牧場(chǎng)智能擠奶與綜合信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

計(jì)算計(jì)算機(jī)執(zhí)行器執(zhí)行器圖：智能化檢測(cè)控制系統(tǒng)基本組成(4)、A\D和D\A轉(zhuǎn)換電路能應(yīng)付一些不確定因素帶來(lái)的干擾(例如通電時(shí)容易使鹽水電解，不但影響食鹽質(zhì)量還對(duì)測(cè)量造成干擾)。這些問(wèn)題在研究系統(tǒng)解決方案的過(guò)程中必須對(duì)這些問(wèn)2課題概述2.1課題研究背景正是對(duì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)中所遇到的各種問(wèn)題進(jìn)行深入地研究和討系統(tǒng)中必不可少的一部分。分別應(yīng)用它來(lái)對(duì)等)或產(chǎn)品的屬性(如產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量等)進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)結(jié)2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求3課題說(shuō)明3.1液晶屏顯示器 能力；而作為背光模組另一重要組件的棱鏡片(垂直和水平相間隔)則負(fù)責(zé)把光2、液晶面板(Panel)調(diào)制以得到最終畫面。跟背光模組一樣，液晶面板同樣很薄(厚度從數(shù)毫米到零點(diǎn)幾毫米不等),但其結(jié)構(gòu)并不簡(jiǎn)單。作用。在液晶盒(通過(guò)特定澆鑄并扭曲了的液晶分子槽)之下的是主動(dòng)驅(qū)動(dòng)矩陣上下兩層相互垂直的偏振膜和被扭轉(zhuǎn)的液晶分子相配合使光線得以被顯示信號(hào)調(diào)制成不同強(qiáng)度的輸出信號(hào)，液晶上的RGB濾色片(ColorFilter,CF)把液晶顯示器(LCD)是現(xiàn)在非常普遍的顯示器。它射低、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。液晶顯示器(LCD)是基于液晶電光效應(yīng)的顯示器件?！芭で蛄行鸵壕э@示器”(TwistedNematicLiquidcrystaldisplay),“扭曲向列型液晶顯示器”簡(jiǎn)稱“TN型液晶顯示器”。這種顯示器的液晶組件構(gòu)造如圖11所示。薄膜以作電極之用。這種薄膜通常是一種銦(Indium)和錫(Tin)的氧化物(Oxide),簡(jiǎn)稱ITO。然后再在有ITO的玻璃上鍍表面配向劑，以使液晶順著一個(gè)特定且平行于玻璃表面之方向排列。(圖11a)中左邊玻璃使液晶排成上下與電場(chǎng)方向平行。因?yàn)橐簯B(tài)晶的折射率隨液晶的方向而改變，其結(jié)果是光圖12所示)。偏振片偏振光若外加足夠大的電壓V使得液晶方向轉(zhuǎn)成與電場(chǎng)方向平行，光的偏振性就不會(huì)改變。因此光可順利通過(guò)第二個(gè)偏光器控制光的明暗。這樣會(huì)形成透光時(shí)為白、不透光時(shí)為黑3.2.1電導(dǎo)儀的測(cè)量原理引起離子在被測(cè)溶液中運(yùn)動(dòng)的電場(chǎng)是由與溶液直接接觸的二個(gè)電極產(chǎn)生的。此對(duì)測(cè)量電極必須由抗化學(xué)腐蝕的材料制成。實(shí)際中經(jīng)常用到的材料有鈦等。由二個(gè)電極組成的測(cè)量電極被稱為爾勞施(Kohlrausch)電極。幾何關(guān)系，電導(dǎo)可以通過(guò)電流、電壓的測(cè)量得到。這一測(cè)量原理在當(dāng)今直接顯示測(cè)量?jī)x表中得到應(yīng)用。而K=L—A(A——測(cè)量電極的有效極板，L——兩常數(shù)可以通過(guò)幾何尺寸算出。當(dāng)兩個(gè)面積為1cm組成電極時(shí)，此電極的常數(shù)K=1cm-1。如果用此對(duì)電極測(cè)得電導(dǎo)值G=1000μ則被測(cè)溶液的電導(dǎo)率K=1000μS/cm。一般情況下，電極常形成部分非均勻電場(chǎng)。此時(shí)，電極常數(shù)必須用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行確定。標(biāo)準(zhǔn)溶液一般都使用KCI溶液這是因?yàn)镵CI的電導(dǎo)率的不同的溫度和濃度情況下非常穩(wěn)定，準(zhǔn)確。0.1mol/l的KCI溶液在25℃時(shí)電導(dǎo)率為3.2.2電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)的組成6、安裝結(jié)構(gòu)(螺紋、法蘭、三夾頭連接等)接接觸),在電導(dǎo)值高于100mS時(shí)，要考慮電纜長(zhǎng)度和電纜橫截面面積的影4方案驗(yàn)證LLA直流分壓法就是把被測(cè)的對(duì)象當(dāng)作一個(gè)分壓電阻Rx,并把一個(gè)固定的直流電壓Vcc加在分壓電阻Rx和一個(gè)已知阻值的電阻r上，使這兩部分電阻上分別獲得一定的壓降，然后測(cè)量A點(diǎn)的電壓值UA,并對(duì)這個(gè)電壓值信號(hào)進(jìn)行A\D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)輸入單片機(jī)電路進(jìn)行分析和計(jì)算。通過(guò)公式可4.1.2試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象把兩個(gè)金屬電極插在容器適當(dāng)?shù)奈恢?，電極間的距離不宜過(guò)近，在容器中注入鹽水。用一臺(tái)穩(wěn)壓電源作為提供直流電壓的裝置。另外還需要一臺(tái)電壓表(測(cè)量精度要求在毫伏極)、一支100Ω的可變電阻。按照電路圖把電源提供直流電壓加在測(cè)量電極和已知電阻的串聯(lián)電路上。把電壓源的電壓幅度調(diào)整至不同的值，測(cè)量A點(diǎn)的電壓UA,再把這幾次測(cè)得的電壓值帶入公式計(jì)算出鹽水的電導(dǎo)值(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著電壓加在測(cè)量電極上的時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量的結(jié)果越不穩(wěn)定，在將鹽水倒出之后，仔細(xì)的觀察還會(huì)發(fā)現(xiàn)，在測(cè)量電極上還有少量附著物，需要用水清洗才能清除。4.1.3直流分壓法的方案研究通過(guò)對(duì)電路原理以及試驗(yàn)現(xiàn)象的分析，可以總結(jié)出該方案具有以下特點(diǎn)：此方案采用的是最常用的測(cè)量電阻的方法——直流分壓測(cè)電阻法，其原理很容易理解，其電路電路結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單，這些都為制作電路和調(diào)試電路提供了方便。而且，越簡(jiǎn)單的電路工作起來(lái)越穩(wěn)定，不易出現(xiàn)故障。成一個(gè)電場(chǎng)，而電場(chǎng)存在于鹽水這種介質(zhì)中，鹽水中含有的金屬離子(如Na+離子、K+離子等)都會(huì)在這一強(qiáng)大的電場(chǎng)勢(shì)能作用下向負(fù)電極附近集中，另外一圖3-1-2極化現(xiàn)象示意圖4.2方案二：電容-電導(dǎo)轉(zhuǎn)換法4.2.1原理鹽水在盛有鹽水的容器外加上兩塊電極板，將鹽水塊極板一同作為一個(gè)以鹽水為介質(zhì)被測(cè)電容，電容和一個(gè)已知阻值的電阻串聯(lián)，并在此串聯(lián)電路上加一交流電壓，使被測(cè)電容兩端產(chǎn)生一個(gè)波形信號(hào)，把這一信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、A\D轉(zhuǎn)換等處理電路輸入單片機(jī)電路進(jìn)行計(jì)算，可以得出電容的值，再根據(jù)公式導(dǎo)出鹽水介質(zhì)的介電常數(shù)e,從而計(jì)算出鹽水的電導(dǎo)值。4.2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象正極板鹽水制作一形狀如圖所示的容器，要求最好使用方形的容器，這樣便于電極板的安裝，電極板應(yīng)與容器壁貼緊，以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確度。用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦交流信號(hào)，將此信號(hào)加在帶極板的容器和一支100Ω電阻組成的串聯(lián)電路上，用一臺(tái)示波器觀察A、B兩點(diǎn)之間的電壓波形，為得到一個(gè)穩(wěn)定的波形還要改變裝在容器兩側(cè)的極板的大小，以及信號(hào)發(fā)生器的頻率和幅度。當(dāng)使用面積較大的電極板時(shí)，測(cè)得的信號(hào)波形很不穩(wěn)定，很難獲得一個(gè)準(zhǔn)確的測(cè)量值。當(dāng)使用面積較小的電極板時(shí)，會(huì)使測(cè)得信號(hào)波形變得很微弱。當(dāng)將交流信號(hào)頻率和幅度調(diào)高的時(shí)候，輸出的信號(hào)相對(duì)容易測(cè)量。4.2.3電導(dǎo)-電容轉(zhuǎn)換法的方案研究(1)、該方案避免了極化現(xiàn)象本方案采用交流信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，而且電極未與鹽水直接接觸，從而避免了方案一中由于在兩極通直流而造成的極化現(xiàn)象。由于本方案是采用測(cè)量電容，再通過(guò)公式導(dǎo)出應(yīng)測(cè)的電導(dǎo)值的方法，使得計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜，這就增加了對(duì)單片機(jī)編程的難度。(3)、很難確定極板的尺寸根據(jù)公式可知，極板面積S越大，電容C就越大，從而越容易測(cè)量；但根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析可知，由于容器中的鹽水難以保持靜止?fàn)顟B(tài)，所以極板面積S較大時(shí)，存在于極板之間的鹽水的截面面積越大，鹽水的流動(dòng)性所造成的影響就越明顯，所以又應(yīng)該使用面積很小的極板以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。這就造成了矛盾。(4)、極板間距離d應(yīng)盡量小根據(jù)公可知，極板之間的距離越小，電容C就越大，從而越便于測(cè)量，但這就需要容器的橫截面積足夠小，顯然在生產(chǎn)中使用這種形狀的容器是不符合生產(chǎn)要求的。(5)、高頻會(huì)導(dǎo)致電路調(diào)試?yán)щy在調(diào)高信號(hào)發(fā)生器的頻率和難度后會(huì)使測(cè)量變得簡(jiǎn)單一些，但是信號(hào)的頻率越高，電路的制作和調(diào)試就越困難。(6)、不便于產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)根據(jù)系統(tǒng)要求的功能，要在容器中的鹽水快裝滿時(shí)產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制檢測(cè)的開(kāi)始，使用電極時(shí)可以采用多加一個(gè)電極的方法來(lái)產(chǎn)生此信號(hào)，但在本方案中不容易產(chǎn)生此開(kāi)關(guān)量。脈沖測(cè)量法的電路示意圖如下：A12將一支激勵(lì)電極和兩支檢測(cè)電極接入鹽水，從激勵(lì)電極輸入一個(gè)10kHz的4.3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄)4.3.3脈沖測(cè)量法的方案研究4.4總結(jié)5電路分析低通濾波低通濾波放大電路A=10放大電路A=10線性光耦U5.1測(cè)量信號(hào)的產(chǎn)生電路中這一驅(qū)動(dòng)電路包括了光耦隔離芯片TL2521-4組成的隔離電路和由集5.2測(cè)量信號(hào)的預(yù)處理從鹽水中輸出的測(cè)量信號(hào)是一個(gè)很微弱且不十分穩(wěn)定的信號(hào)。需要經(jīng)過(guò)一系列的預(yù)處理之后，才能進(jìn)行A\D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)。信號(hào)預(yù)處理的過(guò)程一般包括放大、濾波和隔離等步奏。這部分電路是為后面能正常、準(zhǔn)確地采集到檢測(cè)信號(hào)做的準(zhǔn)備。5.2.1初級(jí)放大電路初級(jí)放大電路是用來(lái)對(duì)微弱的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的電路，采用的是運(yùn)算放大器芯片LM324組成的反向放大器，放大倍數(shù)Av=10,電路如圖5-2-1所示。放大器采用單電源供電，由R1、R2組成1/2V+偏置，C1是消振電容。放大器電壓放大倍數(shù)Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=-Rf/Ri。負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。按圖中所給數(shù)值，Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號(hào)源內(nèi)阻相等，然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)再選定Rf。Co和Ci為耦合電容。電路如圖5-2-1所示5.2.2線性光耦電路線性光耦電路是用來(lái)進(jìn)行隔離的電路，其作用是使前后電路獨(dú)立，從而減少相互之間的影響帶來(lái)的干擾。為達(dá)到線性耦合的目的，系統(tǒng)中使用的是由線性光耦芯片HCNR201構(gòu)成的耦合電路。電路如圖5-2-2所示。5.2.3濾波電路A\D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中的這部分電路是利用運(yùn)算放大器構(gòu)成的低通放大器，5-2-3所示。5.3檢測(cè)信號(hào)的采集G8234(1)8位分辨率；5.3.2單片機(jī)電路系統(tǒng)中使用的單片機(jī)的型號(hào)為W78E58B,芯片引腳如圖5-3-2所示。內(nèi)容。)512字節(jié)片內(nèi)RAM;4個(gè)8位雙向、可位尋址的I/O口；一個(gè)附加的4中斷源和2級(jí)中斷能力的中斷系統(tǒng)支持。為了方便用戶進(jìn)行編程和驗(yàn)證，代碼進(jìn)行保護(hù)。INTP3.1236789mP21A9圖5-3-2W78E58B引腳圖TH0,定時(shí)器1下的TL1、TH1,定時(shí)器2下的TL2、TH2。采集數(shù)據(jù)的工作流程圖如圖5-3-3所示：采集檢測(cè)電極1的容器是否裝采集檢測(cè)電極2NoNo采集數(shù)據(jù)的程序用C51編寫。(程序見(jiàn)附錄二)6統(tǒng)優(yōu)化--提高系統(tǒng)的抗干擾能力自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在工作的過(guò)程中，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)某些不正常的現(xiàn)象，這表6.1.2干擾的引入途徑研究干擾的引入途徑是因?yàn)樵肼曇ㄟ^(guò)一定的途徑侵入傳感器裝置才會(huì)對(duì)(1)漏電流耦合形成的干擾：它是由于絕緣不良，由流經(jīng)絕緣電阻的漏電流(2)傳導(dǎo)耦合形成的干擾：噪聲是經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路中去的，是最明顯(3)共阻抗耦合形成的干擾：共阻抗耦合是由于兩個(gè)電路共有阻抗，當(dāng)一個(gè)(1)靜電耦合形成的干擾：電場(chǎng)耦合實(shí)質(zhì)上是電容性耦合，它是由于在兩個(gè)(2)電磁耦合形成的干擾：電磁耦合又稱互感耦合，它是由于在兩個(gè)電(3)輻射電磁場(chǎng)耦合形成的干擾：輻射電磁場(chǎng)通常來(lái)源于大功率高頻電氣設(shè)100mV/m、長(zhǎng)度為10cm的垂直導(dǎo)體可以產(chǎn)生5mV的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。對(duì)有用信號(hào)影響的大小，設(shè)有用功率為Ps,有用信號(hào)電壓為Us,噪聲功率為PN,噪聲電壓為UN,則用dB(分貝)為單位表示信噪比為由上式可知，信噪比越大，表示噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響越小，即干擾越不明顯，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡可能提高信噪比。抑制干擾的基本措施中消除干擾源是最有效最徹底的方法，但實(shí)際上不少干擾源是不可消除的，人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)中總結(jié)出了許多行之有效的抗干擾技術(shù)，常用的方法有接地、隔離、濾波、屏蔽等。(1)接地技術(shù)這里的“地”是指輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的公共零電位，它本身可能與大地相隔。接地已不僅是為保護(hù)人身和設(shè)備安全，也是為抑制噪聲干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)，在設(shè)計(jì)和安裝的過(guò)程中，如果能正確的處理各處的接地，是可以抑制大部分的干擾的，因此接地是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須充分考慮的問(wèn)題。下面是在處理接地時(shí)經(jīng)常遇到的一些問(wèn)題，以及處理這些問(wèn)題的原則。交流地與信號(hào)地在一段電源地線的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù)毫伏，甚至幾伏的電壓，對(duì)低點(diǎn)平的信號(hào)電路來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常嚴(yán)重的干擾，必須加以隔離和防治，因此，交流地和信號(hào)地不能公用。模擬地與數(shù)字地模擬地是模擬信號(hào)的公共零點(diǎn)位，數(shù)字地是數(shù)字信號(hào)的公共零點(diǎn)位。由于數(shù)字信號(hào)處于脈沖工作狀態(tài)，它在接地阻抗上產(chǎn)生的壓降往往成為微弱模擬信號(hào)的干擾源，為避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，兩者的地線應(yīng)分別設(shè)置為宜。一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)內(nèi)印制電路板的基本原則是高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。(2)隔離與耦合在抗干擾措施中，還采用各種隔離和耦合的方式來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，使用這種方法的原理就是，讓兩個(gè)電路相互獨(dú)立，不形成一個(gè)環(huán)路，從而減少兩個(gè)電路之間的相互影響。實(shí)際操作中經(jīng)常使用光電耦合器件、變壓器、電壓跟隨器作為隔離電路。現(xiàn)在最常用到的隔離方法是光電耦合隔離，它具有以下的優(yōu)點(diǎn)：(1)光電耦合器件響應(yīng)速度較其他隔離方法快得多；(2)因?yàn)楣獾膫鬏斒菃蜗虻?，所以輸出的信?hào)不會(huì)反饋影響輸入端；(3)輸入輸出回路完全是隔離的，能很好地解決不同電位、不同邏輯之間的(3)濾波技術(shù)LC型機(jī)雙T型等。①對(duì)干擾頻率的信號(hào)衰減100倍以上；(4)屏蔽技術(shù)6.3抗干擾技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用了這些干