智能化畜牧养殖控制系统.docx
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智能化畜牧养殖控制系统
智能化畜牧养殖控制系统
摘要
为提高畜牧业养殖智能化管理，设计了智能化人机交互畜牧养殖控制系统。
本系统包括刮板控制系统、智能控制平台和labview上位机界面。
刮板控制系统由刮板、限位开关、霍尔元件、三相电机等组成。
其工作是通过上位机发送数据对刮板控制器进行操作，简单可靠，人机交互界面操作简单，数据接收可靠，实时监控刮板的控制。
通过电机控制刮板的运行方向，改变刮板转动模式，可以使固液直接分离，可以减少污水处理的成本并且减少污水处理量。
根据传送的数据观察刮板的运行，防止机器出现故障。
除此之外，该系统还配有dht11, MQ-3等传感器，通过数据采集模块检测环境气体的浓度和环境的温度，若超出范围则警报，并且设备进行一定的操作，做到防范于未然。
该智能控制平台还配有智能给水给料，通过使用water传感器检测水位，给予适量的水。
检测食物的高度，给予适当的料。
对于该系统的安全性我们使用转角轮结合霍尔元件，通过磁效应，检测电机转动的速度，根据速度的变化霍尔元件会输出不同的TTL电平。
如若电机转速不同，则智能化畜牧养殖系统会停止工作。
上位机界面通过串口通信显示系统当前的状态参数，该界面的设计更加人性化，用户使用更简单[1]。
该系统还配有断电保护措施，可以实现生活环境24小时自动控制。
智能化的排粪，可以提高工作效率，减少人工工作量，减少污染，防止瘟疫等疾病的发生。
智能化养殖控制系统在我国畜牧业规模化养殖的作用不可估量。
关键词:
刮板三相电机上位机界面霍尔元件
IntelligentLivestockBreedingControlSystem
Abstract
Inordertoimprovetheintelligentmanagementofanimalhusbandry,anintelligentman-machineinteractiveanimalhusbandrycontrolsystemwasdesigned.Thissystemincludesscrapercontrolsystem,intelligentcontrolplatformandlabviewuppercomputerinterface.Thescrapercontrolsystemconsistsofscraper,limitswitch,Hallelement,three-phasemotor,etc.Itsworkistooperatethescrapercontrollerthroughthedatasentbytheuppercomputer,whichissimpleandreliable,theman-machineinteractioninterfaceissimpletooperate,thedatareceptionisreliable,andthecontrolofthescraperismonitoredinrealtime.Bycontrollingtherunningdirectionofthescraperandchangingtherotationmodeofthescraperthroughamotor,thesolidandliquidcanbedirectlyseparated,thecostofsewagetreatmentcanbereduced,andthesewagetreatmentquantitycanbereduced.Observetheoperationofthescraperaccordingtothetransmitteddatatopreventthemachinefrommalfunctioning.Inaddition,thesystemisalsoequippedwithdht11,MQ-3andothersensors.Throughthedataacquisitionmodule,theconcentrationofambientgasandthetemperatureoftheenvironmentaredetected.Ifitexceedstherange,analarmwillbegivenandtheequipmentwillbeoperatedtopreventtheoccurrenceofaccidents.Theintelligentcontrolplatformisalsoequippedwithintelligentfeedwater,whichusesawatersensortodetectthewaterlevelandgiveappropriateamountofwater.Checktheheightoffoodandgiveappropriatematerials.Forthesafetyofthesystem,weusethecornerwheelcombinedwithHallelementtodetecttherotationspeedofthemotorthroughmagneticeffect,andtheHallelementwilloutputdifferentTTLlevelsaccordingtothechangeofspeed.Ifthemotorspeedisdifferent,theintelligentlivestockbreedingsystemwillstopworking.Theuppercomputerinterfacedisplaysthecurrentstateparametersofthesystemthroughserialcommunication.Thedesignoftheinterfaceismorehumanizedandtheusercanuseitmoresimply[1].Thesystemisalsoequippedwithpower-offprotectionmeasures,whichcanrealize24-hourautomaticcontroloflivingenvironment.Intelligentdefecationcanimproveworkefficiency,reducelaborworkload,reducepollutionandpreventdiseasessuchasplague.Theroleofintelligentbreedingcontrolsysteminlarge-scalebreedingofanimalhusbandryinChinaisimmeasurable.
Keywords:
Scraperthree-phasemotoruppercomputerinterfaceHallelement
1绪论
1.1选题研究意义
四十年来，畜牧业与我国经济的发展紧密相连，中国已发展到现在形成了以小规模散养户为个体，养殖户养殖为主体的养殖模式，但中国畜牧养殖业主要以个体养殖户养殖为主体，畜牧养殖散养户普遍处于劣势地位。
一方面由于散养户的养殖设备落后，粗放管理，所导致畜牧生产的质量问题时有发生，严重制约着畜牧业的发展，造成畜牧养殖市场的价格不正常波动[2]。
另一方面是由于现在的畜牧养殖设备没有办法满足当今中国的畜牧养殖模式，无法满足实际生产的要求，相比起大规模养殖户，个体养殖户资金匮乏无法承担高昂的养殖成本。
因此我们要采用现代科学技术进行智能化养殖代替传统的粗放型养殖，畜牧养殖人员必需从观念上充分的认识，从技术上不断地加强研究[3]。
智能化畜牧养殖控制系统正是基于当下畜牧业发展的实情所研发的一款系统，它是畜牧业自动化的重要发展方向[4]。
而要想使智能化畜牧养殖控制系统应用于实际生产过程中，就必须需要方便快捷的控制系统，而相比于传统的畜牧控制系统，智能化畜牧养殖控制系统具有很大的优势。
使用远程上位机系统来控制刮板进行除粪和环境监测[5]，在保护养殖人员的健康，降低成本，增加养殖人员的收入有巨大的成果。
传统的养殖方式需要养殖人员人工除粪，粪便会产生大量有害气体，在一定程度上会损害畜牧养殖人员的身体健康，更会造成极为严重的环境污染[6]。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内发展情况
相比于国外对于畜牧养殖控制系统的研究，我国对畜牧养殖控制系统的研究起步较晚，主要在20世纪60才正式开始发展，“十五”时期我国畜牧养殖业开始走向产业化道路，向现代化智能养殖转变[7]。
当前国内也存在许多的科研团队和企业对智能化畜牧养殖进行了深入的研究，但受到我国科技实力的影响，畜牧养殖控制系统发展缓慢[8]。
国内的一些大型畜牧养殖企业仍采用人工操作机械进行除粪，工作效率低下，与国外大型畜牧养殖企业相比具有很大的差距[9]。
智能化养殖控制系统在我国畜牧业规模化养殖的作用不可估量。
1.2.2国外发展情况
世界著名的畜牧机械的生产厂商主要是美国的凯斯公司（CASE）、以及北欧的Valtra[10]。
在畜牧业发达的欧美国家，由于许多大型畜牧养殖企业的存在，促使畜牧养殖控制系统得到全面、快速的发展。
由于欧美等发达国家的经济实力强，在畜牧养殖自动化方面投入了大量的资金和科研力量[11]，所以智能化畜牧养殖控制系统在国外发展迅速，具有操作灵活、作业效率高等一系列优点。
1.3研究内容及技术指标
1.3.1研究内容
设计以STC15W4K58S4为主控芯片的智能化畜牧养殖控制系统，该系统可以通过上位机终端发送数据对刮板控制器操作，简单可靠，人机交互界面操作简单，通过独特的数据校检机制，大大降低了数据丢失或采集错误对系统运行的影响，能够实现上位机远程遥控设备的运行[12]，实时监控刮板的控制，对其发送相应的指令。
通过电机控制刮板的运行方向，改变刮板转动模式，可以使固液直接分离，可以减少污水处理的成本，减少污水处理量。
根据传送的数据观察刮板的运行，防止机器出现故障。
通过数传模块将设备运行的数据发送到上位机并显示出来，实时监测设备的运行，安全可靠，通过数据采集模块检测环境气体的浓度和环境的温度，若超出范围将会发出警报，并且设备进行一定的操作，做到防范于未然[13]。
1.3.2技术指标
以STC15W4K58S4为主控芯片设计智能化畜牧养殖控制系统，主要是由无线数传模块、刮板控制器、环境监控系统、人机交互界面四部分组成。
用户可以对畜牧养殖环境进行实时监控。
该系统对畜牧养殖进行智能化管理。
其技术指标主要有五点。
1.实现该系统给料、给水、排粪等环节的全自动化。
2.使用大功率数传，通过数据采集和传输来准确分析当前系统所处环境的各个参数。
3.通过对氨气、氧气及有害气体的检测，以及对空气湿度等方面的综合分析准确得到当前系统的所处环境状态，与系统所处理的环境状态相对比，快速准确的进行调整。
4.通过无线数传模块传到PC终端上，用上位机分析数据并显示。
5.制作出更加简单方便的上位机控制界面。
2系统设计方案
2.1系统设计原则
⑴在设计系统时，软硬件的设计应该符合时代的潮流[14]；
⑵在设计系统时，应当全面的考虑安全系统，对于小故障可以系统自我修复，对于大型故障系统要及时发出警报，留有警报系统。
⑶在设计系统时，应该全面的考虑成本问题，在保证系统开发质量的同时尽可能的从各个方面节约成本[15]；
⑷在设计系统时，应当设计系统的自修复能力，在系统发生错误时能够准确快速的找出所发生的错误，并且进行自我修复；
⑸在设计系统时，软件和硬件应支持二次开发，硬件系统预留出与外设通信接口，软件系统应具有较强的兼容性和可移植性。
2.2总体系统设计方案
系统以STC15W4K58S4为主控芯片，通过气体传感器，湿度传感器，温度传感器等对养殖环境进行监控，并将养殖环境各个参数通过无线数传模块传输至PC终端显示，通过上位机终端监控现场设备运行状态并判断系统所处状态是否正常，若正常，则继续监测系统所处环境状态，并实时传输数据。
若不正常，则由上位机直接发出操纵命令，通过下位机做出相关机械动作，使之达到系统正常状态。
例如，当计量装置所反馈的数值低于正常值时，电机将带动刮板链条，自动输料。
总体的系统结构如图2-1所示。
图2-1系统结构图
2.3软件架构设计
系统根据实际应用所需要的各个功能来设计软件，将实际问题模块化并赋予给每个变量。
系统设计时应先将串口的I/O口初始化，再根据实际需要设计畜牧环境监控函数，接收数据函数，发送数据函数，刮粪板控制函数，应急控制函数，最后在编写主函数。
程序架构设计如图2-2所示。
图2-2程序架构图
2.4硬件架构设计
380V三相交流电控制三相交流电机带动整个刮粪板运动，380V交流电经过光耦隔离与降压模块后给CPU供电，CPU根据畜牧环境监控系统和232转TTL模块所接收的数据和命令来控制对应的动作，控制整个畜牧养殖控制系统做出相应的反应，使硬件模块完成功能。
使用DS1302进行时间的显示，以及通过按键更改时间，并且设备上有指定模式显示的指示灯。
使用EEPROM对数据进行保存，防止丢失上一次设置的运行状态。
通过继电器和MOS管控制电机，通过实现常闭常开的动作，实现电机的正反转功能。
通过霍尔元件检测设备是否正常运行，更改引脚的高低电平，实现检测限位开关是否正常运行的状态。
硬件结构设计如图2-3所示。
图2-3硬件结构设计图
2.5系统特点
此系统是在猪舍基础土建中做出V型地沟和预埋O型管，通过与V型地沟相配合的刮板，将粪池内的粪便挂出猪舍，再通过集粪刮板，将粪便输送到接粪车或接粪池中。
尿液则通过O型管流出猪舍，收集后进入下一级污水处理系统[16]。
智能化畜牧养殖控制系统具有以下特点:
1.采用了独特的数据校验方式，大大减少了数据采集错误对系统的影响。
2.采用上位机显示操作界面窗口，更加直观、方便。
3.通过远距离无线数传模块到PC终端上，通过上位机显示，做到实时监控刮板的工作状态，使人们更加方便的对养猪系统做出评估。
4.利用转角轮和限位开关控制刮板的正转和反转。
5.根据霍尔元件判断刮板是否正常工作。
3硬件设计
3.1硬件结构框图
380V电压经过连续降压模块将电压降为5V，给CPU供电；CPU通过气体传感器，DHT11模块，DS18B20模块等数据采集模块对养殖环境进行监测。
并将养殖环境各个参数通过无线数传模块传输至PC终端，显示到上位机；养殖人员通过上位机监控现场设备运行状态并判断系统所处状态是否正常，若正常，则继续监测系统所处环境状态，并实时传输数据；若不正常，则由上位机直接发出操纵命令，通过下位机做出相关机械动作，使之达到系统正常状态；刮板控制器由单独的CPU控制，通过计时模块控制刮粪板的运行时间级警报发出时间；刮板的运行状态可由限位开关控制，当运行至限位开关时，电机由正转变为反转，刮板向反方向运行。
智能化畜牧养殖控制系统硬件结构框图如图3-1所示。
图3-1硬件结构框图
3.2硬件电路设计
3.2.1STC15W4K58S4单片机主控模块
智能化畜牧养殖控制系统主控模本设计采用的是STC15W4K48S4系列芯片，为宏晶公司生产的高性能单片机，封装格式为SOP28[17]。
单片机最小系统包括复位电路系统和时钟电路系统，复位系统是为了防止系统运行过程中出现死循环且无法自动恢复，设置复位按钮来手动重启系统。
时钟系统分为系统内部时钟和系统外部时钟，时钟信号越高系统运行速度越快，STC15W4K58S4提供了可达1T的主频速内部时钟，因此本款单片机的控制精度可以达到预期目标。
⑴利用STC15W4K58S4单片机系统板可以实现以下五点功能。
①串口向上位机发送实时监控数据并接收控制终端的控制指令；
②控制畜牧环境检测模块的运行；
③控制刮粪板的自动运行；
④控制限位开关及霍尔模块以获取刮粪板运行状态；
⑤控制故障报警系统提高畜牧养殖安全系数。
⑵STC15W4K58S4单片机系统板主要有以下特点。
①相比于其他的单片机体积较小，在各种项目里面都能够方便的使用[18]；
②与其他型号单片机相比，运行速度更快，控制精度更高；
③与其他单片机相比操控简单，开发难度低，便于二次开发。
3.2.2232转TTL模块
SP3232E芯片引脚功能如表3-1所示。
表3-1SP3232E芯片引脚功能表
管脚序号
管脚名
用途
1
C1+
倍压电荷泵电容的正极
2
V+
电荷泵产生的+5.5V电压
3
C1-
倍压电荷泵电容的负极
4
C2+
反相电荷泵电容的正极
5
C2-
反相电荷泵电容的负极
6
V-
电荷泵产生的-5.5V电压
7
DOUT2
RS-232驱动器输出
8
RIN2
RS-232接收器输入
9
ROUT2
TTL/CMOS接收器输出
10
DIN2
TTL/CMOS驱动器输入
11
DIN1
TTL/CMOS驱动器输入
12
ROUT1
TTL/CMOS接收器输出
13
RIN1
RS-232接收器输入
14
DOUT1
RS-232驱动器输出
15
GND
地
16
VCC
+3.3V电源电压
STC15W4K58S4引脚分配参照附录的电路原理图图，通过芯片上的RIN1、DOUT1两个引脚引接入单片机外设，接收上位机的数据，SP3232芯片DIN1、DOUT1两个引脚就将标准232信号转换成TTL电平的信号，通过P1.6、P1.7两个引脚接进STC15W4K58S4进行处理。
STC15W4K58S4通过P0.6、P0.7两个引脚将TTL电平输入到RIN2、DOUT2，从而SP3232芯片RIN2、DOUT2两个引脚输出就是232电平的信号。
3.2.3数传模块
上位机终端与单片机进行数据交换的装置是无线数传模块，相当于在上位机终端和单片机之间设立一座桥梁，实现两者的数据交换[13]。
无线数据传输如图3-2所示。
图3-2无线数据传输示意图
STC15W4K56S4通过USART2发送TTL电平，单片机发出的TTL电平经过SP232芯片转化为标准232电平，发送给发送器；然后发送器将232信号传送给接收器，接收器经过标准232接口接收232电平信号，232电平信号经过SP232芯片转化为TTL电平，传送给STC15单片机，由单片机执行下一步操作。
3.2.4485通信电路
智能化畜牧养殖控制系统为了适应更多的通信方式，除了设计了232通信方式还设计了485通信方式。
232通信方式和485通信方式在硬件设计和软件实现上有巨大的不同。
其中RS232通信方式可实现全双工工作方式，而RS485通信方式无法实行全双工工作方式，在数据发送时无法进行数据接收。
为了保证本系统能够更好的应用这两种通信方式，保证数据正常的发送和接收，本系统在硬件上预留链接引脚，方便快速的切换两种通信方式，同时在软件上将两种通信过程进行明确的区分。
485通信电路图如图3-3。
3-3485通信电路
STC15W4K58S4通过USART4发送TTL电平，单片机的P0.2,P0.3分别与SP3485芯片的RO,DI引脚相连，单片机数据由P0.3发送到SP3485的DI端；外部数据由RO接入SP3485再由P0.2发送给单片机。
P0.4与RE引脚相连控制SP3485的收发模式的开启。
3.2.5时钟电路模块
本系统采用的时钟芯片是美国生产的DS1302芯片，内部配备了一个小型的存储器，用来存储时间数据；DS1302电路设计简单，双电源的设计极大地降低了芯片的功耗，同时也大大的提高了芯片的性能；内部含有一个31字节的静态存储区可以对时间信息进行单独记录。
芯片封装图如图3-4所示。
图3-4DS1302芯片封装图
时钟电路如图3-5所示。
3-5时钟电路
DS1302时钟电路是一个比较常用的时钟电路，它使用一个32.768k的外部晶振，晶振外部也不需要额外添加其他的电容或者电阻电路了。
时钟的精度取决于晶振的精度，如果所选取的晶振不准，就会导致时钟误差过大。
DS1302在VCC引脚外接一个3V的电池，防止突然断电导致数据丢失。
3.2.6数据存储模块
本系统将设置数据保存在AT24C02模块中以减少不必要的数据丢失。
AT24C02是基于I2C-BUS协议的芯片，通过数据总线和时钟总线与微处理器相连。
当单片机发出地址信息和开始信号后，数据总线进行接收或发送数据，当单片机发送结束信号时，数据总线结束数据传输。
只有当地址码和开始信号出现后，AT24C02芯片才能和单片机进行数据交换，大大减少了不必要的数据丢失，提高了数据的准确性。
AT24C02芯片如图3-6所示。
图3-6AT24C02芯片图
独特的接口方式以及较少的引脚数大大降低了芯片所占电路板的空间，有效的降低硬件成本。
同时利用I2C总线技术可以将更多的存储芯片连接在一起，可将设置数据分部保存，以便保存更多的数据。
A0,A1,A2为地址位，最多可将8个芯片相互连接，WP位拉低可进行读写操作。
存储电路如图3-7所示。
图3-7存储电路图
3.2.7行程开关控制模块
本系统采用行程开关来控制刮板的运行状态，当刮板运行至行程开关处，单片机会收到信号以确定刮板运行位置，及时调整运行方向，防止刮板超出界限。
行程开关电路如图3-8所示。
图3-8行程开关模块电路图
P10处连接外部的行程开关12V供电，与单片机之间设有光耦隔离模块。
若刮板运行至行程开关处，P10的1、2导通，PC817的1、2存在电压差，3、4端导通，单片机收到低电平信号，及时调整运行状态。
当刮板反方向运行时，行程开关缓慢打开，P10的1、2关断，PC817的1、2不存在电压差，3、4端关断，单片机收到高电平信号，刮板进行反方向运行。
3.2.8光耦隔离模块
STC15W4K48S4单片机IO口驱动能力太弱，通常只有几毫安到几十毫安，而负载可达到几百毫安到几安，其中所控制的380V交流电机所需要的电流极大，为防止电流过大而烧损CPU，故而设计了光耦隔离电路。
光耦隔离模块电路如图3-9所示。
图3-9光耦隔离模块电路图
若在P7的1、2两端导通，则PC817的1、2之间存在电压差，3、4两端导通，则P4.4处输出0V电压。
若在P7的1、2两端关断，则PC817的1、2之间不存在电压差，3、4两端不导通，则P4.4处输出5V电压。
3.2.9电机驱动模块
电机驱动模块电路如图3-10所示。
图3-10电机驱动模块电路图
电磁继电器是电子电路中常见的元器件，其功能是用较小的电流来控制较大的电流，而且还会防止大电流的倒灌从而烧毁电子器件。
本系统采用电磁继电器来辅助控制电机的运行。
当到达刮粪板运行时间时，单片机会
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