基于單片機(jī)的全混合日糧飼料稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張靜

（新疆維吾爾自治區(qū)哈密市檢驗(yàn)檢測中心，新疆哈密，839099）

0 引言

伴隨著我國畜牧業(yè)科技的高速發(fā)展，牲畜養(yǎng)殖過程開始從粗放型向集約型管理方向發(fā)展，奶牛的“養(yǎng)”與“管”也進(jìn)入一個(gè)嶄新的數(shù)字化管理時(shí)代。傳統(tǒng)奶牛飼喂技術(shù)對于各種營養(yǎng)的均衡供給很難達(dá)到，造成牲畜的營養(yǎng)不良，而且容易造成飼料有效成分的浪費(fèi)，不能達(dá)到預(yù)期的飼喂效果。奶牛的喂養(yǎng)不僅要滿足飼料量的供給，還要滿足各種營養(yǎng)元素的合理供給。所以怎樣滿足奶牛飼喂的科學(xué)化、合理化，是牧場實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、集約化、數(shù)字化面臨的主要問題。因此為了解決這一系列的問題，必須改變飼養(yǎng)方法，使飼喂過程自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。筆者設(shè)計(jì)了奶牛飼喂的全混合日糧飼料稱重系統(tǒng)。

1 全混合日糧(TMR)技術(shù)

全混合日糧(TMR)飼喂技術(shù)是一種利用現(xiàn)代化的自動(dòng)檢測技術(shù)，為了滿足奶牛生長過程中的最優(yōu)營養(yǎng)所需，將既定量的粗精飼料和各種添加元素等按照一定比例混合攪拌的飼養(yǎng)技術(shù)。使用TMR全混合日糧飼料攪拌車可以對奶牛進(jìn)行科學(xué)、合理的飼喂，降低牧場飼喂成本，減少飼料的浪費(fèi)，提高奶牛的產(chǎn)奶產(chǎn)量及質(zhì)量，增強(qiáng)奶牛的抗病能力。

2 稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

全混合日糧飼料的稱重系統(tǒng)的組成有：稱重傳感器、接線盒、電源線、數(shù)據(jù)線、報(bào)警器與打印機(jī)等。稱重系統(tǒng)的工作原理：稱重傳感器獲取料倉的總重量（除去料倉的自重就是飼料的重量），為了更好的方便后續(xù)數(shù)據(jù)的處理，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大器對信號(hào)進(jìn)行放大處理。在放大過程中，除了重量信號(hào)被放大以外，噪聲也同時(shí)放大，系統(tǒng)使用濾波器對放大后的信號(hào)進(jìn)行去噪處理。此時(shí)，濾波器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，通過A/D變換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)處理。經(jīng)過單片機(jī)處理將信號(hào)傳送到顯示器顯示，系統(tǒng)同時(shí)具有輸出打印功能。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 稱重系統(tǒng)的工作原理框圖

■2.2 檢測系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)選用的傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器，壓阻型傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬以及輸出信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)測量系統(tǒng)使用的三個(gè)呈“品”字型分布的傳感器，可以減少由于傳感信號(hào)不均勻?qū)е碌南到y(tǒng)誤差。實(shí)際飼喂過程中滿負(fù)荷時(shí)飼料的總重達(dá)到4000kg，又因?yàn)轱曃管囕v在行走的同時(shí)完成攪拌，因此會(huì)不可避免的導(dǎo)致微量的切斜和顛簸等因素造成所測的重量與實(shí)際重量不符的現(xiàn)象。所以選用的每一個(gè)傳感器的測量范圍選擇0～7000kg，選取傳感的中間1/3量程且在使用中三個(gè)傳感器呈并聯(lián)方式，單個(gè)傳感單元電路圖如圖2所示。檢測電路檢測出電阻應(yīng)變片電阻阻值的變化量，并將此變化量轉(zhuǎn)換成與外作用力成一定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)，通過信號(hào)處理和顯示電路輸出最終重量。系統(tǒng)電路原理圖見圖3所示。

圖2 傳感單元電路圖

圖3 系統(tǒng)電路原理圖

■2.3 硬件電路工作原理

系統(tǒng)硬件電路主要包括AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，LM2576和ICL7660電源電路，INA126放大電路、MAX187A/D轉(zhuǎn)換器電路和顯示電路。

2.3.1 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

AT89S51是一種常用的高性能的8位單片機(jī)，其具有低功耗、高密度和快速處理的特點(diǎn)。該單片機(jī)每部含有一個(gè)可編程序的4KB快速閃存，同時(shí)可以擦除RAM的8位COMS微處理器和非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，該系統(tǒng)可以與80C51單片系統(tǒng)的40個(gè)引腳和指令完全兼容。設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮晶振頻率，保證符合標(biāo)準(zhǔn)的通訊波特率（1200、4800、9600、19.2K等）。我們通過可供選擇的晶振所能產(chǎn)生的波特率，然后根據(jù)需要的波特率和系統(tǒng)要求選擇晶振。當(dāng)晶振頻率超過20M時(shí)，必須確保總線上的其它器件能夠在這種頻率下工作。當(dāng)工作頻率增加時(shí)，功耗也會(huì)增加，這點(diǎn)在使用電池作為電源的系統(tǒng)中應(yīng)充分考慮。綜合上分析AT89S51單片機(jī)滿足稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 ICL7660電源電路

電源采用以LM2576-5.0構(gòu)成的穩(wěn)壓電路并配合極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器ICL7660構(gòu)成電源電路，具有小功率，高轉(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)，其空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到99%以上，帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率損失低至5%左右。ICL7660是一種極性反轉(zhuǎn)小功率電源轉(zhuǎn)換電路。在工作頻率為10kHz時(shí)，靜態(tài)電流為170μA，輸入電壓范圍是1.5～10V，輸出電流范圍是10～2mA。擁有簡單的外部調(diào)整電路，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)多個(gè)單元實(shí)現(xiàn)多級(jí)加倍電壓輸出，符合稱重系統(tǒng)的供電要求。

2.3.3 INA126放大電路

INA126是一種精密的儀用放大器。通過使用兩個(gè)運(yùn)算放大器使其具有較低的靜態(tài)電流和較寬的電源范圍。稱重傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以對運(yùn)算放大器要求很高。該放大器具有較高的輸入阻抗為兩個(gè)輸入偏置電流提供通路。高輸入阻抗意味著輸入偏置電流隨輸入電壓的變化而變化。如果沒有偏置電流路徑，輸入將到達(dá)一個(gè)超過共模范圍的電勢。在高阻抗下，使用兩個(gè)等電阻提供平衡輸入，由于偏置電流降低輸入偏置電壓和更好的高頻共模抑制。我們已考慮可以采用第三種方案。所采用的專用儀表放大器我們選用INA126，由三個(gè)INA126放大器對三個(gè)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大輸出。

2.3.4 MAX187A/D轉(zhuǎn)換器電路

MAX187使用采樣/保持器（T/H）和逐次逼近寄存器（SAR）電路將一個(gè)模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字輸出。其輸入信號(hào)在0V～Vref之間，轉(zhuǎn)換時(shí)間包括T/H的采樣時(shí)間在內(nèi)為10μs。串行接口只需3根數(shù)字線：SCLK，CS和DOUT，與微處理器接口簡單方便，系統(tǒng)的三個(gè)傳感器信號(hào)分別采用3個(gè)MAX187電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，每個(gè)MAX187的參考電壓通過OP07來為三個(gè)傳感器供電，這樣可以最大限度的保證每個(gè)傳感器供電電壓的一致性，從而減少傳感器的測量誤差。

2.3.5 動(dòng)態(tài)顯示電路

本設(shè)計(jì)使用74LS04作為動(dòng)態(tài)顯示電路，顯示部分采用6個(gè)八段共陰帶有反相器的數(shù)碼管，具備180°相位翻轉(zhuǎn)功能。利用驅(qū)動(dòng)器74HC244驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，達(dá)到控制八段碼的目的。段驅(qū)動(dòng)器和位驅(qū)動(dòng)器同時(shí)發(fā)出有效信號(hào)才能點(diǎn)亮對應(yīng)段，否則就呈現(xiàn)不亮狀態(tài)。為了顯示字符和數(shù)字，要為LED顯示器提供顯示段碼，組成一個(gè)“8”字形的7段，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8段，因此提供LED 顯示器的顯示段碼為1個(gè)字節(jié)。顯示屏及其上位機(jī)采用由深圳昆侖通泰科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為：TPC7063TD/TX的一體化電阻式觸摸屏，分辨率為800×480，內(nèi)存為128M，供電電壓為24V，通過一個(gè)DC/DC直流轉(zhuǎn)化器就可以直接使用拖拉機(jī)的電源。上位機(jī)的提出一方面為了方便駕駛員在駕駛室能夠直接觀察到飼料的配方以及每組配方各成分的重量，另一方面駕駛員能夠直接在上位機(jī)輸入新飼料的配方，以及對配方的修改、打印等操作，不但能提高工作效率，而且更加符合了以人為本的管理理念。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序的流程如圖4所述。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)開始運(yùn)行后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序階段，軟件運(yùn)行過程中對所有的硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換程序，將三個(gè)稱重傳感器采集出來的重量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)輸入AT89S51單片機(jī)處理，其中系統(tǒng)還要通過濾波電路對測量過程中產(chǎn)生的噪聲行行濾波處理，使得信號(hào)更真實(shí)有效。通過單片機(jī)系統(tǒng)處理后的飼料重量數(shù)據(jù)，再經(jīng)過BCD碼轉(zhuǎn)換后，通過顯示程序?qū)⒆罱K的重量信息顯示出來，最終直觀的顯示給工作人員的觀測，同時(shí)系統(tǒng)具備測試數(shù)據(jù)結(jié)果輸出打印功能，可以使技術(shù)人員更好將數(shù)據(jù)存檔。最終達(dá)到準(zhǔn)確的稱重和飼料的合理配比，確保奶牛采食的每一口日糧都是營養(yǎng)均衡的日糧。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序的流程如圖4所示。

圖4 主程序的流程圖

4 測試過程分析

圖5 系統(tǒng)樣機(jī)

下面主要介紹稱重系統(tǒng)的試驗(yàn)過程。制造的樣機(jī)如圖5所示，稱重系統(tǒng)工作正常與否直接關(guān)系到飼料的營養(yǎng)配比，營養(yǎng)配比的合理與否直接影響奶牛的產(chǎn)奶數(shù)量和質(zhì)量。所以稱重系統(tǒng)的可靠與否、準(zhǔn)確與否就顯得非常重要。試驗(yàn)過程中采用對比稱重的方法對稱重系統(tǒng)進(jìn)行考核。首先把要攪拌的飼料提前在電子秤上稱好重量，我們叫飼料的“參考重量”。然后把稱好的料裝進(jìn)樣機(jī)的料箱內(nèi)，加料時(shí)先把稱重界面清“0”。由于加料時(shí)必須要求攪龍旋轉(zhuǎn)起來，所以每次向料箱里加料時(shí)，稱重系統(tǒng)顯示的數(shù)值都有波動(dòng)，所以需要等數(shù)值波動(dòng)浮動(dòng)一致后，記錄好最大值和最小值并求出平均值，這個(gè)值我們叫做“試驗(yàn)重量”，用“試驗(yàn)重量”減去“參考重量”之差作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，在這里我們要求當(dāng)10≥試驗(yàn)重量-參考重量≥-10時(shí)符合要求，得出稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。