動的步數(shù)；顯示與人工設定模塊則是實時顯示牛的編號以及牛的飼料量。3.2ACFCS工作流程當工人推著投放車走到牛棚里的時候，奶牛識別模塊先開始工作，它會根據(jù)讀得的電子標簽的編碼，將信息采集并通過串口傳送到PIC單片機里，隨后單片機進行查表操作，讀出編碼所對應的奶牛的性別、年齡、牛的編號等信息，并且得出預先設定好的投放料量，從而可以得到負責飼料投放的步進電機應該轉動的步數(shù)，進而驅動電機進行飼料投放動作，與此同時該奶牛的飼料量以及牛的編號會通過LED顯示器顯示出來，如果碰到特殊情況如因奶牛生長需要修改數(shù)據(jù)或者因讀卡故障需要人工驅動放料電機等問題，還可以通過鍵盤進行輸入操作，真正實現(xiàn)了方便快捷高效。3.3ACFCS總體方案設計系統(tǒng)的總體設計思路是圍繞著如何實現(xiàn)低功耗、低成本、高精度展開的。總體設計應該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標，進行硬件初步選型，然后確定一個系統(tǒng)的草案，同時考慮軟硬件實現(xiàn)的可行性?？傮w方案經過反復推敲，確定了以PIC系列單片機為控制系統(tǒng)的核心，并選擇低功耗和低成本的EEPROM、射頻芯片等元件。系統(tǒng)的基本組成如圖3-1。圖3-1奶牛自動放料系統(tǒng)框圖3.4ACFCS基本功能ASFCS系統(tǒng)能夠自動測定出奶牛生長過程的各項精確數(shù)據(jù)、自動生成各種表、自動繪制生長性能曲線。為奶牛的選擇、育種提供指標參數(shù)，也可以依據(jù)飼料實際飼喂效果的精確數(shù)據(jù)，比較選擇最佳配方飼料。對于提高我國奶場管理水平，促進我國牛場產業(yè)化升級建設創(chuàng)造了必要條件。系統(tǒng)實現(xiàn)了以下各項功能:實現(xiàn)飼喂和測定過程的全自動控制。耳標識別系統(tǒng)對進食的奶牛進行自動識別。實現(xiàn)系統(tǒng)對控制設備的運行狀態(tài)、測定狀況、奶牛異常情況進行全面監(jiān)視。

4ACFCS系統(tǒng)硬件電路設計4.1元件選擇在硬件系統(tǒng)組成確定后，就需要考慮具體的元件選擇了。元件選擇同樣是以模塊化、低成本、低功耗等為原則的。（1）模塊化。元件模塊化有利于簡化電路，優(yōu)化結構，不至于使硬件系統(tǒng)顯得過于臃腫。也有利于電路設計簡明易懂，便于理解。（2）低功耗。降低功耗，便于電路順暢，高效率運行。（3）低成本。成本低，有利于降低整個產品的研發(fā)成本，便于爭奪市場成分。4.1.1單片機的選擇單片機的選擇是整個控制系統(tǒng)的關鍵因素。應選用功耗低、電磁兼容性好、可靠性高、保密程度高、內置硬件看門狗電路的微控制器。51系列單片機已比較熟悉，其特點是通用型強、堆棧豐富、編程容易等，使用十分方便。但51系列單片機指令系統(tǒng)中，2～3字節(jié)指令特別多。當程序指針PC跳飛至某條指令的中間時，會把操作數(shù)當成指令碼執(zhí)行而引起混亂。另外加密程度不高，內部無硬件看門狗電路，外部電路更加復雜。本系統(tǒng)選擇美國Microchip公司生產的PIC單片機作為主控芯片，哈佛總線結構、指令單字節(jié)化、尋址方式簡單、驅動能力強、RISC技術和運行速度快使得它在8位單片機領域里大放異彩。根據(jù)系統(tǒng)功能需求和成本的綜合考慮，采用PIC16F873這一款單片機作為CPU，它具有PIC系列單片機的幾乎全部優(yōu)點，并且28個引腳數(shù)使得它方便實用，經濟實惠。試驗證明PIC16F873完全能達到所要求的性能。它將PIC單片機硬件設計簡單，指令系統(tǒng)設計簡練，中斷性能發(fā)達，低電壓，低功耗在試驗中充分得到體現(xiàn)。PIC單片機具有以下優(yōu)越之處：(1)哈佛結構：在國內最常見的單片機中，PIC系列單片機是唯一的一種在芯片內部采用哈佛結構的機型。這里所說的“哈佛結構”就是，在芯片內部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，如圖4.1所示。這樣做的好處是，便于實現(xiàn)“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行取指令的操作。在一般的單片機中，指令總線和數(shù)據(jù)總線是共用的。圖4.1PIC單片機內部結構(2)“單字節(jié)化”：因為數(shù)據(jù)總線和指令總線是分離的，并且采用了不同的寬度，所以程序存貯器ROM和數(shù)據(jù)存貯器RAM的尋址空間（即地址編碼空間）是互相獨立的，而且兩種存貯器寬度也不同，這樣設計不僅可以確保數(shù)據(jù)的安全性，還能提高運行速度和實現(xiàn)全部指令的“單字節(jié)化”。在此所說的“字節(jié)”，特指PIC單片機的指令字節(jié)，而不是常說的8比特字節(jié)。(3)精簡指令集（RISC）技術：PIC系列單片機的指令系統(tǒng)（就是該單片機所能識別的全部指令的集合）只有35條指令。PIC系列單片機不僅全部指令均為單字節(jié)指令，而且絕大多數(shù)指令為單周期指令，以利于提高執(zhí)行速度。(4)尋址方式簡單：尋址方式就是尋找操作數(shù)的方法。PIC系列單片機只有4種尋址方式（即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址），容易掌握，而MCS-51單片機則為7種尋址方式。(5)代碼壓縮率高：1K字節(jié)的存貯器空間，對于像MCS-51這樣的單片機，大約只能存放600條指令，而PIC單片機則能夠存放1024條指令。(6)運行速度高：由于采用了哈佛總線結構，以及指令的讀取和執(zhí)行采用了流水作業(yè)方式，使得運行速度大大提高。(7)功耗低：PIC系列單片機的功率消耗極低，是目前世界上最低的單片機品種之一。(8)驅動能力強：I/O端口驅動負載的能力較強，每個I/O引腳吸入和輸出電流的最大值可分別達到25mA和20mA，能夠直接驅動發(fā)光二極管LED、光電耦合器或者微型繼電器等。本設計的使用的是PIC16F873，它集成了許多外設模塊，能最大程度的減少了外結電路，本設計使用到的外設模塊有：(1)定時器TMR0模塊：8位寬的可編程定時器，也可以作為計數(shù)器使用。(2)定時器TMR1模塊：16位寬的可編程定時器，也可作為計數(shù)器，并且可以與捕捉/比較/脈寬調制CCP模塊配合，實現(xiàn)脈寬調制輸出功能。(3)EEPROM數(shù)據(jù)存儲塊模塊：128字節(jié)的存儲器，既可以擦除，也可以電寫，存儲的內容掉電也不會丟失。4.1.2串口EEPROM的選擇在系統(tǒng)的外部設備中，要選擇一種性能優(yōu)越、符合實驗要求的EEPROM來用以存儲牛場中所有奶牛的信息，包括每頭牛的性別、年齡、料量和放料電機應轉動的脈沖數(shù)。通過比較我們選擇AT24C64串行EEPROM芯片，該芯片具有8K字節(jié)的存儲空間，且體積小、功耗低、電源電壓寬、遵循I2C總線協(xié)議的特點。（引腳圖及功能見圖4.2）圖4.2AT24C64引腳圖引腳描述：（1）設備地址線A2、A1、A0：作為設備地址輸入線；（2）WP線：寫保護輸入，當接地時，允許寫操作；接高電平的時候VCC，所有的寫操作被抑制；給引腳不接，內部把它拉成低電平GND；（3）SCL：SCL輸入是用于時鐘信號，同步數(shù)據(jù)的輸入和輸出EEPROM；（4）SDA：SDA是一位一位進行數(shù)據(jù)傳輸，形成一個數(shù)據(jù)串，而不是并行。該引腳為漏極驅動，可以以別的漏極開路的設備直接連接；AT24C64設備的運行條件：（1）時鐘和數(shù)據(jù)傳輸：SDA腳通常被拉高在接外部設備時；數(shù)據(jù)只有在SCL時鐘上的信號變成低電平時改變才是有效的；在SCL高電平，數(shù)據(jù)線變化形成開始和結束信號；（2）開始時序：SCL變成高電平，SDA產生一個高低變化的信號，這個就是開始信號，開始信號是對卡進行其他一切操作的必須條件；（3）停止時序：在SCL高電平時，SDA產生一個由低變到高的信號，這個形成結束命令信號；停止命令必須發(fā)生在EEPROM在標準電壓工作的條件下；（4）應答信號（ACKNOWLEDGE）：所有的地址和數(shù)據(jù)字被串行輸入輸出EEPROM（即每傳輸了8位數(shù)據(jù)），EEPROM在第九個時鐘周期就發(fā)一個‘0’信號，作為應答已經接受了每個字（即8為數(shù)據(jù)）；4.2顯示與人工設定模塊設計4.2.1HD7279A芯片選擇在顯示與人工設定模塊中既有對鍵盤的信息讀入，又有對數(shù)碼管的顯示控制。通過比較，我們選用鍵盤/顯示器專用芯片HD7279A，這是一款串行控制芯片，能同時驅動8位共陰極LED數(shù)碼管和64鍵的鍵盤(8*8鍵盤矩陣)，采用動態(tài)循環(huán)掃描。它最主要的特點就是與單片機之間采用串行接口方式，僅占用4根口線，簡單方便。HD7279A內部具有譯碼器，可直接接受BCD碼或16進制碼，并同時具有兩種譯碼方式。HD7279A引腳圖如下（圖4.3）

圖4.3HD7279A引腳圖表1HD7279A引腳說明HD7229A采用串行方式與單片機通訊，串行數(shù)據(jù)通過DATA引腳進入芯片，并由CLK端同步。當片選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DATA引腳上的數(shù)據(jù)在CLK的上升沿被寫入HD7279A的緩存寄存器內。4.2.2模塊的電路設計奶牛識別模塊獲取了奶牛的編號，PIC單片機控制模塊根據(jù)編號得出了相應的奶牛信息之后，就要進入到顯示模塊，將奶牛的編號和飼料量一一顯示。本系統(tǒng)采用的是兩個數(shù)碼管S05641C（四位七段），左邊一側的數(shù)碼管用于顯示牛號，從0001到9999，足以滿足大多數(shù)牛場的需要；右邊一側的數(shù)碼管用于顯示飼料量以及電機的輸入脈沖數(shù)，當在料量顯示狀態(tài)時以公斤計，從1Kg到99Kg，并且可以精確到小數(shù)點后兩位。鍵盤由17個鍵構成，包括0到9的數(shù)字鍵、小數(shù)點鍵、增加鍵、減少鍵、料量修改鍵、手動放料鍵、校準鍵和確認鍵。鍵盤的設置主要為了實現(xiàn)三種功能，第一種就是料量修改功能：當奶牛由于年齡的增長，之前設置的料量已經和現(xiàn)時所需要的料量不符合時，工人可以按下料量修改鍵，重新設置所需的量，完畢后按下確認鍵，在按鍵修改的同時數(shù)值會在右側的數(shù)碼管一一顯示；第二種就是手動放料功能：當由于各種故障，使得系統(tǒng)沒有能夠識別奶牛的信息，進而不能驅動電機進行下料時，工人可以按下手動放料鍵，然后輸入數(shù)據(jù)并按下確定鍵，就可以臨時性地驅動電機進行動作，放出相應的草料，同時料量也會通過右側的數(shù)碼管同步顯示；第三種就是校準功能，當奶牛的飼料品種更換時，電機轉動同樣步數(shù)所出的料量就有可能就會和上一批飼料的料量不同，出現(xiàn)偏高或者偏低的現(xiàn)象，所以工人在初次更換草料時就要對它進行校準，原本標準單位重量的草料對應相應脈沖數(shù)，如果新更換的草料通過電子秤稱重之后顯示少于標準單位重量，就要增加相應的脈沖數(shù)，反之則應該減少，到達標準重量即為校準完成，按下確定鍵就將標準單位重量的草料所對應的新的脈沖數(shù)存入到E2PROM中，并且在校準的同時會通過右側的數(shù)碼管將對應的脈沖值顯示出來，方便工人查看。電路設計圖4.4圖4.4顯示與人工設定模塊原理圖4.3單片機控制模塊本模塊的工作原理如下：如圖4.5所示，從奶牛識別模塊傳輸過來的232電平信號，經過MAX232A芯片再次轉換為TTL電平，并被PIC單片機接收。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，進入AT24C64進行查表操作，得出該牛的信息。在單片機中，由于單位重量的飼料與步進電機輸入脈沖數(shù)的關系已預先設置好，所以明確了該奶牛的飼料量，就可以查出相應的放料電機脈沖數(shù)，然后就可以對顯示與人工設定以及電機驅動這兩個模塊進行操作。該模塊是自動放料系統(tǒng)的核心，將各個模塊有機的串聯(lián)起來，起到了橋梁作用，并充分發(fā)揮了PIC單片機強大的控制與優(yōu)越的人性化性能。在該模塊中PIC的定時器模塊以及中斷系統(tǒng)得到了最大限度的發(fā)揮，利用定時器的計數(shù)功能來產生一定周期的脈沖從而準確控制步進電機轉動的圈數(shù)，達到自動放料和準確放料的雙重目的?？刂颇K對顯示與人工設定模塊以及電機驅動模塊的操作是利用PIC單片機接口的優(yōu)勢。PIC單片機I/0口多路復用，它對于單片機的外部特性具有選擇作用。通常當使用外部功能時，這個引腳不可以作為正常的I/O口使用。圖4.5PIC控制模塊原理圖OSC1/CLKIN、OSC2/CLKOUT晶振的輸入/輸出引腳，使用20M的晶振。 MCLR/VRR為人工復位輸入端（低電平有效）/編程電壓輸入端。A0口接E2PROM的SCL,SCL變成高電平可以對AT24C64進行操作。A1口接E2PROM的SDA，SDA變成高電平AT24C64進行數(shù)據(jù)傳輸。RB0～RB4接HD7279A的控制引腳。4.4電機驅動模塊4.4.1步進電機的選擇飼料投放機構需要用電機來帶動，在直流電機、交流伺服電機和步進電機這幾種常用電機中，我們選用步進電機。步進電機有如下優(yōu)點，它的角位移和輸入脈沖嚴格成正比，具有良好的跟隨性；它的動態(tài)響應快，易于起停；它的速度在相當大的范圍內可以實現(xiàn)平滑調節(jié)，較低速度下仍能獲得較大轉矩；它簡單易行，成本低。盡管它是開環(huán)控制系統(tǒng)，會存在失步和振蕩現(xiàn)象，但對于奶牛自動放料系統(tǒng)來講，這些都是在其誤差允許范圍內的。（1）選型原則驅動器電流：電流是判斷驅動器能力大小的依據(jù)，是選擇驅動器的重要指標之一，通常驅動器電流要略大于電機的標稱電流，通常驅動器電流有3.0A、4.0A,6.0A,8.0A等規(guī)格。驅動器的供電電壓：驅動器電壓是判斷驅動器升速能力的標志。驅動器的細分：細分是控制精度的標志，通過增大細分能改善精度。步進電機都有低頻振蕩的特點，細分驅動器能很好的改善這一缺點。細分比不細分，輸出轉矩對各種電機都有不同程度的提升。（2）選型指導要使系統(tǒng)協(xié)調運轉，選型是比較重要的一環(huán)。因此可以從電機著手。選擇步進電機大致分為以下幾種步驟：計算負載轉矩假設系統(tǒng)力學模型如圖所示：已知條件：所用絲桿為滾珠螺桿，直徑D=20mm,長度L=1m，負載P=50KG,Z1,Z2為傳動齒輪，Z1分度圓直徑為d1=210mm,Z2分度圓直徑為d2=70mm,寬度為2cm；u=0.2.由此可計算負載轉矩如下：T=9.8upd/2/1000=9.8×0.2×50×20/2/1000=0.98N.M計算傳動構件的轉動慣量滾珠螺桿傳動慣量：I0=1.57R4ρl=1.57×0.014×7800×1=0.012Kg.m2同理可以求得Z1和Z2的轉動慣量I1=0.024Kg.m2I2=0.0015Kg.m2計算傳動比I21=d1/d2=3計算電機啟動轉矩Tm=T/I21+(I0+I1)ψ/I21+I2×ψ=0.98/3+(0.012+0.024)×314/3+0.0015×314=0.33+3.376+0.471=4.571N.M考慮到其他因素，將其乘以一個系數(shù)，此系數(shù)請以實際情況酌情選擇。在此取K=1.5,則T=Tm×K=6.86N.M根據(jù)實際情況,我們選擇8?！っ椎牟竭M電機。根據(jù)步進電機的型號，我們選擇常州蘇泰電器有限公司的ST-29HB步進電機驅動器，它采用美國高性能專用微步距電腦控制芯片，實現(xiàn)高頻斬波，恒流驅動，具有很強的抗干擾性、高頻性能好、頻率高、控制信號與內部信號實現(xiàn)光電隔離，細分數(shù)可根據(jù)用戶需求專門設計。它應用了新型的雙極性恒流斬波技術，電機運行平穩(wěn)。從驅動方式上來看，采用了高壓、低壓兩個電壓進行驅動，在步進電機繞組開始上電的時候用高壓來供電，使得繞組中電流快速上升，然后切斷高壓改用低壓維持繞組中的電流，由于繞組的電阻很小，所以低壓足以為繞組提供較大電流，電機可以正常運行。模塊工作原理如下：從PIC單片機控制模塊傳來的電機輸入脈沖以及方向控制信號通過電機驅動器來驅動步進電機，由于電機步數(shù)與料量的對應關系，當電機轉動完成之后放料機構便會放出相應重量的飼料，從而實現(xiàn)了飼料的準確配給。原理圖見圖4.6。ACPA-BDIRB-RB0ACPA-BDIRB-RB0RB2 步進電機 步進電機驅動器 PIC單片機 圖4.6電機驅動原理圖

5ACFCS系統(tǒng)軟件設計上一章介紹了系統(tǒng)硬件的設計，本章將介紹各個功能模塊的軟件設計。軟件設計中一個重要的思想就是采用模塊化的設計，把整個編程逐步細分，分解成一個個功能模塊，每個模塊都能夠完成一個明確的任務，實現(xiàn)某個具體的功能，這樣編制的程序易于調試修改，可讀性好。這種思路對于可以重復使用的子程序顯得尤為優(yōu)越，因為不僅程序結構清晰，而且節(jié)約程序空間。5.1程序的主循環(huán)流程本系統(tǒng)的軟件設計思想，是以PIC單片機為核心，對其他外設進行全面有效地控制操作。主要實現(xiàn)的功能就是對放料電機的控制，LED數(shù)碼管的顯示，對料量等參數(shù)的修改，對電機控制脈沖數(shù)的校準以及對出現(xiàn)讀卡失敗等情況時實現(xiàn)手動供給的保障。主程序，實現(xiàn)的功能就是自動放料，這是整個系統(tǒng)軟件設計的核心，是系統(tǒng)最主要也是最基本的功能。流程圖見5.1。開始開始初始化初始化讀入奶牛RFID編碼？N讀入奶牛RFID編碼？Y查表得出料量的脈沖數(shù)查表得出料量的脈沖數(shù)將脈沖數(shù)送電機驅動器將脈沖數(shù)送電機驅動器驅動步進電機驅動步進電機判斷脈沖數(shù)是否為零判斷脈沖數(shù)是否為零Y圖5.1主程序流程圖5.2軟件開發(fā)環(huán)境軟件設計的一個很重要環(huán)節(jié)是確定開發(fā)工具和編程語言。在進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)時，本課題使用PICMATE2002軟件來編寫、調試、編譯程序。PICMATE2002是一套用來開發(fā)PIC16F87X系列及大部分中級PIC單片機的低價開發(fā)工具。為了方便軟件的通用性，本設計使用匯編語言。PIC指令系統(tǒng)設計簡練，絕大部分是單字節(jié)指令，是最容易學、最容易運用的單片機品種之一。5.3RS232串行通信5.3.1通信協(xié)議射頻卡（RFID）開發(fā)板采用RS232串口與PIC單片機進行通信，為了能正常的進行通信，必須建立起一種互相遵循的通信協(xié)議。UART協(xié)議的所有命令的發(fā)送和接受均采用數(shù)據(jù)包的方式。數(shù)據(jù)包的格式如下：發(fā)送格式（單片機→RFID）包頭長度字節(jié)命令字節(jié)數(shù)據(jù)內容校驗字節(jié)包尾格式說明0X02包長度命令號n字節(jié)的內容包校驗0X03字節(jié)數(shù)111n11表5.1異步半雙工，1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位。波特率：19200。從包頭到包尾之間數(shù)據(jù)，不包括包頭和包尾，若出現(xiàn)0X02,0X03.0X01,在之前補0X10,且長度直接不包括填補值0X1O。包頭：固定為0X02。長度字節(jié)：從長度字節(jié)本身到校驗字節(jié)（包括校驗字節(jié)）的字節(jié)數(shù)量。即不包括包頭到包尾的字節(jié)數(shù)。命令號：一個字節(jié)的命令名，具體參見通訊命令表。數(shù)據(jù)內容：通訊過程中，命令所帶的參數(shù)或內容。校驗字節(jié)：從長度字節(jié)到數(shù)據(jù)最后一個字節(jié)異或值，但是不包括額外增加的0X10。包尾：固定為0X03。應答格式（RFID→單片機）包頭長度字節(jié)狀態(tài)字節(jié)數(shù)據(jù)內容校驗字節(jié)包尾格式說明0X02包長度0X00:成功0XFF:失敗n字節(jié)的內容包校驗0X03字節(jié)數(shù)111 n11表5.2異步半雙工，1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位停止位。波特率：19200。從包頭到包尾之間數(shù)據(jù)，不包括包頭和包尾，若出現(xiàn)0X02,0X03.0X01,在之前補0X10,且長度直接不包括填補值0X1O。包頭：固定為0X02。長度字節(jié)：從長度字節(jié)本身到校驗字節(jié)（包括校驗字節(jié)）的字節(jié)數(shù)量。即不包括包頭到包尾的字節(jié)數(shù)。命令號：一個字節(jié)的命令名，具體參見通訊命令表。狀態(tài)字節(jié)：表示命令執(zhí)行的狀態(tài)。0X00為命令執(zhí)行成功，0XFF為命令執(zhí)行失敗。數(shù)據(jù)內容：通訊過程中，命令所帶的參數(shù)或內容。校驗字節(jié)：從長度字節(jié)到數(shù)據(jù)最后一個字節(jié)異或值，但是不包括額外增加的0X10。包尾：固定為0X03。5.3.2串行通信程序設計使用查詢方式完成簡易的RS232通信程序，程序流程圖如圖5.2所示。首先執(zhí)行UART_INIT完成UART的初始化工作，然后以無窮循環(huán)的方式執(zhí)行子程序GET_DATA檢查是否接受到數(shù)據(jù)，以及子程序SEND_DATA將接受到的數(shù)據(jù)傳送回去。MAINLINEMAINLINE調用SEND_DATA子程序調用GET_DATA子程序調用UART_INIT子程序調用SEND_DATA子程序調用GET_DATA子程序調用UART_INIT子程序圖5.2RS232通信程序流程圖5.4步進電機位置控制程序設計在本系統(tǒng)中將以軟件方式產生步進電機速度及位置控制的脈沖命令，硬件設計如圖4.6所示。RB0引腳作為脈沖命令輸出口，RB2引腳作為運動方向命令輸出端。該設計將分為2個步驟來進行。步驟一使用PIC單片機Timer1產生一定周期的定時中斷用來作為步進電機脈沖命令的時鐘，并由B口的RB2引腳輸出脈沖。此步驟的主程序及中斷程序的程序流程圖如圖5.3所示。步驟二完成子程序，使得上步驟的RB2引腳可以輸出步進電機脈沖命令。原理如下：令變量v代表速度，平均送出的脈沖數(shù)；變量ACC為8位的累加器，在每一個1ms的LOOPTIME累加速度v，ACC=ACC+v若進位C=1,則輸出RC=1;反之輸出RC=0.步驟三完成以梯形速度曲線運動的步進電機控制程序。主程序及中斷程序的程序流程圖如圖5.4.INSERVICEEMAINLINEINSERVICEEMAINLINEFLAG=1調用INITIAL子程序 FLAG=1調用INITIAL子程序 PC2=1PC2=1PC=0 PC=0FLAG=0NFLAG=0FLAG=1-FLAGY FLAG=1-FLAG 中斷返回FLAG=11中斷返回FLAG=11 Y N 圖5.3步驟1的主程序及中斷程序的程序流程圖MAINLINEDDA_MAINMAINLINEDDA_MAIN調用INITIAL子程序N=0調用INITIAL子程序N=0調用程序是調用程序調用DDA_MAIN子程序調用DDA_MAIN子程序ACC=ACC+vACC=ACC+vOUTPUTCFLAG=0FLAG=0YN=N+1N=N+1FLAG=1返回FLAG=1返回Y5.5中斷程序設計中斷服務子程序主要是鍵盤中斷程序，包括料量修改中斷、手動放料中斷和脈沖校準中斷，圖5.6為鍵盤中斷程序流程圖。鍵盤中斷鍵盤中斷脈沖校準鍵按下？手動放料鍵按下？料量修改鍵按下？脈沖校準鍵按下？手動放料鍵按下？料量修改鍵按下？NNONY是Y修改放料量進行校準輸入放料值修改放料量進行校準輸入放料值存入校準脈沖值查表得脈沖數(shù)存入寄存器存入校準脈沖值查表得脈沖數(shù)存入寄存器將脈沖數(shù)送電機驅動器將脈沖數(shù)送電機驅動器驅動步進電機驅動步進電機延時延時中斷返回中斷返回圖5.6鍵盤中斷程序圖

6總結與討論本文完成了基于RFID技術的奶牛自動喂料系統(tǒng)的詳細設計與實現(xiàn)步驟，在本課題進行過程中，主要完成了以下方面的工作：RS232串行通信協(xié)議的制定。步進電動機驅動器與PIC16F873單片機的接口。奶牛信息和對應的料量在EEPROM中的存儲格式。LED顯示驅動和編程。給料量和步進電機旋轉角度的計算?；谏漕l識別技術的奶牛自動放料系統(tǒng)，使得喂料系統(tǒng)自動化程度有了很大提升，特別適用于大中型的奶牛場，這對于我國的牛奶產業(yè)的發(fā)展至關重要。奶業(yè)要發(fā)展，離不開高新技術對它的幫助，本系統(tǒng)在未來的奶牛場管理系統(tǒng)中，必將發(fā)揮越來越重要的作用。隨著本系統(tǒng)的推廣，未來的奶牛喂料將節(jié)約大量時間和成本，大大提高了喂養(yǎng)效率。不難相信，在不久的將來奶場將呈規(guī)?；?、集約化、標準化發(fā)展，而本系統(tǒng)就是核心環(huán)節(jié)。本文提出的奶牛自動飼喂控制系統(tǒng)硬件電路簡單、控制靈活、可擴展性強，但在實際應用中也存在需要改進的地方。我們可以看到本系統(tǒng)仍然沒有使奶牛喂養(yǎng)過程完全自動化，這方面還需要進一步設計和規(guī)劃；射頻卡片的有效距離太短，會出現(xiàn)通信不順暢的問題,還可能出現(xiàn)重復讀數(shù)的問題?？赡苓€會有更多具體問題有待于在實踐中發(fā)現(xiàn)和解決。7致謝畢業(yè)設計接近尾聲，意味著大學四年的生活即將結束。在某種意義來講，我們才踏上征程，新的生活將要開始。在畢業(yè)設計的這一學期，我感覺是大學中最充實，收獲最多的學期。不論是自學能力，還是專業(yè)知識，都有大幅度的提高。我覺得最重要的還是意識上的覺醒，對于專業(yè)知識的掌握還需要更廣泛、更具體、更準確。在畢業(yè)設計過程，首先要感謝的是我的指導老師陸榮鑑老師，他給我莫大的幫助。陸老師給我最大的印象就是治學嚴謹，精通專業(yè)知識。在陸老師悉心的指導下，我對PIC單片機有了更深層次的認識，在此，謹向陸老師致以誠摯的感謝！同時，還要感謝實驗室的同學們，是你們跟我一起度過一段美好的時光。你們善于鉆研、百折不饒的精神一次次的打動了我，對我順利完成畢業(yè)設計起到了促進作用。最后，對所有關心、指導、支持、鼓勵和幫助我的人表示深深的感謝和敬意！編者

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