高精度自动挤奶计量检测装置

东忠阁，王 军，蔡晓华，吴泽全，刘俊杰，杨存志

( 1.哈尔滨博纳科技有限公司，哈尔滨 150081；2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)



高精度自动挤奶计量检测装置

东忠阁1，王 军2，蔡晓华2，吴泽全2，刘俊杰2，杨存志2

( 1.哈尔滨博纳科技有限公司，哈尔滨 150081；2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

根据目前国内挤奶机械化的需求，研制了精密自动挤奶计量装置。该装置能够在奶牛挤奶完成后自动计量产奶量，将数据存储显示并通过CAN总线技术直接传输给上位机。系统采用计量杯式装置及磁浮子传感器相结合的方法进行奶量的测量，同时采用二电极方法进行奶牛的电导率检测，从而对奶牛乳房炎进行预判断。该装置其能够实现非接触的自动快速计量，作为奶采集量的自动计量装置具有检测精度高、电路可靠性好且使用方便、不需人工参与及检测流程清洁卫生等特点，降低了劳动强度，提高了挤奶效率。

挤奶计量装置；CAN总线；计量杯式；磁浮子传感器；电导率检测

0 引言

随着现代化牧场的不断发展，高科技已经被牧场日常工作所使用，而挤奶机是奶场生产管理中保证产量最大化、质量最优化的核心部分。目前，国内外挤奶设备多采用动态法测量产奶量。例如，光电法检测流量，采用发光二极管与光敏二极管组合阵列，通过分析奶流经过管路截面中光线信号强弱，利用算法计算出奶流速；容积式流量计，采用点接触型传感器进行液位控制，通过设置液位高低阈值(即上下限值)作为每次容积计量的基础，实现对奶液的测量。但上述测量装置未考虑奶续流问题对测量的影响，且精度误差指标只能保证在±1.5%～±3.0%之间。由于挤奶机计量装置涉及到奶场的利益结算，且长期机械操作会致使奶牛患乳房炎的几率提高，对奶牛的健康和生产效率带来极大的影响。为此，研制了高精度智能挤奶检测装置，采用计量定容装置与磁浮子传感器相结合的方法组成检测系统，减少了奶续流问题和奶残留时对精度的影响，在测量奶量的同时检测电导率来判断奶牛乳房炎，做到了真正地早发现、早治疗。

1 总体设计方案

挤奶机系统主要由奶液进给杯式定容装置、高精度磁性浮子液位传感器、电导率检测单元、单片机控制显示系统和CAN总线通信单元等组成，如图1所示。

图1 系统整体框图

挤奶时，单片机控制显示系统检测根据液位传感器输出信号，从而控制杯式定容装置，通过计算定容腔室中的奶液排放次数及结合最后奶杯中残留的奶液高度来获取最终奶液的质量并显示出来。同时，在每次排奶时，经电导率检测装置来获取当前奶牛的电导率数据。当挤奶过程完成后，单片机系统将本次奶牛测量的数据存储并通过CAN总线传出给上位机，由上位机记录当前奶牛的数据。

2 硬件系统设计

2.1 单片机控制系统

本挤奶机控制系统以PIC16F877A单片机为核心，其内部集成10位8通道A/D转换器，3个定时器模块，通过软件编程实现其对外围电路的实时控制和多路模拟量采集，其系统组成如图2所示。

整个控制器主要由控制单元与驱动执行机构两部分组成。控制单元由PIC单片机、4×3矩阵按键，以及两组用户操作键组成；驱动执行部件由电脉动控制器、操作显示灯组、LCD液晶显示及电磁阀组构成。当有奶牛进入挤奶位置时，上位机将射频识别的奶牛编号及信息经CAN总线传送给单片机，单片机接收该头奶牛的编号和信息并显示在LCD12864液晶屏上；操作员根据显示的信息来判断该头奶牛的情况(如奶牛是否患有乳房炎、该头奶牛是否处于发情期或是该头奶牛是否为公牛)并操作独立按键是否对其进行挤奶。挤奶时，对应操作模式(自动/手动)显示灯组将点亮，单片机控制脉动频率和相应的电磁阀组通断来完成挤奶。

图2 单片机控制系统框图

2.2 CAN总线模块设计

控制器局域网(CAN，Controller Area Network)的应用领域涉及高速网络到低成本多路传输网络，涉及众多应用领域。CAN总线有两个或多个节点组成，总线逻辑对应“线与”机制，“隐性”位(逻辑电平“1”)，被“显性”位(逻辑电平“0”)。只要没有总线节点在发送显性位，总线处于隐性状态，但只要任何总线节点发送显性位，总线线路即处于显性状态。因此，任一节点可在任一时刻主动发送，这是CAN总线灵活通信方式的基础；信息以标识符分为不同的优先级，可满足不同的实时性要求，速率最高可达1Mb/s。

本系统控制核心芯片PIC16F877A无内置CAN总线控制器和CAN收发器，因此选用MCP2515和TJA1050作为总线通讯系统的控制器和收发器。CAN通信如图3所示。节点采用的是11位标准数据帧格式，电脑主机的通讯地址ID为001，MCP2515节点ID验收滤波寄存器配置为只接收001地址信息，其通信波特率为125kbps，各节点均工作在正常模式。

2.3 液位测量电路设计

液位测量技术在工程领域的应用极为广泛，根据各种方式的需求来设计完成，其结构形式、量程范围和测量精度适用于各种不同的场合；但大多数结构较为复杂，制造成本偏高。由于乳计量装置中为真空设计，测量空间有限，且测量电路不能与牛乳直接接触，因此采用磁性浮子液位测量的方法。

图3 CAN通讯系统设计

SS49E线性霍尔效应传感器是一款体积小巧、功能多样的线性霍尔效应传感器，可在永久性磁体或电磁体产生的磁场下工作。线性输出电压根据给定电源电压并随磁场强度的变化而等比例改变。该元件集成电路设计输出噪声低，这使得该器件在输出端不必使用外部电路进行过滤。由图4可看出：温度保持不变且在稳定5V供电条件下，无磁场时传感器输出的初始电压值为2.5V；随着磁感应强度的增大和变小，其输出电压呈线性上升或下降关系。计量装置具体测量原理如图5所示。

图4 SS49E输出电压与磁场强度曲线

图5 奶计装置检测原理

液位测量原理图中采用浮子与SS49E线性霍尔效应传感器相结合的方法进行测量。为了防止对挤奶设备清洗过程中的水温过高导致浮子外壳变形损坏，选用耐热PVC塑料，其密度低于1.0，保证漂浮在牛奶液位上，内部嵌有特定磁感应强度的磁环。探针通过磁性浮子中轴线，Sensor1和Sensor2为上述提到的传感器SS49E。针对所选用磁环，每个磁性霍尔元件测量的最大量程为20mm，超出此范围后，传感器将感应不到浮子中的磁感应强度。 为了能够达到测量要求，采用两个霍尔传感器来共同测量液位，其液位测量范围可达到40mm。无奶时，浮子位于探针底部，磁感应强度未进入传感器检测范围，其输出电压为初始值2.50V。随着奶液的注入，磁性浮子由下至上，沿探针Y轴上升，进入传感器的测量范围，传感器感应到磁场强度对应电压从初始值开始增加，此时为霍尔元件测量的上升阶段；当浮子移动到霍尔元件的正中央时，此时输出的信号为最大约为2.7V，随着磁性浮子渐渐远离霍尔元件中心点，其对应的输出信号会慢慢减小直到变为初始值2.5V，此过程为传感器测量的下降阶段。为了防止出现检测死区，要求保证在Sensor1下降阶段输出信号变为初始值前，Sensor2能够在其测量的上升阶段感应到磁场强度，输出相应的电压信号。当浮子位于Sensor2下降阶段设定电压时(此电压阈值必须满足排满定容腔室且保证排奶后浮子下降位置在传感器检测范围内)，打开奶计量定容装置中注奶腔和定容腔室阀门，关闭出奶口；延时一段时间，使上腔室中的奶液能够注满下定容腔，保证定容腔每次排奶量的准确性；延时结束后，迅速关闭上下腔室阀门，奶液继续注入浮子上升，直到再次打开上下腔室阀门从而注满定容腔，如此反复执行。当进奶量不能致使浮子上升到Sensor2下降阶段设定阈值电压时，由单片机检测各传感器所处阶段对应输出电压并计算出当前计量杯内残存奶量；最后，与排放次数相结合计算出当前奶牛产奶量。

浮子接近或远离磁性霍尔元件时，其输出的电压变化是非常微弱的，不便于直接测量。在此过程中需要对信号进行调理，以便于单片机测量，如图6所示。电路中采用运放将传感器输出的信号进行比较和放大后送给单片机，单片机A/D转换将模拟量转换成数字量进行测量和控制。

图6 信号处理电路

2.4 电导率电路设计

目前，被讨论最多的是用来检测乳房炎的传感器，人们已经对测试牛奶电导率来检测乳房炎的传感器进行过评估。电导率的不同可作为检查乳房炎的一个粗略信号，当牛的乳腺出现感染时，牛奶的导电粒子增加，导致电导率增加，通过检测牛奶导电性的变化可以用于乳房炎的诊断。系统在挤奶的同时采用二电极法测量电导率，其检测电路如图7所示。

通过对安装在奶罐定腔室中不锈钢电极头(2电极)发送固定的频率交流方波脉冲，74HC4060产生频率为f=11.72kHz的激励信号，占空比q=50%，其幅值为5V，通过555电路进行整形后，再经RC高通滤波器转换成幅值为±2.5V的交流方波信号。由于激励信号采用交流方波，且幅值很小，有效地消除了溶液等效电路中的极化效应和双层电容的影响。检测电路对反馈出来的交流电压进行比较、放大和整流，经单片机A/D测量出对应的电压，判断其是否患有乳房炎或隐性乳房炎，并发送给系统主机，将此头奶牛单独进行治疗。实现奶牛隐性乳房炎的判断，其方法测量简单，不需用户手动测量，在一定程度上可以代替体细胞试剂检测。

3 软件拟合及其误差分析

本设计中奶液的测量装置采用定容腔与液位传感器结合的方法来实现测量。随着奶液流入杯式奶罐中，传感器会随着奶液的不断注入产生连续的模拟信号，此信号经单片机的A/D端口进行实时检测；当液位达到奶罐上腔室的上限时，单片机根据传感器反馈来的信号控制电磁阀通断，进而控制位于上腔室和定容腔室的阀门打开，延时一段时间(约1.5s)来确保定容腔室的奶液注满，再控制关闭上腔室和定容腔室的阀门。如此反复，直到检测到流量低于阀值，从而关闭集乳器不再进奶。此时，通过检测定容腔的排奶次数以及浮子最后停留的位置即可计算出实际奶的质量。定容腔设定的奶量为324.5g，而浮子停留的位置所代表的质量由单片机测量磁性传感输出的模拟信号标定得出的，如表1所示。

表1 液位重量与2路传感器输出模拟值

表1中，每路传感器有两种状态，上升和下降状态，当磁性浮子接近和原理传感器时，传感器将会感应到模拟量并输出，单片机检测到A/D的数值是传感器输出模拟放大后的值。在表1中可以看出：随着入奶罐中的质量增加，SENSOR1上升阶段初始感应值为60，SENSOR2下降阶段的最低感应值为62，当系统测量到此数值时，即操控阀门打开使上腔室中的奶液流入定容腔室中。传感器对应的上升阶段和下降阶段的数值是变化的，将液位质量与A/D采样值分别代入Y轴和X轴，由MatLab最小二乘法曲线拟合的图形如图8和图9所示。

图8 Sensor 1上升和下降阶段拟合曲线

图9 Sensor 2上升和下降阶段拟合曲线

从MatLab拟合出来的图形上可以看出：其直线是呈线性上升或下降的，坐标点与拟合后的直线所处位置偏差较小能够作为液位对应质量的计算关系。其对应的计算关系式为y1=0.4308x+163.8，y2=-0.4509x+348.1，y3=0.4913x+336.7，y4=-0.5212+554.8。将此关系式加入到单片机算法中，根据算法可实时判断流速根据设置的阈值，可自动进行脱杯来停止挤奶，并且测量出每头牛的实际出奶质量。本装置测量的数值与称重器上的数值误差如表2所示。

从表2系统测量的数据与实际称重器上的数据分析对比能够看出：本测量装置误差在±5‰以下，与国外产品测量误差指标在±1.5%～±3.0%相比,产品误差小，能够实现奶场测量对高精度的要求。

表 2 测量误差比较

4 结论

1)采用定容装置与传感器模拟量相结合的方法，有效地解决了奶的续流问题对计量的影响，测量精度高(小于或等于±5‰)，工作性能稳定。

2)本装置可实时测量流速自动进行脱杯控制，可根据电导率数据对奶牛是否患有乳房炎进行预判断，通过CAN总线将奶牛信息传送给上位机，节省了人工成本，提高了生产效率。

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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”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B10)

东忠阁(1986-),男，黑龙江佳木斯人，硕士，(E-mail) dongzhongge@163.com。

蔡晓华(1968-)，男，哈尔滨人，研究员级高级工程师，硕士生导师，(E-mail)cxh_0206@163.com。

S817.3

A

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