排肥器試驗臺智能控制系統(tǒng)研究與研發(fā)設(shè)計

1、隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展， 精量施肥作為精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要組成部分， 其對施肥裝置性能的要 求也越來越高。 排肥器性能試驗是農(nóng)機測試的重要組成部分， 也是研制和開發(fā)新型精量排肥 器不可缺少的重要環(huán)節(jié)。 但是， 排肥器大多是做為播種機的一部分來進(jìn)行研究，沒有專門用來檢測排肥器性能的試驗臺。為此， 本論文擬開發(fā)一種操作簡單、 性能可靠、運行速度快的 排肥器試驗臺智能控制系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)是人類賴以生存的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。加快農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量是各 個國家努力的方向。 施肥對于糧食增產(chǎn)、 農(nóng)業(yè)增收以及保持土壤肥力等方面起到了積極作用， 人們已經(jīng)認(rèn)識到保持土壤肥力對作物產(chǎn)量的重要性。但是， 大量化學(xué)肥料以各種

2、形式投入到土壤中，也造成了環(huán)境壓力。施用化肥，尤其是精量深施化肥，則是提高單產(chǎn)、節(jié)約用肥的 關(guān)鍵措施之一。 國外對此己有較多的研究，如美國玉米種植帶的統(tǒng)計。 目前，中國已經(jīng)成為 世界上最大的化肥生產(chǎn)國。近 30 年來，中國化肥消費總量和單位面積用量都已經(jīng)達(dá)到世界 前列。 中國小麥、玉米和水稻施肥量與其他國家相比還是比較高， 但產(chǎn)量相對較低?；实?施用自然應(yīng)使其能有效地被農(nóng)作物吸收， 否則不僅會造成不可低估的直接損失和間接失， 而 且達(dá)不到預(yù)期的增產(chǎn)效果。 施肥機械性能也關(guān)系到配方施肥技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展， 恰當(dāng)?shù)氖┓蕶C 械可讓配方施肥技術(shù)發(fā)揮出更加有效的作用。在我國，化肥施用以糧食作物為主，在50

3、%左右。與推薦施肥量相比，部分作物氮肥、磷肥施用過量，但鉀肥用量仍需增加。因此，應(yīng)把 發(fā)展節(jié)能增效的施肥機械作為農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的重要課題。 化肥深施的意義有四： 第一， 化 肥深施會減少化肥分子揮發(fā)。 如銨態(tài)氮肥、 尿素等化肥較淺地施入土壤后， 銨態(tài)氮在土壤表 層中， 易被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮， 土壤膠體不能吸。銨態(tài)氮肥深施后，由于土壤下層硝化 細(xì)菌極少， 不易被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為易流失揮發(fā)的硝態(tài)氮而存在土壤之中來被作物所吸收。 第 二，可以減少肥分子的流失。比如， 硝態(tài)氮化肥施入土壤較淺，其中硝酸根離子不能被土壤 膠體所吸附，分散在土壤顆粒之間。 有些土壤本身對化肥的吸附、 保蓄能力本身就很差，

4、要 是遇暴雨或灌溉， 化肥的有效分子便會隨水或隨土壤表層泥一起流失， 會使化肥效果明顯降 低，從而作物的的產(chǎn)量就要下降。而化肥深施后， 由于土壤下層水移緩慢， 隨水流失就會大 大減少，這樣才能有效地被作物所吸收。 第三，深施化肥可減輕作物后期早衰。例如晚茬水 稻和低肥田所種作物， 其生育后期常因養(yǎng)料缺乏而早衰。 化肥深施后， 有利于供應(yīng)作物生育 中、后期的養(yǎng)料，延長作物功能葉片的生命活力和葉綠素含量，增強光合作用能力，有利于 奪取高產(chǎn)。第四，化肥的深施能增強作物抗逆性。作物根系都有趨肥性，要是化肥的淺施， 會使作物根系大多集中在土壤表層， 要是有大風(fēng)暴雨， 則有可能作物要倒伏。 并且也不具有

5、抗旱的作用?；实纳钍┖?，能夠吸引作物根向土壤下層深扎，從而大大增強作物抗倒伏、 抗旱能力。 化肥深施， 是提高肥料利用率的重要措施， 并且是我國節(jié)本增效的重點工程之一。 但是深施化肥要借助性能優(yōu)良的施肥機械才能得以實現(xiàn)， 而施肥機械又是我國農(nóng)業(yè)機械發(fā)展 中的一個薄弱環(huán)節(jié)。 根據(jù)多年的實踐證明：機械深施碳酸氫銨、尿素、 氮的利用率比人工表 面撒施分別由 27和 37提高到 58和 50%，深施比表施其利用率相對提高 11.5 和 35%。 然而，由于目前我國施肥機械技術(shù)的不成熟， 造成化肥施用上的極大浪費。 據(jù)有關(guān)資料介紹： 目前我國氮肥當(dāng)季利用率僅為 30%-35%，磷肥利用率僅為 15%-

6、20%，鉀肥利用率也不超過 65%。 化肥流失加劇了湖泊和海洋等水體的富營養(yǎng)化， 造成地下水和蔬菜中硝態(tài)氮含量超標(biāo)， 影響 土壤自凈能力。 農(nóng)業(yè)面臨污染對人類健康的影響不容忽視， 據(jù)調(diào)查， 累積于飲用水源特別是 井水中的化肥氮磷和農(nóng)藥對至少 13 個省份、數(shù)以百萬計居民的健康構(gòu)成威脅。因此，研制 性能良好、 適用性強的施肥機械是我國農(nóng)機工作者當(dāng)務(wù)之急應(yīng)解決的問題之一。 農(nóng)業(yè)機械作 為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的組成部分， 其產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率， 關(guān)系到 農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)民增收， 也關(guān)系到農(nóng)機使用者的健康和安全。 排肥器作為施肥機械的主要部件， 其性能指標(biāo)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)直接影響著施肥機械產(chǎn)

7、品改進(jìn)、 完善和性能質(zhì)量的提高， 施肥機械 制造企業(yè)科學(xué)、 合理的技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)營決策， 廣大農(nóng)民用戶的生產(chǎn)投入是否有針對性， 施肥 機械化技術(shù)的健康發(fā)展。 本課題擬研究開發(fā)一種適應(yīng)性強、 檢測性能好、 檢測結(jié)果直觀且清 晰的通用的排肥器試驗臺。幾十年來， 我國排肥器的研究工作經(jīng)歷了一個蓬勃發(fā)展的時期。 先后研究出不少新型的 排肥器，如定孔式、螺旋式、離心式、氣流式、紋盤式、窩眼輪式、型齒式、彈性刮片式等 排肥器。這些排肥器從國外引進(jìn) , 或是我國自行研制，對促進(jìn)我國施肥機械技術(shù)的發(fā)展起了 一定的積極作用。但真正實現(xiàn)適應(yīng)范圍廣、使用可靠、排肥性能好的排肥器卻很少。現(xiàn)有的 化肥排肥器種類很多，常用

8、的有外槽輪式、轉(zhuǎn)盤式、離心式、螺旋式、星輪式和振動式等幾 種。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。美國在 1830 年就公布了施肥機械的第一個專利一撒石灰機。到上世紀(jì) 30 年代，他們 的施肥機械生產(chǎn)已初具規(guī)模， 70 年代己擁有相當(dāng)數(shù)量的用于有機肥料與化肥的貯運、裝卸 及田間作業(yè)的各種類型的機具，從而實現(xiàn)了施肥過程的全面機械化。直到20世紀(jì) 50 年代，我國的施肥機械技術(shù)研究工作才開始起步， 比國外發(fā)達(dá)國家晚了 100 多年。 為加快我國排肥 機械的發(fā)展速度， 縮小與發(fā)達(dá)國家的差距， 我國早期排肥器主要從國外引進(jìn)。 這些引進(jìn)的排 肥器也確實給我國施肥機械技術(shù)的發(fā)展注入了活力。 而國外用于條施作業(yè)的排肥器

9、基本上都 只適用于小顆?；?。 故而， 我國施肥機具仍面臨適應(yīng)粉狀與小顆粒狀、 干燥與潮濕兩類物 理機械性狀截然不同的化肥排施問題。 因此， 研究出適合我國化肥特性和農(nóng)藝技術(shù)要求的通 用性強、結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠的排肥器是我們農(nóng)機研究工作者刻不容緩的任務(wù)。 聞創(chuàng)溝 燴鐺險愛氌譴凈。由于精密農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展方向為大型化，排肥器常常作為播種機的一部分來進(jìn)行整體 的研究， 單獨對排肥器檢測的研究并不多。 對排肥器性能檢測的技術(shù)主要借助于排種器的檢 測技術(shù)。 精密播種技術(shù)已成為現(xiàn)代播種技術(shù)的主要發(fā)展方向， 而實施精密播種技術(shù)的精密排 種器性能優(yōu)劣直接影響精密播種的質(zhì)量。 快速、準(zhǔn)確地檢測精密種器的性能

10、已成為研究和評 價精密播種機質(zhì)量的核心。 國內(nèi)外研究人員都非常關(guān)注精密排種器測試手段的研究， 目前已 研究出多種檢測設(shè)備和檢測方法。國內(nèi)采用的方法主要有：直接觀測法、帆布帶法。近些年 來，播種均勻度測定方法主要有壓電效應(yīng)法、 光電效應(yīng)法和高速攝影法、 基于微機的檢測法、 基于圖像處理的檢測法和基于虛擬儀器的檢測系統(tǒng)等。 殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。 精密排種器檢測裝置發(fā)展趨勢隨著計算機視覺系統(tǒng)的高靈敏度、低噪音及快速排種器性能檢測系統(tǒng)的發(fā)展，對于實現(xiàn) 高精度檢測排種器性能的各項指標(biāo)具有重要意義。提高精度是精密排種器發(fā)展的重要的一 環(huán)，檢測系統(tǒng)各項指標(biāo)將直接影響采集種子圖像的質(zhì)量， 且制約著圖像中種子

11、特征參數(shù)提取 的準(zhǔn)確性、 種子空間位置的恢復(fù)精度及系統(tǒng)的運行速度。 所以，為準(zhǔn)確、 快速地檢測排種器 性能，全面地設(shè)計和優(yōu)化檢測系統(tǒng)是提高精密排種器檢測裝置精度的有效途徑。 釅錒極額閉鎮(zhèn) 檜豬訣錐。精密排種器的檢測手段從人工檢測到計算機視覺系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)的應(yīng)用，檢測性能有了很大的提高， 為了能更精確、 高效地檢測精密排種器的性能， 達(dá)到能檢測精密排種器的各項 指標(biāo)，還需進(jìn)一步研究種子一系列隨機因素。今后，播種機應(yīng)向著適應(yīng)性強、多功能、高效 率的高速精密播種器方向發(fā)展， 高速精密播種機的性能檢測將依靠更先進(jìn)、 更可靠的高精度 檢測設(shè)備來完成。 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。精量施肥是現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)的重

12、要組成部分，排肥器性能的優(yōu)劣是實施精量施肥的重要前 提之一， 因此研制開發(fā)排肥器智能檢測試驗臺是實施精細(xì)農(nóng)業(yè)的前提條件。 本論文以現(xiàn)代精 細(xì)農(nóng)業(yè)思想為指導(dǎo)， 針對排肥器性能檢測這一主題， 并結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外已有的測試裝置的優(yōu) 缺點，系統(tǒng)地對排肥器智能測試試驗臺的軟硬件進(jìn)行設(shè)計和試驗研究。研究設(shè)計內(nèi)容如下： 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。1）設(shè)計開發(fā)測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，包括傳感器的設(shè)計、傳感器數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計、單片 機的設(shè)計、步進(jìn)電機驅(qū)動器的設(shè)計等。 廈礴懇蹣駢時盡繼價騷。2）因為機具在田間作業(yè)時受地形和地勢的影響，其行駛速度在大多數(shù)情況下是無規(guī)律的突變的變速運動， 所以施肥機械的實際效果和實驗數(shù)據(jù)往往有

13、較大差異。 本文把檢測時間分 成若干個時間段，通過對各時間段內(nèi)速度的設(shè)定來模擬機具在田間作業(yè)時的實際情況。 煢楨 廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。3）運用數(shù)值分析方法，對采集到的數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。并由此數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)所得到的 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到排肥器的性能指標(biāo)。 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。4）設(shè)計可視化的人機交互式的上位機程序，方便用戶輸入各項參數(shù)數(shù)據(jù)，并能夠處理下 位機所傳遞上來的數(shù)據(jù)信息。 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。5）設(shè)計下位機的軟件，使之能夠執(zhí)行上位機傳來的各項指令、驅(qū)動傳感器和步進(jìn)電機工 作，最后把所得到的數(shù)據(jù)傳給上位機。 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)是一個小型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)， 是

14、由數(shù)據(jù)采集 （稱重傳感器） 、下位機 （單片機） 和執(zhí)行機構(gòu) （步進(jìn)電機、 排肥軸、 排肥器） 上位機 （計算機） 等組成的控制系統(tǒng)。 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。其中數(shù)據(jù)采集由相應(yīng)的 AT89S52單片機實驗系統(tǒng)、稱重傳感器、信號放大器、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換所組成。 下位機既可以完成各種信息的采集、 預(yù)處理及存儲任務(wù)， 又可接收從上位機送 來的控制參數(shù)設(shè)置。 執(zhí)行機構(gòu)通過單片機產(chǎn)生的脈沖驅(qū)動步機電機， 主要檢測系統(tǒng)的動力裝 置。上位機選用Intel賽揚2.0系統(tǒng)機，配置1G內(nèi)存，80GB硬盤，有較強的數(shù)據(jù)存儲、處 理能力。 上位機根據(jù)用戶的檢測情況來完成各項參數(shù)的設(shè)定， 并通過串行通信將參數(shù)傳遞給 下位

15、機，同時也對上位機傳遞上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。上位機完成各項參數(shù)的設(shè)定后就向單片機發(fā)出啟動信號，同時準(zhǔn)備接收下位機即單片機 發(fā)送來的信號和數(shù)據(jù)。 被啟動的下位機， 一方面按上位機的指令要求啟動步進(jìn)電機， 另一方 面同時啟動稱重傳感器， 并將采集到的信號經(jīng)放大器放大，送入A/D轉(zhuǎn)換電路換成相應(yīng)的數(shù)字量后送入單片機， 然后通過串行通信把采集到的數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送。 上述測試和數(shù)據(jù)采集 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。 過程結(jié)束后，計算機便把接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計算處理、顯示、打印。電子天平的核心部件是稱重傳感器，電阻應(yīng)變式傳感器特點：精度高，測量范圍廣；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；結(jié)構(gòu)

16、簡單，體積小，重量輕；頻率響應(yīng)較好，既可用于 靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。由于電阻應(yīng)變 式傳感器具有一系列優(yōu)點，已被應(yīng)用到了幾乎所有稱重領(lǐng)域和各種測力領(lǐng)域。贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。電阻應(yīng)變式傳感器由感壓裝置、電阻應(yīng)變片和惠斯登測量電路三部分組成，其工作原 理是：被測負(fù)載作用在彈性感壓裝置上使其發(fā)生彈性形變； 通過粘性物質(zhì)使粘貼在感壓裝置 上的電阻應(yīng)變片發(fā)生形變， 進(jìn)而轉(zhuǎn)化成應(yīng)變片的阻值大小變化； 通過惠斯登測量電路將電阻 應(yīng)變片的阻值變化，轉(zhuǎn)化為與負(fù)載成正比的電信號輸出。 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。稱重傳感器的橋式結(jié)構(gòu)決定了其輸出與激勵電壓息息相關(guān)，為提高精度須

17、使用高精度的 電壓源作為激勵， 此外高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換也要求使用精密電壓源作為參考， 若按常規(guī)方法考 慮，需要兩個精密電壓源，實現(xiàn)起來難度較大，成本也高，為此我們采用了比例測量技術(shù)。所謂比例測量技術(shù)， 是指ADC參考電壓與稱重傳感器的激勵電壓由同一電源提供。蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅。本系統(tǒng)采用了 DALLAS公司的MAX4460儀表放大器，其具有高精密、低功耗、以及優(yōu)異 的增益帶寬。 專有的設(shè)計技術(shù)使這些器件具有地檢測能力、 超低輸入電流以及增強的共模抑 制性能。MAX4460具有可調(diào)增益，以地作為參考電壓。其增益為GAIN=1 +R8/R7。本系統(tǒng)采用了 DALLAS公司的MAX1116數(shù)模

18、轉(zhuǎn)換芯片，其是 8位轉(zhuǎn)換器，模擬信號經(jīng)芯片轉(zhuǎn)換后通過 串行通信的傳送方式傳送給單處機以做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。根據(jù)本課題的特點，我們選用 ATMEL公司89系列的標(biāo)準(zhǔn)型單片機 AT89S52買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。下面就本系統(tǒng)所用到的引腳對其功能和在本系統(tǒng)中的作用做簡單介紹。P0 口： P0 口是一個8位漏極開路的雙向I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對 P0端口寫“ 1”時，弓I腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0 口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash編程時，P0 口也用來接收 指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。

19、程序校驗時，需要外部上拉電阻。在本系統(tǒng)中， P0 口的具體功能為： P0.0、 P0.1 、 P0.2、 P0.3 ：輸出步進(jìn)電機的控制脈沖。 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋 轔糴。P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動 4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“ 1 ”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流(IIL )。此外， P1.1和 P1.2 作定時器 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入( P1.1/T2 )和定時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入 (P1.1/T2EX )。在 flash 編程和校

20、驗時， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。在本系統(tǒng)中，P1 口的具體功能為：P1.0 :由單片機產(chǎn)生的 A/D轉(zhuǎn)換器的主時鐘 SCLKP1.1 :單片機接收 A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入端口。P1.2 :由單片機產(chǎn)生的 A/D轉(zhuǎn)換器的控制脈沖 CONRST復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復(fù)位；看門狗計時完成后，RST腳輸出晶振周期的高電平，特殊寄存器AUXR地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2 :振蕩器反相放大

21、器的輸出端。RXD串行通信的RX接收輸入端口。TXD串行通信的TX發(fā)送輸出端口。數(shù)據(jù)分析與處理本系統(tǒng)中， 排肥器通過步進(jìn)電機的驅(qū)動使肥料由肥箱下落到稱重傳感器的托盤上。 隨著 檢測時間的增加， 托盤上的肥料也越來越多， 并通過稱重傳感器對其進(jìn)行采樣。 采樣值通過 放大、 模數(shù)轉(zhuǎn)換后， 經(jīng)單片機和串行端口傳送給計算機。 計算機如何從這些數(shù)據(jù)得到反映排 肥器性能的具體數(shù)據(jù)和指標(biāo)， 并通過圖像法來再現(xiàn)肥料的實際流量？本文采用了數(shù)值分析中 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。的三次樣條插值完成這一任務(wù)。隨著計算機的廣泛應(yīng)用和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展， 大量復(fù)雜的科學(xué)計算問題呈現(xiàn)在人們面 前，要完成這些工作， 僅靠人的自身

22、努力是不可能的， 必須借助于計算機這一人類有史以來 最偉大的科技發(fā)明， 而使計算機有效解決科學(xué)計算問題的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)值計算方法。 一般的， 用計算機進(jìn)行科學(xué)與工程計算時要經(jīng)歷如下過程： 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。實際問題T數(shù)學(xué)建模T提出數(shù)值問題T設(shè)計實用的數(shù)值計算方法T軟件實現(xiàn)T程序的 執(zhí)行T結(jié)果的分析驗證及可視化。輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩?？梢姡瑪?shù)值分析是科學(xué)與工程計算過程中必不可少的環(huán)節(jié)。 它以純數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)， 著 重研究解決問題的數(shù)值方法及效果， 如數(shù)值方法的收斂性、穩(wěn)定性、誤差分析，以及怎樣使 計算速度最快、 存儲量最少等問題。 數(shù)值分析不能被片面地理解為數(shù)值方法的簡單羅列和堆 積，它是一種

23、與計算機使用密切結(jié)合的實用性很強的計算方法。由實際問題的提出到上機求得問題解答的整個過程都可以看作是應(yīng)用數(shù)學(xué)的任務(wù)。 如數(shù)值分析就是研究用計算機解決數(shù) 學(xué)問題的數(shù)值方法及其理論， 它的內(nèi)容包括函數(shù)的數(shù)值逼近、 數(shù)值微分與數(shù)值積分， 非線性 方程數(shù)值解、數(shù)值代數(shù)、常微分和偏微分?jǐn)?shù)值解等。堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅。在許多實際問題及科學(xué)研究中， 因素之間往往存在著函數(shù)關(guān)系， 但是， 這種關(guān)系經(jīng)常很 難有明顯的解析表達(dá)， 通常只是出觀察或測試得到一些離散數(shù)值， 有時， 雖然給出了解析表 達(dá)式， 但是，由于解析表達(dá)式過于復(fù)雜， 使用或計算起來十分麻煩。對于實際中的這些復(fù)雜 函數(shù)，我們希望重構(gòu)造一個既能反映函

24、數(shù)的特性又便于計算的簡單函數(shù)， 近似代替原來的函 識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。數(shù)。于是， 這就自然需要去建立函數(shù)的某種近似表達(dá)，本節(jié)所討論的函數(shù)插值就是函數(shù)近似表達(dá)的種形式。插值法是一種古老的數(shù)學(xué)方法， 它來自生產(chǎn)實踐， 早在一千多年前， 我國科學(xué)家在研究 歷法上就應(yīng)用了線性插值與二次插值。 但它的基本理論和結(jié)果卻是微積分產(chǎn)生以后才逐步完 善的。其應(yīng)用也日益增多，特別是在電子計算機廣泛使用以后，由于航空、造船、精密機械 加工等實際問題的需要， 使插值法在實踐上或理論上顯得更加重要， 并得到進(jìn)一步發(fā)展， 尤 其是近十幾年發(fā)展起來的樣條 (spline) 插值， lagrange 插值法更獲得了廣泛的應(yīng)

25、用。 凍鈹鋨 勞臘鍇癇婦脛糴。適當(dāng)?shù)靥岣叨囗検降拇螖?shù)， 有可能提高計算結(jié)果的精確程序。 但是插值多項式的次數(shù)不 是越高越好，在大范圍內(nèi)使用高次插值時，會產(chǎn)生激烈的振蕩，即龍格(Ru nge)現(xiàn)象。因此在實際計算中， 我們很少采用高次插值， 常常用分段低次插值進(jìn)行計算， 即把整個插值區(qū) 間分成若干個小區(qū)間， 在每個小區(qū)間上進(jìn)行低次插值。 分段低次插值函數(shù)具有計算簡單、 穩(wěn) 定性好、 收斂性有保證且易在電子計算機上實現(xiàn)等優(yōu)點， 但它只能保證各小段曲線在連接點 上的連續(xù)性，卻不能保證曲線的光滑性。早期工程師制圖時，把富有彈性的細(xì)長木條 （ 所謂 樣條 ）用壓鐵固定在樣點上，在其他地方讓它自由彎曲，然

26、后畫下長條形曲線，稱為樣條曲 線。它實際上是由分段三次曲線并接而成， 在連接點即樣點上要求二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)， 從數(shù)學(xué)上 加以概括就得到數(shù)學(xué)樣條這一概念。 它既保留了分段低次插值多項式的各種優(yōu)點， 又提高了 插值函數(shù)的光滑性。 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。單片機接收到上位機的指令后， 按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速來啟動步進(jìn)電機。 步進(jìn)電機按照既定速 度下帶動排肥器的排肥軸轉(zhuǎn)動， 排肥器開始排肥。 隨著肥料不斷地下落到稱重傳感器的托盤 上，壓力不斷地增加， 稱重傳感器所測試的值也相應(yīng)地增加。 通過系統(tǒng)對其采樣周期的設(shè)定， 其采樣值通過串口通信傳輸?shù)接嬎銠C上，并存儲到存儲器上。 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫。在整個測試過程中， 無

27、論選擇任何種類的肥料， 首先應(yīng)確定測試過程的時間和單位面積 的平均排肥量； 其次， 為了檢測排肥器對各種地形和地勢的適應(yīng)性，系統(tǒng)則把整個檢測過程分為若干個時間段， 并對各個時間段的機具行進(jìn)速度賦值 （其大小應(yīng)在合理的范圍內(nèi)， 一般 為 0-12 米/ 秒）。在這三個參數(shù)確定下來以后，系統(tǒng)的初始化結(jié)束進(jìn)入檢測階段。進(jìn)入該階 段后，系統(tǒng)把上述三個參數(shù)信息通過串行通信傳給單片機， 以使單片機按此信息執(zhí)行相應(yīng)的 程序來啟動步進(jìn)電機和稱重傳感器工作， 與此同時單片機也把由稱重傳感器獲得的已下落到 托盤的肥料重量通過串行通信上傳給計算機。 此階段工作結(jié)束后， 為了得到排肥器的性能指 標(biāo)，需要對計算機對已獲

28、得的下落到托盤的肥料重量數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理分析， 以得到反映排 肥器性能的圖像和具體數(shù)據(jù)。 為了上述過程， 整個測試系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計方 法。其程序分為上位機程序即PC機系統(tǒng)程序和下位機程序即單片機系統(tǒng)程序兩部分。PC機系統(tǒng)程序使用Visual Basic進(jìn)行開發(fā)，單片機系統(tǒng)程序采用 C51語言進(jìn)行開發(fā)的，通KeilC51 進(jìn)行調(diào)試和編譯并轉(zhuǎn)化為機器語言。 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。本測試系統(tǒng)是一個計算機應(yīng)用系統(tǒng)。 計算機作為中心主機， 單片機作為智能接口的下級 機，兩者通過 RS-232 交換信息。計算機完成機具行進(jìn)速度、檢測時間、排肥量等系統(tǒng)參數(shù) 的設(shè)定， 同時把這些參數(shù)傳送給下位機

29、去執(zhí)行相應(yīng)的程序； 然后接收下位機通過串口通信所 傳送上來的下落肥料的數(shù)據(jù)并存儲起來， 最后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。 這就要 求主機運行的程序應(yīng)具有良好的人機交互界面， 所選用的編程語言應(yīng)是一種適于編制友好的 人機交互界面的高級語言?；谏鲜龅脑?，主機選用Micorsoft ViSual Basic6.0 forWindows的編程系統(tǒng)編程。Mieorsoft Visual Basic（VB） 是微軟公司1991年推出的新一代Basic 語言，它保留了原有 Basic 語言的功能和簡單易用性，同時增加了圖象處理、聲音處 理、文字處理、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和電子表格、數(shù)據(jù)通信等功能。VB 編程

30、系統(tǒng)，引入了部分面向?qū)ο蟮臋C制，提供了一種所見即所得的可視界面設(shè)計方法，使用戶界面開發(fā)變得十分容易。 該系統(tǒng)軟件依照用戶至上的原則， 采用人機交互方式， 并盡量減少擊鍵次數(shù)， 采用下拉式菜 單、彈出式窗口、對話框、提示操作、熱鍵操作、幫助窗口等技術(shù)，最大限度方便用戶的操 作。 VB 語言是以過程體為單元，以事件觸發(fā)執(zhí)行過程體完成軟件功能的，因此上位機的軟件是由多個模塊組成， 每一個模塊完成一項功能。 系統(tǒng)軟件主要由 5 大模塊組成， 即打開歷 史記錄模塊、系統(tǒng)初始化模塊、檢測模塊、計算并顯示結(jié)果模塊、幫助文件模塊。主模塊的 菜單，它主要完成多任務(wù)系統(tǒng)的管理窗口，該窗口利用VB 中命令按扭的單擊

31、事件進(jìn)行任務(wù)選擇，然后進(jìn)入相應(yīng)模塊的管理窗口并進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時對各個窗口的進(jìn)入順序有一定的要求，系統(tǒng)會對用戶的操作過程進(jìn)行一定的提示，使操作人員對整個管理系統(tǒng)一目了然。 如用戶只有在對系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定窗口進(jìn)行確定之后才能進(jìn)入檢測窗口， 而計算并顯示結(jié)果窗口 只有在系統(tǒng)檢測模塊完成之后才能進(jìn)入。 在本文中， 我們重點介紹系統(tǒng)初始化模塊和檢測模 塊。 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。在系統(tǒng)初始化模塊中主要是對測試時間和機具的行進(jìn)速度進(jìn)行確定。 用戶可根據(jù)排肥器 具體情況來設(shè)定各項參數(shù)。1）測試時間和排肥量的的設(shè)定 系統(tǒng)的測試時間選擇問題是影響測試結(jié)果的重要因素。如果測試時間太短，則由于采樣 數(shù)據(jù)太少， 而不

32、能完全反映排肥器的真實性能。 但是如果測試時間太長， 則采樣數(shù)據(jù)太多而 增加計算機的運行負(fù)擔(dān)，造成測試系統(tǒng)的運行速度緩慢。 （因為程序的數(shù)值計算涉及到三次 樣條插值計算和解超大型的線性方程組，計算機需要運行的次數(shù)很多，需補充程序算法） 。 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。綜合考慮上面兩個因素，我們設(shè)定了測試時間的選擇范圍為120 240S。設(shè)定排肥器排肥量的主要作用是檢測排肥器的精確性。 本系統(tǒng)對其排肥量的范圍做一限定， 檢測人員可根 據(jù)田間作業(yè)時的實際情況選擇排肥量，其選擇范圍內(nèi)為 25 75Kg/hm2 。 2）機具行進(jìn)速度的 確定 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。由于地形和各種不確定因素的影響， 考慮到機具

33、在田間作業(yè)時其行駛速度并非是勻速度 運動， 而是在局部時間段內(nèi)是勻速的行駛。 因此我們設(shè)定以每 10s 作為一個局部時間段， 在 此時間段內(nèi)機具的行駛速度是不變的。 因為農(nóng)業(yè)機具在田間實際作業(yè)時， 其行駛速度一般不 會大于17m/s，我們設(shè)定的其行駛速度的范圍為020m/s。如果輸入的值超過此范圍，則系慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫長涼。統(tǒng)會自動彈出警告信息， 告訴用戶此值無效， 提示用戶輸入的值應(yīng)在 （0,20） 之間。 如果用戶 設(shè)定的測試時間小于 240s，則在大于用戶設(shè)定的測試時間后的機具行駛速度的值系統(tǒng)會自 動置 0。另外，我們還提供了隨機生成機具行駛速度的功能，以防止人工干預(yù)造成測試誤差 較大。

34、 用戶完成測試時間和行駛速度的參數(shù)設(shè)定后， 點擊測試菜單進(jìn)入檢測模塊。 計算機首 先通過串口通信把測試時間和行駛速度的參數(shù)信息傳遞給單片機。單片機接收到指令后， 啟動步進(jìn)電機帶動排肥軸開始轉(zhuǎn)動， 同時開啟稱重傳感器開始工作， 并把稱重傳感器測試得到 的肥料的采樣值通過串口通信傳送給計算機。 在此過程中， 人機交互界面上以進(jìn)度條并附加 完成百分比的形式來顯示任務(wù)的完成情況。 在測試過程中， 如果出現(xiàn)各種異常情況， 用戶隨 時可以點擊放棄按鈕來取消當(dāng)前測試。 測試結(jié)束后， 用戶可以通過點擊保存按鈕把此數(shù)據(jù)保 存到計算機中以方便以后查詢；點擊完成按扭則把結(jié)果保存到計算機內(nèi)存中并退出此模塊。 諺辭調(diào)擔(dān)

35、鈧諂動禪瀉類。本系統(tǒng)檢測排肥器性能指標(biāo)有兩個，分別是是均勻性和精確度。排肥器的均勻性是指在 肥量一定時由排肥管流出的肥料是否始終一致； 排肥器的精確度是指在某一確定的肥量下根 據(jù)步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)數(shù)模擬出來的機具行走距離與理論上機具應(yīng)走的距離之間的比值。 這兩個指 標(biāo)是對同一組數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理所得到的不同性能指標(biāo)。 當(dāng)檢測過程結(jié)束后， 由稱重 傳感器測量肥料的流量所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機的串行通信全部傳送給計算機， 并存儲在計算 機的存儲器上。 嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。因為肥料類型、 排肥量、 機具行進(jìn)速度需要有不同的參數(shù)來說明排肥器的性能， 所以要 進(jìn)行多次測試， 但這些過程所測試的目的都是一致的

36、。因此， 它們所需要運行的程序也全部相同，只不過是在測試次數(shù)上的累加。 根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果和測試時所輸入的具體參數(shù)相比 較可以得到排肥器的性能，主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。1）排肥器的通用性，是指排肥器能否適用于面狀、粉狀、顆粒狀等各種肥料。在相同參 數(shù)下分別來檢測各種狀態(tài)的肥料， 如果所得到的圖形和數(shù)據(jù)的差別在一定范圍之內(nèi)， 說明排 肥器的通用性好。反之亦然。 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。2）排肥器是否受地形、 機具行進(jìn)速度等因素的影響。 根據(jù)圖 5.4 中的機具行進(jìn)距離與流 量的關(guān)系圖可得到此性能指標(biāo)。 理論上，曲線是與橫坐標(biāo)平行的直線則排肥器完全不受地形、 機具行進(jìn)速度等因

37、素的影響，說明排肥器的均勻性最好；曲線起伏較大，則說 紂憂蔣氳頑薟驅(qū) 藥憫騖。明排肥器受地形和行進(jìn)速度的影響較大，排肥器有待改進(jìn)。3）排肥器是否能適應(yīng)各種排肥量的要求。 在一定距離內(nèi)， 設(shè)定不同的排肥量，排肥器都 能順利在完成任務(wù)， 則說明排肥器對肥量要求上有很好的適應(yīng)性， 在排肥器流量與行進(jìn)距離 的關(guān)系圖中表現(xiàn)出來的就是曲線的起伏很小，越平滑越說明適應(yīng)性好。反之亦然。 穎芻莖蛺餑 億頓裊賠瀧。在本系統(tǒng)中下位機接收到上位機對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動速度的指令后， 開始按照上位機設(shè)定好 的轉(zhuǎn)速來啟動步時電機， 與此同時， 傳感器接收到單片機發(fā)來的指令開始工作， 并通過信號 的放大、 模數(shù)轉(zhuǎn)換把信息傳遞給單片

38、機， 單片機通過串行通信把此數(shù)據(jù)傳送給計算機。 此過 程由于沒有反饋的存在， 所有的動作執(zhí)行都是按照既定參數(shù)來運行。 所以是一個開環(huán)控制系 統(tǒng)。在進(jìn)行下位機的程序設(shè)計之前， 首先要介紹一下 AT89S52 的定時器功能及其特殊功能寄 存器的用法。因為步進(jìn)電機的驅(qū)動脈沖、A/D轉(zhuǎn)換器的SCLK串行通信的波特率的設(shè)定及LCD液晶顯示器的時時掃描都需要對其進(jìn)行設(shè)置。AT89S52單片機共有3個定時器，分別是定時器TO、定時器T1和定時器T2。在AT89S52單片機中除了用來進(jìn)行計數(shù)的TH0 TLO、TH1、TL1、TH2、TL2 這 6 個特殊功能寄存器外，還有四個特殊功能寄存器與定時器/計數(shù)器有關(guān)，其編程操作通過四個特殊功能寄存器TMOD T2MODTCON T2CON的狀態(tài)設(shè)置來實現(xiàn)。特殊功能寄存器 TMOD T2