基于STM32的豬飼喂槽剩余量檢測設(shè)備設(shè)計與實現(xiàn)*

王 衡,趙宸瑜

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

中國對成品豬的生產(chǎn)和消費十分巨大，且國內(nèi)對成品豬的需求長期處于高速增長狀態(tài)[1]。豬的飼養(yǎng)管理方式對于豬的生長發(fā)育及后期的各方面的效益有著顯著的影響[2-4]。

許靜等人指出，生豬在育肥階段需要加強飼料管理以提高豬的免疫能力[5]；鐘銘等人指出，不同體重、背膘、受孕階段的母豬飼喂模式存在差別，需要進(jìn)行針對性管理[6]；李清宏等人提出精準(zhǔn)獲取養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，是對豬進(jìn)行精細(xì)飼喂的基礎(chǔ)[7]；劉小元等人給出了飼料的料槽在精準(zhǔn)飼喂過程中的日飼喂量[8]；荷蘭Nedap公司的單欄飼喂系統(tǒng)依據(jù)母豬的采食習(xí)慣在任何時間點進(jìn)行精準(zhǔn)投料[9]；加拿大Gestal哺乳母豬管理系統(tǒng)能夠以食量最大化為目標(biāo)，實現(xiàn)智能調(diào)控，滿足了母豬動態(tài)營養(yǎng)需求[10]；瑞安市孕豬欄舍的喂料設(shè)備，從開始送料至下料可以控制在10 min[11]。

從當(dāng)前生豬的精細(xì)飼喂研究現(xiàn)狀來看，研究人員將側(cè)重點放在了生豬不同階段飼喂需求量研究方面，在具體的飼喂環(huán)節(jié)，則將重點放在了飼料的投送方面，而對生豬進(jìn)食了多少，則關(guān)注較少。為此，本文以飼料中常見的麥麩[12，13]為研究對象，以STM32F10RCT6為控制核心，通過以555定時器[14，15]構(gòu)建的方波發(fā)生器電路為外電路和簡單的按鍵開關(guān)相配合，最后通過TFTLCD顯示屏顯示出來，達(dá)到簡便、直觀和精準(zhǔn)識別麥麩厚度的效果，并為后期的全方位精細(xì)飼喂奠定基礎(chǔ)。

1 測量原理

當(dāng)雙極板間物質(zhì)種類固定，電容值與雙極板間物質(zhì)的厚度有關(guān)，而不同的電容數(shù)值會導(dǎo)致方波發(fā)生器輸出頻率改變。因此，當(dāng)麥麩在兩極板間厚度不同時，方波發(fā)生器會以一定規(guī)律輸出不同頻率的波。因此，本文以方波發(fā)生器電路為外部電路，以STM32為控制核心，其中包含兩個1kΩ的電阻和由一對單面覆銅板構(gòu)成的電容，無穩(wěn)態(tài)模式下輸出波形頻率f1由R1，R2與電容C共同決定：

f1=1/ln(2)*C*(R1+2R2)

.

(1)

式中電容C=εS/d，介電常數(shù)ε=εr*ε0，此電路輸出頻率f2為：

f=d/ln(2)*εS*(R1+2R2).

(2)

2 系統(tǒng)框架設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在5 cm*5 cm透明亞克力盒底部鑲嵌一片5 cm*5 cm的單面覆銅板，盒中用來裝不同厚度的麥麩，麥麩頂部放置另一塊同等大小的單面覆銅板，可以保證兩塊單面覆銅板正對，提高測量的精準(zhǔn)性。兩塊覆銅板的覆銅面由穿孔導(dǎo)線引出，在上側(cè)單面覆銅板上加載重物，以提高可測量的頻率范圍和測量精度。

針對FDC2214價格較高的缺點，本文使用方波發(fā)生器電路，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定檢測頻率的特性。系統(tǒng)的硬件如圖1所示。

圖1 硬件示意圖

2.2 軟件流程設(shè)計

本文由STM32F103RCT6構(gòu)建麥麩檢測裝置中控，同時搭配方波發(fā)生器電路為外部檢測電路，為麥麩測厚度的精準(zhǔn)頻率測量及顯示提供便捷的方式，其基本流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程框圖

3 硬件模塊設(shè)計

3.1 方波發(fā)生器模塊

波形變換與穩(wěn)定脈沖核心為方波發(fā)生器電路，此電路能夠以矩形波輸出，并解決輸出脈沖在傳輸中出現(xiàn)邊沿不穩(wěn)定的問題。

3.1.1 555定時器系統(tǒng)

在圖3所示555定時器電路中，以C1和C2為主，通過對其正反向輸入電壓的比較來判斷輸出電壓，構(gòu)成與非門G1和G2基本觸發(fā)器的觸發(fā)信號，三極管TD是泄放三極管，而G3是輸出緩沖反相器，起整形和帶負(fù)載能力的作用。由于555本身的電氣特性，在圖4所示的電路，能夠在無輸入的情況下通過RC充放電電路輸出占空比可調(diào)的方波。為了能夠產(chǎn)生一個較為穩(wěn)定的矩形波，以555定時器構(gòu)成了方波發(fā)生器電路，而矩形波的上升沿相比較于正弦波，三角波等波形更加明顯，便于STM32模塊捕獲和判斷。

圖3 555定時器電路

圖4 方波產(chǎn)生電路

3.2 STM32及控制模塊(主控、按鍵、顯示)

STM32是一款性能高、成本低，低功小的嵌入式單片機，在本項目中起著計算，控制，捕獲等一系列重要作用。

3.2.1 輸入捕獲系統(tǒng)

方波發(fā)生器電路輸出端產(chǎn)生的方波需經(jīng)過輸入捕獲系統(tǒng)的采集與處理。基本處理情況就是按鍵按下，STM32內(nèi)置的TIM3定時器開始計數(shù)，等到定時器停止，此時產(chǎn)生定時器溢出中斷，此期間輸入捕獲寄存器一直工作，采集此次由定時器開始到產(chǎn)生溢出中斷時間內(nèi)上升沿次數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)計算，最終輸出結(jié)果。

3.2.2 按鍵系統(tǒng)

在本項目中，按鍵系統(tǒng)起著控制以及校準(zhǔn)的作用。按鍵控制STM32是否進(jìn)入相關(guān)的代碼段，并且執(zhí)行相關(guān)代碼段的運算，最終TFTLCD顯示出來；校準(zhǔn)指按下能通過閉環(huán)算法重新調(diào)整數(shù)值并保存，開關(guān)控制兩極板間的開/短路判斷，防止在正常測試中影響測試結(jié)果。

4 軟件設(shè)計

麥麩厚度數(shù)據(jù)的采集、識別和顯示，分別由方波發(fā)生器構(gòu)成的外電路和由STM32構(gòu)成的識別判斷系統(tǒng)組成。硬件上，核心板通過PB13、PB15、PB12和PC6四口、+5V電源口和GND口等三個IO口通過TFTLCD顯示屏進(jìn)行麥麩數(shù)據(jù)的顯示；軟件方面則依賴PWM波的輸入捕獲函數(shù)來進(jìn)行外電路傳出數(shù)據(jù)的檢測。通過“#include”來調(diào)用庫函數(shù)"stm32f10x_it.h"，然后通過void EXTI0_IRQHandler(void)來設(shè)置基本參數(shù),通過void EXTI1_IRQHandler(void)函數(shù)實現(xiàn)機器的自校準(zhǔn)，通過void TIM3_IRQHandler(void)函數(shù)實現(xiàn)極板的開短路檢測，其中void NVIC_Configuration(void)函數(shù)進(jìn)行中斷的配置，void Key_Config(void)函數(shù)進(jìn)行不同開關(guān)的配置。

4.1 極板自檢

在外電路和STM32核心板上電之后，兩極板會首先進(jìn)行自檢，通過外電路此時傳回的信號來判斷此時極板是否處于開/短路狀態(tài)，當(dāng)極板處于開/短路狀態(tài)時，蜂鳴器會持續(xù)報警，若極板不處于開/短路狀態(tài)，此時TFTLCD顯示屏?xí)@示“機器已準(zhǔn)備好”的字樣。接下來進(jìn)行自校準(zhǔn)操作，通過相應(yīng)程序校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4.2 麥麩檢測

在校準(zhǔn)結(jié)束后由蜂鳴器報警提示，可以進(jìn)行麥麩厚度檢測，通過TIM3定時器作為內(nèi)部計數(shù)主頻，將數(shù)據(jù)與u16 correct[100]數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，在一定的頻率區(qū)間內(nèi)，判斷此時麥麩厚度，并將信息通過SPI通信方式顯示在TFTLCD顯示屏。其中屏幕顯示所需的進(jìn)制碼保存在”Font.h”文件的const struct typFNT_GB162 hz16數(shù)組中，通過”Gui_DrawFont_GBK16”函數(shù)來進(jìn)行調(diào)用和顯示。

5 測試與分析

本文搭建了一套麥麩厚度檢測的硬件模型設(shè)計裝置對麥麩的厚度進(jìn)行檢測。在5 cm*5 cm*6 cm的亞克力盒中裝載上下兩塊5 mm*5 mm的單面覆銅板，覆銅板間裝入需要測量的不同厚度的麥麩。從極板的中心掏孔，硬件的實物如圖5所示。

圖5 硬件圖

不同的麥麩厚度與STM32捕獲的信號頻率之間的對應(yīng)關(guān)系如圖6所示，測試結(jié)果表明：不同厚度的麥麩通過TIM輸入捕獲所采集到的頻率值也不一樣，并且隨著厚度的增加，頻率的變化差值在逐漸減少。

圖6 測量與擬合曲線

通過MATLAB中的Cure fitting tool曲線擬合工具插件，調(diào)用冪逼近形函數(shù)(power)y=α*x^b+c擬合如圖6所示，曲線，其中

(3)

6 結(jié)論

1) 本文提出利用豬飼喂槽剩余量配合飼料投放量來測量生豬進(jìn)食量，相對于將飼料投放量作為生豬進(jìn)食量，得到的數(shù)據(jù)更接近生豬的飼養(yǎng)實際。

2) 本文以STM32F103RCT6為控制核心，通過方波發(fā)生器電路和TFTLCD相配合來測量麥麩厚度，測量精度較高。

3) 本文設(shè)計的麥麩技術(shù)裝置使用簡單便捷，同時對麥麩大小、環(huán)境要求低，為生豬精準(zhǔn)養(yǎng)殖的自動化提供一定的思路。