榆林學(xué)院能源工程學(xué)院 黨學(xué)立

引言

奶牛乳房炎主要是由于乳腺組織被微生物入侵或受到物理及化學(xué)性損傷而引發(fā)的局部性炎癥[1]。乳房炎屬于奶牛養(yǎng)殖場中的常見病、多發(fā)病，治愈率低且會導(dǎo)致奶牛產(chǎn)奶量下降，牛奶品質(zhì)降低，給奶牛養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大的損失[2]。奶牛發(fā)生乳房炎后，機(jī)體為消滅病原菌和修復(fù)損傷的組織會生成過多的白細(xì)胞，這些白細(xì)胞會聚集在一起，導(dǎo)致乳腺管道局部被堵塞，造成其產(chǎn)生的乳汁不能夠及時(shí)排出，從而促使一些泌乳細(xì)胞無法泌乳，最后發(fā)生萎縮。另外，由于泌乳細(xì)胞數(shù)量減少，會對整個(gè)胎次甚至一生的產(chǎn)奶量都產(chǎn)生影響；降低鮮奶質(zhì)量，營養(yǎng)成分降低；增加牛群更替成本，影響消費(fèi)者的健康[3]。

目前常用的奶牛乳房炎致病微生物檢測方法主要包括：細(xì)菌分離鑒定法、免疫學(xué)檢測法、基因芯片和PCR檢測技術(shù)等[4]。本文基于單片機(jī)的病牛乳聲光報(bào)警系統(tǒng)，可以及時(shí)有效地提醒病牛乳狀況，一方面，關(guān)注奶牛的健康，及時(shí)預(yù)防及診治；另一方面，避免劣質(zhì)奶制品流入市場，確保食品質(zhì)量和安全。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)是由STC89C51RC2單片機(jī)、傳感器電路、電壓比較電路、晶振電路、聲音報(bào)警電路，光顯示電路構(gòu)成。通過傳感器采集牛奶樣品的阻值信號，經(jīng)過分壓電路及電壓比較電路，產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號，單片機(jī)接收信號，并進(jìn)行相應(yīng)的處理：驅(qū)動(dòng)聲音報(bào)警電路，發(fā)出聲音提示信號；驅(qū)動(dòng)光報(bào)警電路，發(fā)出光提示信號。主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將待測的牛奶樣品放入杯子，將連接器J1的兩個(gè)電極插入牛奶樣品中，兩個(gè)電極對稱地放置在杯子壁上。新鮮牛奶在常溫下的電導(dǎo)率為0.004～0.05Ωm，如奶?；加腥榉垦祝瑒t電導(dǎo)率會上升，若超過0.06Ωm便可判斷病牛乳[5]。電路正常工作時(shí)，連接器J1和電阻R2串聯(lián)，由牛奶電導(dǎo)率變化，則連接器J1的引腳2上電位升高，將此電壓輸出到集成電路U3的負(fù)相端引腳3，進(jìn)而與集成電路U3的正相端引腳2處，設(shè)置固定的電位值相比較；進(jìn)而產(chǎn)生電信號的跳變，即實(shí)現(xiàn)對病牛乳牛奶樣品的檢測。其中，R2采用高精度，量程為10Ω的滑動(dòng)變阻器；集成電路U3為比較器LM111。其中，傳感器電路如圖2所示。

圖2 傳感器電路

2.2 電壓比較電路設(shè)計(jì)

電壓比較電路采用集成電路芯片LM111。集成電路芯片LM111具有電源電壓范圍大(±5V～±l5V)、偏置電流小、失調(diào)電流小、差分輸入電壓范圍大(±30V)，其輸出與TTL、DTL及MOS電路相容，并可驅(qū)動(dòng)指示燈和繼電器?？梢詥坞娫垂╇?，也可以雙電源供電，有集電極輸出和發(fā)射極輸出兩種形式等，電路簡單，性能穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)的電路圍繞集成電路LM111進(jìn)行：首先，進(jìn)行比較器正相端配置，本設(shè)計(jì)采用電源模塊芯片MCP1525，其輸入為5V,輸出為固定的電壓2.5V；其次，比較器負(fù)相端連接至傳感器電路的輸出端，完成對傳感信號的比較；最后，將比較的結(jié)果從LM111的引腳7輸出，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的引腳27，由單片機(jī)進(jìn)一步處理。其中，單片機(jī)的型號為STC89C51RC2。電壓比較電路如圖3所示。

圖3 電壓比較電路

2.3 晶振電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作需要合適的節(jié)拍。晶振電路的作用就是為單片機(jī)合格的時(shí)鐘信號流。本設(shè)計(jì)的晶振電路采用無源晶振，其振蕩頻率為11.0592MHZ，它由晶振Y1,以及外接電容C1,C2實(shí)現(xiàn)，它通過Y1的兩端，輸入到單片機(jī)的引腳18,19，為單片機(jī)提供工作時(shí)鐘。晶振電路設(shè)計(jì)如圖4所示

圖4 晶振電路設(shè)計(jì)

2.4 聲音報(bào)警電路

聲音報(bào)警電路采用壓電蜂鳴器，本設(shè)計(jì)采用工作電壓為3V的蜂鳴器。壓電蜂鳴器通過電流大，為了使電路盡可能簡單，工作穩(wěn)定可靠，采用了單片機(jī)的多個(gè)IO口并聯(lián)，增加電流供應(yīng)的辦法。當(dāng)單片機(jī)檢測出有病的樣品時(shí)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的處理，使其P3的8個(gè)IO口，P1的8個(gè)IO口為高電平1，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓電蜂鳴器工作，發(fā)出報(bào)警聲音。聲音報(bào)警電路如圖5所示。

圖5 聲音報(bào)警電路

2.5 光顯示電路

光顯示電路采用發(fā)光二極管，通過控制單片機(jī)的IO口實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單片機(jī)檢測出有病的樣品時(shí)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的處理，使單片機(jī)的引腳28為高電平1，通過電阻R1分壓，輸入到發(fā)光二極管D1，使D1發(fā)出光。反之，發(fā)光二極管D1不發(fā)出光。其中，電阻R1起限流分壓作用。光顯示電路圖如圖6所示。

圖6 光顯示電路

3 主程序設(shè)計(jì)

主程序的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，它是在硬件設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)上工作的，是整個(gè)系統(tǒng)不可分割的部分，它主要的實(shí)現(xiàn)流程如下：上電初始化模塊，進(jìn)行系統(tǒng)加電的初始化工作，復(fù)位操作，以及指向主程序的工作；讀取輸入檢測信號模塊，采用輪詢方式，讀入傳感器的信號電平值，實(shí)現(xiàn)對信號的輸入讀操作；接著，單片機(jī)對輸入的信號進(jìn)行判斷處理，若正常，則進(jìn)行下一次檢測，否則，進(jìn)行進(jìn)一步的處理；聲音報(bào)警模塊，進(jìn)行聲音的輸出提示，提醒有錯(cuò)誤發(fā)生，單片機(jī)通過多個(gè)IO口操作，來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲；光顯示模塊，進(jìn)行光的輸出提示，提醒有錯(cuò)誤發(fā)生，單片機(jī)通過單個(gè)IO口操作，來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光；接著，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)量關(guān)系判斷，使聲音報(bào)警，光顯示進(jìn)入循環(huán)模式。主程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 主程序設(shè)計(jì)流程

4 仿真驗(yàn)證

利用Proteus軟件[6]，通過改變連接器J1的阻抗，對整個(gè)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真工作。主要仿真的是：當(dāng)阻抗變化時(shí)，單片機(jī)程序判斷傳感器信號電平值，并與設(shè)定的正常值進(jìn)行比較：若正常，則進(jìn)行下一次檢測；否則，超出正常值，則進(jìn)行相應(yīng)的處理，進(jìn)行聲音報(bào)警，光顯示，以此來判斷奶牛是否患病，防止劣質(zhì)牛奶流入市場，確保奶產(chǎn)品質(zhì)量安全，保障人民群眾身體健康。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是一款基于單片機(jī)的病牛乳聲光報(bào)警系統(tǒng)，以單片機(jī)STC89C52RC為主控制器，以傳感器電路、電壓比較電路、聲音報(bào)警電路，光顯示電路等輔助電路，實(shí)現(xiàn)了對病牛乳聲光報(bào)警。利用上電初始化模塊，進(jìn)行系統(tǒng)加電的初始化工作，復(fù)位操作；利用讀取輸入檢測信號模塊，采用輪詢方式，讀入傳感器的信號電平值，實(shí)現(xiàn)對信號的輸入讀操作；利用單片機(jī)對輸入的信號進(jìn)行判斷處理，若正常，則進(jìn)行下一次檢測，否則，進(jìn)行進(jìn)一步的處理；利用聲音報(bào)警模塊，進(jìn)行聲音的輸出提示；利用光顯示模塊，進(jìn)行光的輸出提示，提醒有錯(cuò)誤發(fā)生。通過proteus仿真實(shí)驗(yàn)證明軟硬件系統(tǒng)的可行性，利用制作出來的實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可準(zhǔn)確地判斷出病牛乳，及時(shí)做出提醒，對奶牛進(jìn)行診治，防止劣質(zhì)牛奶流入市場，保證人民身體健康。