高精度自動擠奶計量檢測裝置

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)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

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高精度自動擠奶計量檢測裝置

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)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

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

擠奶計量裝置；CAN總線；計量杯式；磁浮子傳感器；電導率檢測

0 引言

隨著現(xiàn)代化牧場的不斷發(fā)展，高科技已經(jīng)被牧場日常工作所使用，而擠奶機是奶場生產(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)外擠奶設備多采用動態(tài)法測量產(chǎn)奶量。例如，光電法檢測流量，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強弱，利用算法計算出奶流速；容積式流量計，采用點接觸型傳感器進行液位控制，通過設置液位高低閾值(即上下限值)作為每次容積計量的基礎，實現(xiàn)對奶液的測量。但上述測量裝置未考慮奶續(xù)流問題對測量的影響，且精度誤差指標只能保證在±1.5%～±3.0%之間。由于擠奶機計量裝置涉及到奶場的利益結(jié)算，且長期機械操作會致使奶?；既榉垦椎膸茁侍岣撸瑢δ膛５慕】岛蜕a(chǎn)效率帶來極大的影響。為此，研制了高精度智能擠奶檢測裝置，采用計量定容裝置與磁浮子傳感器相結(jié)合的方法組成檢測系統(tǒng)，減少了奶續(xù)流問題和奶殘留時對精度的影響，在測量奶量的同時檢測電導率來判斷奶牛乳房炎，做到了真正地早發(fā)現(xiàn)、早治療。

1 總體設計方案

擠奶機系統(tǒng)主要由奶液進給杯式定容裝置、高精度磁性浮子液位傳感器、電導率檢測單元、單片機控制顯示系統(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，單片機控制顯示系統(tǒng)檢測根據(jù)液位傳感器輸出信號，從而控制杯式定容裝置，通過計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，在每次排奶時，經(jīng)電導率檢測裝置來獲取當前奶牛的電導率數(shù)據(jù)。當擠奶過程完成后，單片機系統(tǒng)將本次奶牛測量的數(shù)據(jù)存儲并通過CAN總線傳出給上位機，由上位機記錄當前奶牛的數(shù)據(jù)。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 單片機控制系統(tǒng)

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

整個控制器主要由控制單元與驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成?？刂茊卧蒔IC單片機、4×3矩陣按鍵，以及兩組用戶操作鍵組成；驅(qū)動執(zhí)行部件由電脈動控制器、操作顯示燈組、LCD液晶顯示及電磁閥組構(gòu)成。當有奶牛進入擠奶位置時，上位機將射頻識別的奶牛編號及信息經(jīng)CAN總線傳送給單片機，單片機接收該頭奶牛的編號和信息并顯示在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)并操作獨立按鍵是否對其進行擠奶。擠奶時，對應操作模式(自動/手動)顯示燈組將點亮，單片機控制脈動頻率和相應的電磁閥組通斷來完成擠奶。

圖2 單片機控制系統(tǒng)框圖

2.2 CAN總線模塊設計

控制器局域網(wǎng)(CAN，Controller Area Network)的應用領域涉及高速網(wǎng)絡到低成本多路傳輸網(wǎng)絡，涉及眾多應用領域。CAN總線有兩個或多個節(jié)點組成，總線邏輯對應“線與”機制，“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)點可在任一時刻主動發(fā)送，這是CAN總線靈活通信方式的基礎；信息以標識符分為不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時性要求，速率最高可達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)點采用的是11位標準數(shù)據(jù)幀格式，電腦主機的通訊地址ID為001，MCP2515節(jié)點ID驗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)點均工作在正常模式。

2.3 液位測量電路設計

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

圖3 CAN通訊系統(tǒng)設計

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

圖4 SS49E輸出電壓與磁場強度曲線

圖5 奶計裝置檢測原理

液位測量原理圖中采用浮子與SS49E線性霍爾效應傳感器相結(jié)合的方法進行測量。為了防止對擠奶設備清洗過程中的水溫過高導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)部嵌有特定磁感應強度的磁環(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。針對所選用磁環(huán)，每個磁性霍爾元件測量的最大量程為20mm，超出此范圍后，傳感器將感應不到浮子中的磁感應強度。 為了能夠達到測量要求，采用兩個霍爾傳感器來共同測量液位，其液位測量范圍可達到40mm。無奶時，浮子位于探針底部，磁感應強度未進入傳感器檢測范圍，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，進入傳感器的測量范圍，傳感器感應到磁場強度對應電壓從初始值開始增加，此時為霍爾元件測量的上升階段；當浮子移動到霍爾元件的正中央時，此時輸出的信號為最大約為2.7V，隨著磁性浮子漸漸遠離霍爾元件中心點，其對應的輸出信號會慢慢減小直到變?yōu)槌跏贾?.5V，此過程為傳感器測量的下降階段。為了防止出現(xiàn)檢測死區(qū)，要求保證在Sensor1下降階段輸出信號變?yōu)槌跏贾登?，Sensor2能夠在其測量的上升階段感應到磁場強度，輸出相應的電壓信號。當浮子位于Sensor2下降階段設定電壓時(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范圍內(nèi))，打開奶計量定容裝置中注奶腔和定容腔室閥門，關閉出奶口；延時一段時間，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確性；延時結(jié)束后，迅速關閉上下腔室閥門，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，如此反復執(zhí)行。當進奶量不能致使浮子上升到Sensor2下降階段設定閾值電壓時，由單片機檢測各傳感器所處階段對應輸出電壓并計算出當前計量杯內(nèi)殘存奶量；最后，與排放次數(shù)相結(jié)合計算出當前奶牛產(chǎn)奶量。

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

圖6 信號處理電路

2.4 電導率電路設計

目前，被討論最多的是用來檢測乳房炎的傳感器，人們已經(jīng)對測試牛奶電導率來檢測乳房炎的傳感器進行過評估。電導率的不同可作為檢查乳房炎的一個粗略信號，當牛的乳腺出現(xiàn)感染時，牛奶的導電粒子增加，導致電導率增加，通過檢測牛奶導電性的變化可以用于乳房炎的診斷。系統(tǒng)在擠奶的同時采用二電極法測量電導率，其檢測電路如圖7所示。

通過對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的激勵信號，占空比q=50%，其幅值為5V，通過555電路進行整形后，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。由于激勵信號采用交流方波，且幅值很小，有效地消除了溶液等效電路中的極化效應和雙層電容的影響。檢測電路對反饋出來的交流電壓進行比較、放大和整流，經(jīng)單片機A/D測量出對應的電壓，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，將此頭奶牛單獨進行治療。實現(xiàn)奶牛隱性乳房炎的判斷，其方法測量簡單，不需用戶手動測量，在一定程度上可以代替體細胞試劑檢測。

3 軟件擬合及其誤差分析

本設計中奶液的測量裝置采用定容腔與液位傳感器結(jié)合的方法來實現(xiàn)測量。隨著奶液流入杯式奶罐中，傳感器會隨著奶液的不斷注入產(chǎn)生連續(xù)的模擬信號，此信號經(jīng)單片機的A/D端口進行實時檢測；當液位達到奶罐上腔室的上限時，單片機根據(jù)傳感器反饋來的信號控制電磁閥通斷，進而控制位于上腔室和定容腔室的閥門打開，延時一段時間(約1.5s)來確保定容腔室的奶液注滿，再控制關閉上腔室和定容腔室的閥門。如此反復，直到檢測到流量低于閥值，從而關閉集乳器不再進奶。此時，通過檢測定容腔的排奶次數(shù)以及浮子最后停留的位置即可計算出實際奶的質(zhì)量。定容腔設定的奶量為324.5g，而浮子停留的位置所代表的質(zhì)量由單片機測量磁性傳感輸出的模擬信號標定得出的，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)，當磁性浮子接近和原理傳感器時，傳感器將會感應到模擬量并輸出，單片機檢測到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上升階段初始感應值為60，SENSOR2下降階段的最低感應值為62，當系統(tǒng)測量到此數(shù)值時，即操控閥門打開使上腔室中的奶液流入定容腔室中。傳感器對應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，坐標點與擬合后的直線所處位置偏差較小能夠作為液位對應質(zhì)量的計算關系。其對應的計算關系式為y1=0.4308x+163.8，y2=-0.4509x+348.1，y3=0.4913x+336.7，y4=-0.5212+554.8。將此關系式加入到單片機算法中，根據(jù)算法可實時判斷流速根據(jù)設置的閾值，可自動進行脫杯來停止擠奶，并且測量出每頭牛的實際出奶質(zhì)量。本裝置測量的數(shù)值與稱重器上的數(shù)值誤差如表2所示。

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

表 2 測量誤差比較

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)流問題對計量的影響，測量精度高(小于或等于±5‰)，工作性能穩(wěn)定。

2)本裝置可實時測量流速自動進行脫杯控制，可根據(jù)電導率數(shù)據(jù)對奶牛是否患有乳房炎進行預判斷，通過CAN總線將奶牛信息傳送給上位機，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”國家科技支撐計劃項目(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，研究員級高級工程師，碩士生導師，(E-mail)cxh_0206@163.com。

S817.3

A

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