自走式奶牛精確飼喂機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李亞萍，蒙賀偉，高振江，李　輝，坎　雜

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京　100083)

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自走式奶牛精確飼喂機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李亞萍1，蒙賀偉1，高振江2，李輝2，坎雜1

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083)

摘要：為了提高奶牛精確飼喂技術(shù)水平、降低成本、減少工作量、提高個(gè)體奶牛產(chǎn)奶量，在前期完成自走式奶牛精確飼喂機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和牛場(chǎng)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)奶牛飼喂數(shù)據(jù)的接收、牛只的個(gè)體精確識(shí)別、裝備的行進(jìn)及精確投料，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體奶牛的自動(dòng)化及智能化飼喂。試驗(yàn)調(diào)試驗(yàn)證表明：飼喂機(jī)的最佳行進(jìn)速度為0.6m/s，識(shí)別距離達(dá)65cm，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.4s；個(gè)體奶牛識(shí)別率96%，個(gè)體牛只識(shí)別正確率100%，給料誤差小于2%。

關(guān)鍵詞：個(gè)體奶牛；精確飼喂；單片機(jī)；控制系統(tǒng)；自走式

0引言

縱觀21世紀(jì)初期我國(guó)奶牛業(yè)的發(fā)展，牛奶總產(chǎn)量得到了迅速增長(zhǎng)，但人均牛奶占有量和消費(fèi)量仍低于世界平均水平 。我國(guó)牛奶產(chǎn)量的增加主要由奶牛存欄量的增加引起，牛奶單產(chǎn)量的增加并不顯著，仍有較大的上升空間。影響我國(guó)奶牛單產(chǎn)水平的主要因素是奶牛飼養(yǎng)管理[1]，而飼養(yǎng)管理中飼料條件對(duì)奶牛的產(chǎn)奶量和牛奶品質(zhì)起著重要作用[2-3]。精細(xì)養(yǎng)殖是精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)奶牛的精細(xì)飼養(yǎng)將是未來的一個(gè)發(fā)展方向[4]，而以個(gè)體體況信息為基礎(chǔ)的精細(xì)養(yǎng)殖也將是現(xiàn)代奶牛科學(xué)飼養(yǎng)的主要研究方向[5]。如何利用現(xiàn)代化技術(shù)手段通過提高奶牛單產(chǎn)來提高牛奶產(chǎn)量成為一個(gè)亟待解決的問題。

奶牛飼喂技術(shù)從傳統(tǒng)飼喂技術(shù)、TMR飼喂技術(shù)、固定式精飼料補(bǔ)飼技術(shù)到飼喂機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，各自有其優(yōu)點(diǎn)和不足[6-8]。綜合考慮投入成本、工作量、勞動(dòng)生產(chǎn)效率、飼喂的靈活性，以及考慮到奶牛個(gè)體生理特征的不同、對(duì)精飼料需求不同，本文采用自走式奶牛精確飼喂機(jī)[9]，實(shí)現(xiàn)奶牛的單體精確飼喂，飼料的按需配給，以奶定量，激發(fā)奶牛產(chǎn)奶潛能，降低生產(chǎn)成本，提高奶牛產(chǎn)奶量，實(shí)現(xiàn)奶牛的自動(dòng)化及智能化飼喂。

1自走式奶牛精確飼喂機(jī)的工作原理

自走式奶牛精確飼喂機(jī)的工作流程如圖1所示。

圖1　自走式奶牛精確飼喂機(jī)的工作流程圖

飼喂前，首先在上位機(jī)上運(yùn)行奶牛信息管理軟件，通過軟件調(diào)用個(gè)體牛只生理特征信息，并對(duì)其飼喂量進(jìn)行精確計(jì)算；個(gè)體牛只飼喂量信息與其ID號(hào)通過無(wú)線數(shù)傳模塊無(wú)線傳輸至裝備控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并將其保存在單片機(jī)外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，從而完成牛只個(gè)體信息的精確計(jì)算與數(shù)據(jù)傳輸。

飼喂過程中，首先啟動(dòng)飼喂機(jī)行進(jìn)開關(guān)，通過人工操縱模式將裝備行進(jìn)至牛場(chǎng)精飼料場(chǎng)進(jìn)行加料；完成后人工駕駛行進(jìn)至待飼牛舍，繼而將飼喂機(jī)由人工操縱模式調(diào)整至自動(dòng)控制模式。

自動(dòng)控制模式下，飼喂機(jī)在控制系統(tǒng)控制下自動(dòng)行駛，當(dāng)裝備行進(jìn)至個(gè)體牛只前時(shí)，識(shí)別系統(tǒng)通過佩戴在奶牛耳朵上的耳標(biāo)對(duì)牛只進(jìn)行精確識(shí)別，并將識(shí)別到的牛只信息發(fā)送至裝備控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)控制裝備停止行進(jìn)并定位，同時(shí)調(diào)用該牛只飼喂信息、啟動(dòng)給料裝置及精確投料，從而完成個(gè)體牛只精飼料的精確飼喂。該牛只飼喂結(jié)束后，飼喂機(jī)繼續(xù)前進(jìn)并對(duì)下一頭奶牛進(jìn)行飼喂。

整個(gè)圈舍飼喂結(jié)束后，飼喂機(jī)在人工控制狀態(tài)，由工作人員將飼喂機(jī)停至停放室。

2控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)由MCU控制系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸裝置、個(gè)體牛只信息管理系統(tǒng)、雙模行進(jìn)機(jī)構(gòu)、料位監(jiān)控系統(tǒng)及精確給料裝置組成。

2.2工作原理

系統(tǒng)采用PC機(jī)作為飼喂管理平臺(tái)，通過該軟件完成個(gè)體牛只數(shù)據(jù)的采集和調(diào)用，經(jīng)數(shù)據(jù)分析、計(jì)算后，將處理后數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線傳輸裝置傳送至MCU控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外擴(kuò)存儲(chǔ)器中。

工作時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制裝備在人工與自動(dòng)行進(jìn)兩種行進(jìn)模式下進(jìn)行運(yùn)行。飼喂時(shí)，裝備在自動(dòng)行進(jìn)模式下進(jìn)行行進(jìn)；行進(jìn)過程中，當(dāng)飼喂機(jī)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到個(gè)體牛只所佩戴耳標(biāo)后，單片機(jī)控制系統(tǒng)接收牛只信息并控制裝備停止行進(jìn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)識(shí)別到的信息進(jìn)行分析并確定是否投料：如果接收到的信息為有效信息，則控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)投料裝置對(duì)牛只進(jìn)行精確飼喂；否則，不進(jìn)行投飼。當(dāng)料倉(cāng)精飼料不足時(shí)，料位監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信息并提醒工作人員進(jìn)行加料。

3單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能為：有接收信息管理系統(tǒng)發(fā)送的牛只信息數(shù)據(jù)；將牛只信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外擴(kuò)存儲(chǔ)器；顯示單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；接收識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到的卡號(hào)并與存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；控制給料裝置進(jìn)行精確給料；控制飼喂機(jī)行進(jìn)。

3.1單片機(jī)的選擇

本研究采用宏晶科技開發(fā)生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)。STC89C52 是一款單片封裝的微控制器，雙列直插式封裝，共40個(gè)引腳，其引腳配置如圖3所示。

圖3　STC89C52引腳配置圖

由于牛場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、干擾源多，因此STC89C52以其高可靠性、超強(qiáng)抗干擾能力、低功耗、高性價(jià)比、開發(fā)簡(jiǎn)便等突出優(yōu)勢(shì)成為控制系統(tǒng)主要元器件。其具有512字節(jié)RAM、32 位輸入輸出口線、看門狗定時(shí)器、3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、6向量2級(jí)中斷、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路等標(biāo)準(zhǔn)功能。

3.2單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器模塊的主要功能為接收存儲(chǔ)上位機(jī)發(fā)送過來的牛只信息。本文所研究存儲(chǔ)模塊采用鐵電存儲(chǔ)器FM1808，存儲(chǔ)容量32kbyte。單片機(jī)地址鎖存信號(hào)引腳和三態(tài)輸出鎖存器74HC373N的鎖存允許端相連。

FM1808采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造，其存儲(chǔ)容量可達(dá)32kbyte，讀寫壽命100億次，寫數(shù)據(jù)無(wú)延時(shí)，存取時(shí)間短、功耗低，工作電流25mA，工作電壓5V，工作溫度范圍-40～+85℃；同時(shí)，具有特別優(yōu)良的防潮濕及抗震性能，適于牛場(chǎng)惡劣環(huán)境因素和裝備工作振動(dòng)環(huán)境。

FM1808使用28腳DIP，封裝形式采用SOIC封裝。各引腳功能說明如表1所示。

表1　FM1808引腳電器特性

存儲(chǔ)器模塊硬件連線原理圖如圖4所示。

圖4存儲(chǔ)器模塊原理圖

其中，AD0～AD7為單片機(jī)P0端口，A8～A15為單片機(jī)P2端口，ALE地址鎖存信號(hào)引腳，RD為讀信號(hào)引腳，WR為寫信號(hào)引腳。

3.3LCD模塊的設(shè)計(jì)

LCD液晶顯示模塊用于顯示單片機(jī)控制器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送信息時(shí)，顯示數(shù)據(jù)發(fā)送的卡號(hào)和飼喂量信息；當(dāng)單片機(jī)接收來自讀卡器的數(shù)據(jù)時(shí)，顯示接受到的卡號(hào)信息及卡號(hào)所對(duì)應(yīng)的奶牛飼喂?fàn)顟B(tài)。LCD模塊硬件原理圖如圖5所示。

圖5　 LCD模塊原理圖

3.4上位機(jī)與單片機(jī)的通訊設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸裝置實(shí)現(xiàn)裝備上位機(jī)與單片機(jī)的通訊，本文所采用無(wú)線傳輸裝置為RFD5800嵌入式無(wú)線數(shù)傳模塊，傳輸距離為1 000m，工作頻率為470～510MHz，有UART/TTL、RS485、RS232等3種接口。無(wú)線傳輸裝置與PC機(jī)及無(wú)線傳輸裝置與MCU的連接圖分別如圖6、圖7所示。

圖6　無(wú)線識(shí)別裝置與上位機(jī)的連接

圖7　無(wú)線識(shí)別裝置與單片機(jī)的連接

3.5RFID與單片機(jī)的通信設(shè)計(jì)

本文RFID和單片機(jī)通訊采用串口進(jìn)行通訊，其與無(wú)線傳輸模塊共用1個(gè)串口，主要通過CD4052芯片對(duì)單片機(jī)串口進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)、單片機(jī)與讀卡器的通訊。串口原理如圖8所示。

CD4052是差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，具有2個(gè)二進(jìn)制控制輸入端、1個(gè)INH輸入，峰值為20V的模擬信號(hào)可通過幅值為4.5～20V的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制。CD4502引腳說明如表2所示。

圖8　串口模塊原理圖

引腳號(hào)符號(hào)功能124512131415IN/OUT輸入/輸出端91011ABC地址端3OUT/IN公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE模擬信號(hào)接地端8Vss數(shù)字信號(hào)接地端16VDD電源+

3.6料位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

料位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝備料倉(cāng)物料情況，當(dāng)精飼料不足時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員進(jìn)行加料。本文所述系統(tǒng)主要由超聲波料位測(cè)量模塊、報(bào)警電路及報(bào)警指示燈組成。該系統(tǒng)采用自動(dòng)測(cè)量模式，自動(dòng)測(cè)量時(shí)間間隔為25ms，測(cè)量模塊采用URM37V3.2超聲波傳感器。

系統(tǒng)測(cè)量距離4～500cm，靈敏度1cm，誤差不超過1%。工作時(shí)，將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比：當(dāng)測(cè)量值小于或等于設(shè)定值時(shí)，超聲波傳感模塊輸出低電平，報(bào)警器不動(dòng)作；當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)，輸出高電平，報(bào)警器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)料位的檢測(cè)報(bào)警。超聲波模塊各引腳功能如表3所示。

表3　超聲波模塊引腳功能說明

3.7試驗(yàn)驗(yàn)證

該飼喂行進(jìn)機(jī)構(gòu)采取雙模行進(jìn)方式，人工控制速度為0～6m/s，自動(dòng)控制速度為0.4～1.2m/s。裝備行進(jìn)采用直流電動(dòng)機(jī)，調(diào)速采用脈寬調(diào)制調(diào)速，電機(jī)帶有制動(dòng)裝置；當(dāng)飼喂機(jī)停機(jī)時(shí)，通過單片機(jī)控制制動(dòng)器使飼喂機(jī)迅速降速并停止在固定位置。試驗(yàn)結(jié)果表明：自動(dòng)控制模式下裝備最佳行進(jìn)速度0.6m/s，最佳識(shí)別距離65cm，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間0.4s，個(gè)體牛只識(shí)別率96%，識(shí)別正確率100%。

給料裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋給料裝置進(jìn)行給料，主軸轉(zhuǎn)速采用60r/min，分別設(shè)定投料值為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0kg，每個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行10次試驗(yàn)，得到的精度試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：給料精度誤差不高于2%，符合奶牛精確飼喂要求。

表4　不同量程下投料量測(cè)量值

4結(jié)論

1)自走式奶牛精確飼喂機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了個(gè)體牛只飼喂數(shù)據(jù)接收、個(gè)體牛只精確識(shí)別、裝備的自動(dòng)行進(jìn)及精確給料。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制模式下裝備最佳行進(jìn)速度0.6m/s，最佳識(shí)別距離65cm，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間0.4s，個(gè)體牛只識(shí)別率96%，識(shí)別正確率100%，給料精度誤差不高于2%，各項(xiàng)指標(biāo)符合奶牛精確飼喂要求。

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Design of MCU Control System on Self-propelled Precise Feeding Machine for Cows

Li Yaping1, Meng Hewei1, Gao Zhenjiang2, Li Hui2, Kan Za1

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：In order to improve precise feeding technology for cows, cut down cost, decrease workload, and improve milk production of single dairy cow. On the basis of design of the mechanical structure and for self-propelled precise feeding machine and the information management system for dairy farm, the design of MCU control system was completed in this paper. The cow feeding data receiving and the recognition of the cows individual accurately were achieved, the travel of the equipment and precise feeding were realized. Automation and intellectualization were implementation. The experimental results showed that the best rate of the precise feeding machine was 0.6m/s. The recognition distance of card reader was 65 cm. The response time of machine was 0.4s. The control system can identify 96% of the single dairy cow correctly. The feeding error was controlled at below 2%.

Key words：single dairy cow； precise feeding； MCU； control system； self-propelled

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0179-05

中圖分類號(hào)：S818.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李亞萍(1980-)，女，黑龍江虎林人，講師，碩士，(E-mail)lyp_mac@shzu.edu.cn。通訊作者：蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2010GB2G410603)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技支疆項(xiàng)目(2013AB005)

收稿日期：2015-02-02