東忠閣，王 軍，蔡曉華，吳澤全，劉俊杰，楊存志

( 1.哈爾濱博納科技有限公司，哈爾濱 150081；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

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高精度自動(dòng)擠奶計(jì)量檢測(cè)裝置

東忠閣1，王 軍2，蔡曉華2，吳澤全2，劉俊杰2，楊存志2

( 1.哈爾濱博納科技有限公司，哈爾濱 150081；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

根據(jù)目前國內(nèi)擠奶機(jī)械化的需求，研制了精密自動(dòng)擠奶計(jì)量裝置。該裝置能夠在奶牛擠奶完成后自動(dòng)計(jì)量產(chǎn)奶量，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示并通過CAN總線技術(shù)直接傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)采用計(jì)量杯式裝置及磁浮子傳感器相結(jié)合的方法進(jìn)行奶量的測(cè)量，同時(shí)采用二電極方法進(jìn)行奶牛的電導(dǎo)率檢測(cè)，從而對(duì)奶牛乳房炎進(jìn)行預(yù)判斷。該裝置其能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸的自動(dòng)快速計(jì)量，作為奶采集量的自動(dòng)計(jì)量裝置具有檢測(cè)精度高、電路可靠性好且使用方便、不需人工參與及檢測(cè)流程清潔衛(wèi)生等特點(diǎn)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了擠奶效率。

擠奶計(jì)量裝置；CAN總線；計(jì)量杯式；磁浮子傳感器；電導(dǎo)率檢測(cè)

0 引言

隨著現(xiàn)代化牧場(chǎng)的不斷發(fā)展，高科技已經(jīng)被牧場(chǎng)日常工作所使用，而擠奶機(jī)是奶場(chǎng)生產(chǎn)管理中保證產(chǎn)量最大化、質(zhì)量最優(yōu)化的核心部分。目前，國內(nèi)外擠奶設(shè)備多采用動(dòng)態(tài)法測(cè)量產(chǎn)奶量。例如，光電法檢測(cè)流量，采用發(fā)光二極管與光敏二極管組合陣列，通過分析奶流經(jīng)過管路截面中光線信號(hào)強(qiáng)弱，利用算法計(jì)算出奶流速；容積式流量計(jì)，采用點(diǎn)接觸型傳感器進(jìn)行液位控制，通過設(shè)置液位高低閾值(即上下限值)作為每次容積計(jì)量的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)奶液的測(cè)量。但上述測(cè)量裝置未考慮奶續(xù)流問題對(duì)測(cè)量的影響，且精度誤差指標(biāo)只能保證在±1.5%～±3.0%之間。由于擠奶機(jī)計(jì)量裝置涉及到奶場(chǎng)的利益結(jié)算，且長(zhǎng)期機(jī)械操作會(huì)致使奶?；既榉垦椎膸茁侍岣?，對(duì)奶牛的健康和生產(chǎn)效率帶來極大的影響。為此，研制了高精度智能擠奶檢測(cè)裝置，采用計(jì)量定容裝置與磁浮子傳感器相結(jié)合的方法組成檢測(cè)系統(tǒng)，減少了奶續(xù)流問題和奶殘留時(shí)對(duì)精度的影響，在測(cè)量奶量的同時(shí)檢測(cè)電導(dǎo)率來判斷奶牛乳房炎，做到了真正地早發(fā)現(xiàn)、早治療。

1 總體設(shè)計(jì)方案

擠奶機(jī)系統(tǒng)主要由奶液進(jìn)給杯式定容裝置、高精度磁性浮子液位傳感器、電導(dǎo)率檢測(cè)單元、單片機(jī)控制顯示系統(tǒng)和CAN總線通信單元等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

擠奶時(shí)，單片機(jī)控制顯示系統(tǒng)檢測(cè)根據(jù)液位傳感器輸出信號(hào)，從而控制杯式定容裝置，通過計(jì)算定容腔室中的奶液排放次數(shù)及結(jié)合最后奶杯中殘留的奶液高度來獲取最終奶液的質(zhì)量并顯示出來。同時(shí)，在每次排奶時(shí)，經(jīng)電導(dǎo)率檢測(cè)裝置來獲取當(dāng)前奶牛的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。當(dāng)擠奶過程完成后，單片機(jī)系統(tǒng)將本次奶牛測(cè)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并通過CAN總線傳出給上位機(jī)，由上位機(jī)記錄當(dāng)前奶牛的數(shù)據(jù)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本擠奶機(jī)控制系統(tǒng)以PIC16F877A單片機(jī)為核心，其內(nèi)部集成10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器，3個(gè)定時(shí)器模塊，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)外圍電路的實(shí)時(shí)控制和多路模擬量采集，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

整個(gè)控制器主要由控制單元與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成?？刂茊卧蒔IC單片機(jī)、4×3矩陣按鍵，以及兩組用戶操作鍵組成；驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件由電脈動(dòng)控制器、操作顯示燈組、LCD液晶顯示及電磁閥組構(gòu)成。當(dāng)有奶牛進(jìn)入擠奶位置時(shí)，上位機(jī)將射頻識(shí)別的奶牛編號(hào)及信息經(jīng)CAN總線傳送給單片機(jī)，單片機(jī)接收該頭奶牛的編號(hào)和信息并顯示在LCD12864液晶屏上；操作員根據(jù)顯示的信息來判斷該頭奶牛的情況(如奶牛是否患有乳房炎、該頭奶牛是否處于發(fā)情期或是該頭奶牛是否為公牛)并操作獨(dú)立按鍵是否對(duì)其進(jìn)行擠奶。擠奶時(shí)，對(duì)應(yīng)操作模式(自動(dòng)/手動(dòng))顯示燈組將點(diǎn)亮，單片機(jī)控制脈動(dòng)頻率和相應(yīng)的電磁閥組通斷來完成擠奶。

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2.2 CAN總線模塊設(shè)計(jì)

控制器局域網(wǎng)(CAN，Controller Area Network)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多路傳輸網(wǎng)絡(luò)，涉及眾多應(yīng)用領(lǐng)域。CAN總線有兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，總線邏輯對(duì)應(yīng)“線與”機(jī)制，“隱性”位(邏輯電平“1”)，被“顯性”位(邏輯電平“0”)。只要沒有總線節(jié)點(diǎn)在發(fā)送顯性位，總線處于隱性狀態(tài)，但只要任何總線節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位，總線線路即處于顯性狀態(tài)。因此，任一節(jié)點(diǎn)可在任一時(shí)刻主動(dòng)發(fā)送，這是CAN總線靈活通信方式的基礎(chǔ)；信息以標(biāo)識(shí)符分為不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)性要求，速率最高可達(dá)1Mb/s。

本系統(tǒng)控制核心芯片PIC16F877A無內(nèi)置CAN總線控制器和CAN收發(fā)器，因此選用MCP2515和TJA1050作為總線通訊系統(tǒng)的控制器和收發(fā)器。CAN通信如圖3所示。節(jié)點(diǎn)采用的是11位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，電腦主機(jī)的通訊地址ID為001，MCP2515節(jié)點(diǎn)ID驗(yàn)收濾波寄存器配置為只接收001地址信息，其通信波特率為125kbps，各節(jié)點(diǎn)均工作在正常模式。

2.3 液位測(cè)量電路設(shè)計(jì)

液位測(cè)量技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，根據(jù)各種方式的需求來設(shè)計(jì)完成，其結(jié)構(gòu)形式、量程范圍和測(cè)量精度適用于各種不同的場(chǎng)合；但大多數(shù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本偏高。由于乳計(jì)量裝置中為真空設(shè)計(jì)，測(cè)量空間有限，且測(cè)量電路不能與牛乳直接接觸，因此采用磁性浮子液位測(cè)量的方法。

圖3 CAN通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SS49E線性霍爾效應(yīng)傳感器是一款體積小巧、功能多樣的線性霍爾效應(yīng)傳感器，可在永久性磁體或電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)下工作。線性輸出電壓根據(jù)給定電源電壓并隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而等比例改變。該元件集成電路設(shè)計(jì)輸出噪聲低，這使得該器件在輸出端不必使用外部電路進(jìn)行過濾。由圖4可看出：溫度保持不變且在穩(wěn)定5V供電條件下，無磁場(chǎng)時(shí)傳感器輸出的初始電壓值為2.5V；隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大和變小，其輸出電壓呈線性上升或下降關(guān)系。計(jì)量裝置具體測(cè)量原理如圖5所示。

圖4 SS49E輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線

圖5 奶計(jì)裝置檢測(cè)原理

液位測(cè)量原理圖中采用浮子與SS49E線性霍爾效應(yīng)傳感器相結(jié)合的方法進(jìn)行測(cè)量。為了防止對(duì)擠奶設(shè)備清洗過程中的水溫過高導(dǎo)致浮子外殼變形損壞，選用耐熱PVC塑料，其密度低于1.0，保證漂浮在牛奶液位上，內(nèi)部嵌有特定磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁環(huán)。探針通過磁性浮子中軸線，Sensor1和Sensor2為上述提到的傳感器SS49E。針對(duì)所選用磁環(huán)，每個(gè)磁性霍爾元件測(cè)量的最大量程為20mm，超出此范圍后，傳感器將感應(yīng)不到浮子中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 為了能夠達(dá)到測(cè)量要求，采用兩個(gè)霍爾傳感器來共同測(cè)量液位，其液位測(cè)量范圍可達(dá)到40mm。無奶時(shí)，浮子位于探針底部，磁感應(yīng)強(qiáng)度未進(jìn)入傳感器檢測(cè)范圍，其輸出電壓為初始值2.50V。隨著奶液的注入，磁性浮子由下至上，沿探針Y軸上升，進(jìn)入傳感器的測(cè)量范圍，傳感器感應(yīng)到磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)電壓從初始值開始增加，此時(shí)為霍爾元件測(cè)量的上升階段；當(dāng)浮子移動(dòng)到霍爾元件的正中央時(shí)，此時(shí)輸出的信號(hào)為最大約為2.7V，隨著磁性浮子漸漸遠(yuǎn)離霍爾元件中心點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)會(huì)慢慢減小直到變?yōu)槌跏贾?.5V，此過程為傳感器測(cè)量的下降階段。為了防止出現(xiàn)檢測(cè)死區(qū)，要求保證在Sensor1下降階段輸出信號(hào)變?yōu)槌跏贾登埃琒ensor2能夠在其測(cè)量的上升階段感應(yīng)到磁場(chǎng)強(qiáng)度，輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)。當(dāng)浮子位于Sensor2下降階段設(shè)定電壓時(shí)(此電壓閾值必須滿足排滿定容腔室且保證排奶后浮子下降位置在傳感器檢測(cè)范圍內(nèi))，打開奶計(jì)量定容裝置中注奶腔和定容腔室閥門，關(guān)閉出奶口；延時(shí)一段時(shí)間，使上腔室中的奶液能夠注滿下定容腔，保證定容腔每次排奶量的準(zhǔn)確性；延時(shí)結(jié)束后，迅速關(guān)閉上下腔室閥門，奶液繼續(xù)注入浮子上升，直到再次打開上下腔室閥門從而注滿定容腔，如此反復(fù)執(zhí)行。當(dāng)進(jìn)奶量不能致使浮子上升到Sensor2下降階段設(shè)定閾值電壓時(shí)，由單片機(jī)檢測(cè)各傳感器所處階段對(duì)應(yīng)輸出電壓并計(jì)算出當(dāng)前計(jì)量杯內(nèi)殘存奶量；最后，與排放次數(shù)相結(jié)合計(jì)算出當(dāng)前奶牛產(chǎn)奶量。

浮子接近或遠(yuǎn)離磁性霍爾元件時(shí)，其輸出的電壓變化是非常微弱的，不便于直接測(cè)量。在此過程中需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以便于單片機(jī)測(cè)量，如圖6所示。電路中采用運(yùn)放將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行比較和放大后送給單片機(jī)，單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行測(cè)量和控制。

圖6 信號(hào)處理電路

2.4 電導(dǎo)率電路設(shè)計(jì)

目前，被討論最多的是用來檢測(cè)乳房炎的傳感器，人們已經(jīng)對(duì)測(cè)試牛奶電導(dǎo)率來檢測(cè)乳房炎的傳感器進(jìn)行過評(píng)估。電導(dǎo)率的不同可作為檢查乳房炎的一個(gè)粗略信號(hào)，當(dāng)牛的乳腺出現(xiàn)感染時(shí)，牛奶的導(dǎo)電粒子增加，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加，通過檢測(cè)牛奶導(dǎo)電性的變化可以用于乳房炎的診斷。系統(tǒng)在擠奶的同時(shí)采用二電極法測(cè)量電導(dǎo)率，其檢測(cè)電路如圖7所示。

通過對(duì)安裝在奶罐定腔室中不銹鋼電極頭(2電極)發(fā)送固定的頻率交流方波脈沖，74HC4060產(chǎn)生頻率為f=11.72kHz的激勵(lì)信號(hào)，占空比q=50%，其幅值為5V，通過555電路進(jìn)行整形后，再經(jīng)RC高通濾波器轉(zhuǎn)換成幅值為±2.5V的交流方波信號(hào)。由于激勵(lì)信號(hào)采用交流方波，且幅值很小，有效地消除了溶液等效電路中的極化效應(yīng)和雙層電容的影響。檢測(cè)電路對(duì)反饋出來的交流電壓進(jìn)行比較、放大和整流，經(jīng)單片機(jī)A/D測(cè)量出對(duì)應(yīng)的電壓，判斷其是否患有乳房炎或隱性乳房炎，并發(fā)送給系統(tǒng)主機(jī)，將此頭奶牛單獨(dú)進(jìn)行治療。實(shí)現(xiàn)奶牛隱性乳房炎的判斷，其方法測(cè)量簡(jiǎn)單，不需用戶手動(dòng)測(cè)量，在一定程度上可以代替體細(xì)胞試劑檢測(cè)。

3 軟件擬合及其誤差分析

本設(shè)計(jì)中奶液的測(cè)量裝置采用定容腔與液位傳感器結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。隨著奶液流入杯式奶罐中，傳感器會(huì)隨著奶液的不斷注入產(chǎn)生連續(xù)的模擬信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)單片機(jī)的A/D端口進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；當(dāng)液位達(dá)到奶罐上腔室的上限時(shí)，單片機(jī)根據(jù)傳感器反饋來的信號(hào)控制電磁閥通斷，進(jìn)而控制位于上腔室和定容腔室的閥門打開，延時(shí)一段時(shí)間(約1.5s)來確保定容腔室的奶液注滿，再控制關(guān)閉上腔室和定容腔室的閥門。如此反復(fù)，直到檢測(cè)到流量低于閥值，從而關(guān)閉集乳器不再進(jìn)奶。此時(shí)，通過檢測(cè)定容腔的排奶次數(shù)以及浮子最后停留的位置即可計(jì)算出實(shí)際奶的質(zhì)量。定容腔設(shè)定的奶量為324.5g，而浮子停留的位置所代表的質(zhì)量由單片機(jī)測(cè)量磁性傳感輸出的模擬信號(hào)標(biāo)定得出的，如表1所示。

表1 液位重量與2路傳感器輸出模擬值

表1中，每路傳感器有兩種狀態(tài)，上升和下降狀態(tài)，當(dāng)磁性浮子接近和原理傳感器時(shí)，傳感器將會(huì)感應(yīng)到模擬量并輸出，單片機(jī)檢測(cè)到A/D的數(shù)值是傳感器輸出模擬放大后的值。在表1中可以看出：隨著入奶罐中的質(zhì)量增加，SENSOR1上升階段初始感應(yīng)值為60，SENSOR2下降階段的最低感應(yīng)值為62，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量到此數(shù)值時(shí)，即操控閥門打開使上腔室中的奶液流入定容腔室中。傳感器對(duì)應(yīng)的上升階段和下降階段的數(shù)值是變化的，將液位質(zhì)量與A/D采樣值分別代入Y軸和X軸，由MatLab最小二乘法曲線擬合的圖形如圖8和圖9所示。

圖8 Sensor 1上升和下降階段擬合曲線

圖9 Sensor 2上升和下降階段擬合曲線

從MatLab擬合出來的圖形上可以看出：其直線是呈線性上升或下降的，坐標(biāo)點(diǎn)與擬合后的直線所處位置偏差較小能夠作為液位對(duì)應(yīng)質(zhì)量的計(jì)算關(guān)系。其對(duì)應(yīng)的計(jì)算關(guān)系式為y1=0.4308x+163.8，y2=-0.4509x+348.1，y3=0.4913x+336.7，y4=-0.5212+554.8。將此關(guān)系式加入到單片機(jī)算法中，根據(jù)算法可實(shí)時(shí)判斷流速根據(jù)設(shè)置的閾值，可自動(dòng)進(jìn)行脫杯來停止擠奶，并且測(cè)量出每頭牛的實(shí)際出奶質(zhì)量。本裝置測(cè)量的數(shù)值與稱重器上的數(shù)值誤差如表2所示。

從表2系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)與實(shí)際稱重器上的數(shù)據(jù)分析對(duì)比能夠看出：本測(cè)量裝置誤差在±5‰以下，與國外產(chǎn)品測(cè)量誤差指標(biāo)在±1.5%～±3.0%相比,產(chǎn)品誤差小，能夠?qū)崿F(xiàn)奶場(chǎng)測(cè)量對(duì)高精度的要求。

表 2 測(cè)量誤差比較

4 結(jié)論

1)采用定容裝置與傳感器模擬量相結(jié)合的方法，有效地解決了奶的續(xù)流問題對(duì)計(jì)量的影響，測(cè)量精度高(小于或等于±5‰)，工作性能穩(wěn)定。

2)本裝置可實(shí)時(shí)測(cè)量流速自動(dòng)進(jìn)行脫杯控制，可根據(jù)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)對(duì)奶牛是否患有乳房炎進(jìn)行預(yù)判斷，通過CAN總線將奶牛信息傳送給上位機(jī)，節(jié)省了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。

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High-precision Automatic Milking Measuring and Detecting Devices

Dong Zhongge1, Wang Jun2, Cai Xiaohua2, Wu Zequan2, Liu Junjie2, Yang Cunzhi2

(1.Harbin Bona Technology CO.LTD, Harbin 150081, China; 2.Scientific Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering in Heilongjiang, Harbin 150081,China)

According to the current domestic demand for mechanized milking, developed a high precision automatic milking metering device, which can be automatically measured the cow milk production after completion of the milking, storage and display of the data, and which is transmitted directly to the PC through CAN bus technology. The system uses the methods is rely on the combination of the measuring cup type devices and magnetic sub-sensor to accurately measure the milk yield, real-time detection of milk flow, and to determine whether the velocity is lower than the set value to automatically take off the cup. While using two-electrode conductivity detection method to determine whether cows suffering mastitis according to the specified conductivity threshold. It can realize non-contact automatic measurement quickly, as the amount of milk collection automatic metering device with high precision, good reliability of the circuit, easy to use, does not need manual intervention, testing process clean sanitation, reduces the labor intensity, improve the efficiency of the milking.

milking measuring; CAN; measuring cup type; magnetic sub-sensor; conductivity detection

2016-07-20

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B10)

東忠閣(1986-),男，黑龍江佳木斯人，碩士，(E-mail) dongzhongge@163.com。

蔡曉華(1968-)，男，哈爾濱人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)cxh_0206@163.com。

S817.3

A

1003-188X(2017)05-0084-06