黑水虻自动清洗装置控制系统设计

廖家骏，王淼鑫，彭杨航，刘华，常若葵

黑水虻自动清洗装置控制系统设计

廖家骏，王淼鑫，彭杨航，刘华通信作者，常若葵

（天津农学院 工程技术学院，天津 300392）

为了解决黑水虻幼虫深加工产业中清洗装置占地面积大、自动化程度不高以及人工劳动强度大的问题，本文提出了一种适用于黑水虻自动清洗装置控制系统的设计。该系统由单片机、液位传感器、人机交互界面、超声波振动模块和蓝牙传输模块等构成。以STC15W4K58S4单片机为核心，采用串口屏加蓝牙APP的控制方式，自动包括水循环、上料卸料、清洗的一次清洗动作，并在按下停止按钮前循环进行清洗作业。试验测试结果表明：系统样机在对50 g黑水虻进行清洗时，清洗时长为12 min时清洗效果达到最佳，实现了清洗过程自动化、可视化，能够降低工作人员的劳动强度，而且大大提升了黑水虻清洗效率。

黑水虻；清洗；超声波

黑水虻是一种腐食性昆虫，生长在以动物粪便、餐厨垃圾为主的饲料中。这些饲料往往蕴含多种细菌，所以在进行黑水虻深加工前最重要的工作就是对黑水虻的清洗[1-2]。一般的清洗方式需要先用清水洗黑水虻幼虫2～3遍，再放到滤网上控水。但这种方式耗时且人工成本高，所以设计一台能够自动清洗黑水虻的装置能大大提高黑水虻生产加工效率。

市场上现有的黑水虻清洗装置主要有两种：①利用浸泡仓和清洗罐，电机驱动旋转清洗罐，使得黑水虻和污渍在水力旋转作用下分离；②利用大型传送带和清洗池相结合，传送带带动黑水虻运动，通过清洗池中的喷头和气泵的作用下使黑水虻和污渍分离。这两种方式需要人工上料卸料，自动化程度低，人工成本高，且传送带和清洗池占用的空间太大，不适合小型生产户。

本装置针对现有清洗装置[3]的不足，设计了以超声波为清洗方式的清洗装置。从自动控制、清洗方式和数据监控等方面入手，以单片机为核心，实现黑水虻清洗过程的自动化、可视化。同时，在系统基础上加入了远程监控、水位监控[4-7]、水循环[8-9]等功能。该系统简单易行，适合在黑水虻养殖加工行业中推广应用。

1 硬件系统

1.1 硬件系统总体思路

系统主要由以下模块组成：

（1）控制单元：负责装置整体的控制，是整个装置的核心模块。

（2）超声波清洗模块：用来实现装置的清洗功能。

（3）上料卸料模块：使用步进电机驱动配合链式传动，实现装置的上料卸料功能。

（4）蓝牙模块：建立装置与移动端蓝牙APP之间的通信，实现利用蓝牙APP控制装置运行和获取装置数据的功能。

（5）串口屏显示模块：建立装置与串口屏之间的通信，实现利用串口屏控制装置运行和获取装置数据的功能。

（6）水位检测模块：用来检测装置清洗池中水位的高低，实现装置检测水位的功能。

（7）水循环模块：用来实现装置的自动换水功能。

本系统结构框图如图1所示。

图1 系统总设计结构框图

控制单元主要进行对装置各功能模块的控制和对传感器模块采集到的数据进行处理并且输出给串口屏模块和蓝牙模块。其功能的实现需要完成硬件的搭建、电源的供给、编写程序、烧录程序等工作。在硬件的连接上分为输入和输出两部分，输入包括各传感模块的连接，输出部分为串口屏的连接和蓝牙模块的连接。电源由连接的开关电源供给。

1.2 主要硬件模块

1.2.1 清洗模块

超声波清洗模块主要作用就是实现装置的清洗功能。根据超声波振子频率选择中高频（33～60 kHz）时被清洗物污垢较轻的原则，本装置在试验中选用50 W/40 kHz的超声波振子，实物如 图2所示。由于超声波振子需要直流供电，所以清洗模块是由超声波振子和一个AC220V转DC24V模块组成，如图3所示。

图2 超声波振子实物图

图3 电源转换模块

注：超声波振子处于两块黑色瓷片中间的为正极，靠近金属件的为负极

1.2.2 水循环模块

水循环模块的功能是进行清洗液的更换使用，由TS-300B浊度传感器和抽水泵结合水位检测模块实现该功能。其接口包括VCC、TR和IR，与信号调理电路（如图4）连接后，可实现模拟信号和数字信号的输出。其中，模拟信号输出范围为0～4.5 V。

图4 浊度传感器信号调理电路

当单片机采集到浊度传感器信号达到预设值后，通过继电器模块控制抽水泵运行将实现清洗槽中的水循环工作。

1.2.3 水位检测模块

水位检测模块的功能是检测当前清洗池的水位高度，由液位传感器和信号调理电路组成。系统中选用一款简单易用的电阻式液位检测传感器，在该传感器的表面排布有一系列平行的导线，线迹测量其液位大小从而判断水位。通过LM393调理电路实现模拟信号输出Aout与数字信号输出Dout （如图5）。

图5 液位传感器调理电路

注：D1是电源指示灯；D2为数字信号输出指示灯。RV1用于调节参考电压；VR1、VR2实现比较电路的输入信号调节

2 系统的软件设计

2.1 串口屏控制界面设计

在现场，可以通过串口屏实现对设备的控制与信息观测，因此系统通过USART HMI软件，对串口屏的界面进行设计，设定好所需要的控件后，给控件添加上相关图片。

串口屏界面作为用户控制装置的途径之一，在本装置中需实现以下基本功能：

（1）控制装置的运行：包括开始和停止功能，用于控制系统的启停。

（2）显示装置水位情况：主要进行示意图显示。

当开始清洗按钮被按下时，触发该按钮的按下事件里的相关程序，即向单片机发送控制指令，实现串口屏对装置的控制，串口屏界面如图6。

图6 串口屏界面

2.2 手机蓝牙APP控制界面设计

为了实现远程监控，本装置采用手机蓝牙APP系统。当手机和装置的蓝牙模块进行配对连接后，就可以通过手机的蓝牙控制APP，添加调试工程，并且给工程添加对应的数据类型。

蓝牙APP控制界面作为用户控制装置的途径之一，需要实现的功能有：

（1）控制装置的运行。

（2）百分比数字显示清洗池水位情况。

（3）控制装置紧急停止。

给按钮添加一个int类型的发送数据，按下按钮后就会向串口发送所设置int类型的数据，即向连接串口的单片机发送数据，当单片机收到数据后触发对应的函数，实现用蓝牙控制装置的目的。蓝牙APP控制界面如图7所示。

图7 蓝牙APP控制界面

2.3 单片机开发流程图

本设计中，单片机一是用来接收传感器获取的数据，并且将数据处理后发送给串口屏和蓝牙模块；二是接收串口屏和蓝牙模块发送过来的控制信号，控制继电器模块进行相应的操作。单片机开发流程如图8所示。

图8 单片机开发流程图

3 系统测试

为了测试装置的清洗效果，选用与黑水虻生长环境类似的蚯蚓作为试验对象，保持清洗环境的一致，改变清洗时长，对比清洗效果。

设计测试方案如下：

（1）将获取到的试验对象称量后进行分组，保证每组试验清洗量一致。

（2）在保证清洗环境一致的条件下，让每组清洗时间线性增加，并且进行重复多次测试。

（3）记录试验结果并进行分析。

测试过程如下：

（1）每组称取50 g试验对象。

（2）根据方案制定的内容进行测试，每个时间段重复测试4次，测试如图9所示，不同清洗时间效果如图10、11所示，试验情况记录如表1所示。通过试验对比，本装置清洗12 min的效果最佳。

图9 清洗试验过程

图10 清洗4、6、8 min效果图

图11 清洗10、12、14 min效果图

表1 清洗效果对比表

序号清洗时长/min清洗效果 14差 26差 38中 410良 512优 614优

4 结论

本研究提出了适用于黑水虻自动清洗装置控制系统方案，实现了现场与远程数据的实时监控；系统以单片机作为控制核心，实现了自动清洗、水循环、水位监测功能；完成了串口屏控制装置运行、停止和水位监测的功能；设计了手机蓝牙控制界面，实现通过手机远程控制装置运行、停止和水位监测的功能。通过清洗装置样机的试验测试表明，样机清洗效果符合设计要求。

[1] 周海泳，朱剑锋，祁姣姣，等. 食用和饲用昆虫的安全性分析[J]. 广东饲料，2021，30（7）：27-31.

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[3] 杜文圣，吕传毅，贺磊. 摆动喷淋式蚯蚓清洗装置研究[J]. 中国农机化学报，2014，35（3）：49-52.

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[9] 李辉东. 基于CoBIT循环冷却水设备监控系统的设 计[D]. 兰州：西北师范大学，2014.

Design of automatic cleaning device for

Liao Jiajun, Wang Miaoxin, Peng Yanghang, Liu HuaCorresponding Author, Chang Ruokui

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

In order to solve the problems of large area, low degree of automation and strong manual labor of the cleaning device in the deep processing industry of, a design of the control system for the automatic cleaning device ofis proposed in this paper. The system consists of single chip microcomputer, liquid level sensor, man-machine interface, ultrasonic vibration module and Bluetooth transmission module.The single-chip microcomputer is used as the control core, and the control mode of serial port screen and Bluetooth APP is adopted to automatically complete a cleaning action including water circulation, loading and unloading, and cleaning, and cycle the cleaning operation before pressing the stop button. The experimental results showed that the cleaning effect of the system prototype was the best when the cleaning time was 12 minutes when 50 g ofwas cleaned. It realizes the automation and visualization of the cleaning process, reduces the labor intensity of the staff, and greatly improves the cleaning efficiency of.

; cleaning;ultrasonic

1008-5394（2023）02-0054-04

10.19640/j.cnki.jtau.2023.02.011

TP23

A

2022-05-09

国家级大学生创新训练计划项目（202110061009）；教育部高等教育司产学合作协同育人项目（202102507002）

廖家骏（2000—），男，本科在读，主要从事测控技术与仪器方向。E-mail：1904084441 @qq.com。

刘华（1977—），女，高级实验师，硕士，主要从事分析仪器维护的理论研究与实践、电力电子与电气传动方向研究以及智能农机装备设计。E-mail：41599386@qq.com。

责任编辑：杨霞