基于单片机的全混合日粮饲料称重系统的设计

张静

（新疆维吾尔自治区哈密市检验检测中心，新疆哈密，839099）

0 引言

伴随着我国畜牧业科技的高速发展，牲畜养殖过程开始从粗放型向集约型管理方向发展，奶牛的“养”与“管”也进入一个崭新的数字化管理时代。传统奶牛饲喂技术对于各种营养的均衡供给很难达到，造成牲畜的营养不良，而且容易造成饲料有效成分的浪费，不能达到预期的饲喂效果。奶牛的喂养不仅要满足饲料量的供给，还要满足各种营养元素的合理供给。所以怎样满足奶牛饲喂的科学化、合理化，是牧场实现规模化、集约化、数字化面临的主要问题。因此为了解决这一系列的问题，必须改变饲养方法，使饲喂过程自动化和标准化。笔者设计了奶牛饲喂的全混合日粮饲料称重系统。

1 全混合日粮(TMR)技术

全混合日粮(TMR)饲喂技术是一种利用现代化的自动检测技术，为了满足奶牛生长过程中的最优营养所需，将既定量的粗精饲料和各种添加元素等按照一定比例混合搅拌的饲养技术。使用TMR全混合日粮饲料搅拌车可以对奶牛进行科学、合理的饲喂，降低牧场饲喂成本，减少饲料的浪费，提高奶牛的产奶产量及质量，增强奶牛的抗病能力。

2 称重系统设计

■2.1 系统构成

全混合日粮饲料的称重系统的组成有：称重传感器、接线盒、电源线、数据线、报警器与打印机等。称重系统的工作原理：称重传感器获取料仓的总重量（除去料仓的自重就是饲料的重量），为了更好的方便后续数据的处理，传感器输出的信号经前级放大器对信号进行放大处理。在放大过程中，除了重量信号被放大以外，噪声也同时放大，系统使用滤波器对放大后的信号进行去噪处理。此时，滤波器输出的信号为模拟信号，通过A/D变换将模拟信号转换成数字信号发送给单片机系统处理。经过单片机处理将信号传送到显示器显示，系统同时具有输出打印功能。其工作原理图如图1所示。

图1 称重系统的工作原理框图

■2.2 检测系统工作原理

本设计选用的传感器为电阻应变式称重传感器，压阻型传感器具有灵敏度高、测量范围宽以及输出信号稳定等优点。同时测量系统使用的三个呈“品”字型分布的传感器，可以减少由于传感信号不均匀导致的系统误差。实际饲喂过程中满负荷时饲料的总重达到4000kg，又因为饲喂车辆在行走的同时完成搅拌，因此会不可避免的导致微量的切斜和颠簸等因素造成所测的重量与实际重量不符的现象。所以选用的每一个传感器的测量范围选择0～7000kg，选取传感的中间1/3量程且在使用中三个传感器呈并联方式，单个传感单元电路图如图2所示。检测电路检测出电阻应变片电阻阻值的变化量，并将此变化量转换成与外作用力成一定函数关系的电信号，通过信号处理和显示电路输出最终重量。系统电路原理图见图3所示。

图2 传感单元电路图

图3 系统电路原理图

■2.3 硬件电路工作原理

系统硬件电路主要包括AT89S51单片机最小系统电路，LM2576和ICL7660电源电路，INA126放大电路、MAX187A/D转换器电路和显示电路。

2.3.1 AT89S51单片机最小系统电路

AT89S51是一种常用的高性能的8位单片机，其具有低功耗、高密度和快速处理的特点。该单片机每部含有一个可编程序的4KB快速闪存，同时可以擦除RAM的8位COMS微处理器和非易失存储技术制造，该系统可以与80C51单片系统的40个引脚和指令完全兼容。设计时需要重点考虑晶振频率，保证符合标准的通讯波特率（1200、4800、9600、19.2K等）。我们通过可供选择的晶振所能产生的波特率，然后根据需要的波特率和系统要求选择晶振。当晶振频率超过20M时，必须确保总线上的其它器件能够在这种频率下工作。当工作频率增加时，功耗也会增加，这点在使用电池作为电源的系统中应充分考虑。综合上分析AT89S51单片机满足称重系统的设计要求。

2.3.2 ICL7660电源电路

电源采用以LM2576-5.0构成的稳压电路并配合极性反转电源转换器ICL7660构成电源电路，具有小功率，高转换效率的特点，其空载运行时转换效率可以达到99%以上，带负荷运行时效率损失低至5%左右。ICL7660是一种极性反转小功率电源转换电路。在工作频率为10kHz时，静态电流为170μA，输入电压范围是1.5～10V，输出电流范围是10～2mA。拥有简单的外部调整电路，可实现串联多个单元实现多级加倍电压输出，符合称重系统的供电要求。

2.3.3 INA126放大电路

INA126是一种精密的仪用放大器。通过使用两个运算放大器使其具有较低的静态电流和较宽的电源范围。称重传感器输出的电压信号为毫伏级，所以对运算放大器要求很高。该放大器具有较高的输入阻抗为两个输入偏置电流提供通路。高输入阻抗意味着输入偏置电流随输入电压的变化而变化。如果没有偏置电流路径，输入将到达一个超过共模范围的电势。在高阻抗下，使用两个等电阻提供平衡输入，由于偏置电流降低输入偏置电压和更好的高频共模抑制。我们已考虑可以采用第三种方案。所采用的专用仪表放大器我们选用INA126，由三个INA126放大器对三个传感器信号进行放大输出。

2.3.4 MAX187A/D转换器电路

MAX187使用采样/保持器（T/H）和逐次逼近寄存器（SAR）电路将一个模拟输入信号转换成12位的数字输出。其输入信号在0V～Vref之间，转换时间包括T/H的采样时间在内为10μs。串行接口只需3根数字线：SCLK，CS和DOUT，与微处理器接口简单方便，系统的三个传感器信号分别采用3个MAX187电路进行A/D转换，每个MAX187的参考电压通过OP07来为三个传感器供电，这样可以最大限度的保证每个传感器供电电压的一致性，从而减少传感器的测量误差。

2.3.5 动态显示电路

本设计使用74LS04作为动态显示电路，显示部分采用6个八段共阴带有反相器的数码管，具备180°相位翻转功能。利用驱动器74HC244驱动数码管显示数据，达到控制八段码的目的。段驱动器和位驱动器同时发出有效信号才能点亮对应段，否则就呈现不亮状态。为了显示字符和数字，要为LED显示器提供显示段码，组成一个“8”字形的7段，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供LED 显示器的显示段码为1个字节。显示屏及其上位机采用由深圳昆仑通泰科技有限公司生产的型号为：TPC7063TD/TX的一体化电阻式触摸屏，分辨率为800×480，内存为128M，供电电压为24V，通过一个DC/DC直流转化器就可以直接使用拖拉机的电源。上位机的提出一方面为了方便驾驶员在驾驶室能够直接观察到饲料的配方以及每组配方各成分的重量，另一方面驾驶员能够直接在上位机输入新饲料的配方，以及对配方的修改、打印等操作，不但能提高工作效率，而且更加符合了以人为本的管理理念。

3 系统软件设计

本设计系统的主程序的流程如图4所述。当系统启动开始运行后，进入系统初始化程序阶段，软件运行过程中对所有的硬件系统进行初始化，保证系统的正常运行。启动A/D转换程序，将三个称重传感器采集出来的重量模拟信号转换成计算机系统可以识别的数字信号输入AT89S51单片机处理，其中系统还要通过滤波电路对测量过程中产生的噪声行行滤波处理，使得信号更真实有效。通过单片机系统处理后的饲料重量数据，再经过BCD码转换后，通过显示程序将最终的重量信息显示出来，最终直观的显示给工作人员的观测，同时系统具备测试数据结果输出打印功能，可以使技术人员更好将数据存档。最终达到准确的称重和饲料的合理配比，确保奶牛采食的每一口日粮都是营养均衡的日粮。本设计系统的主程序的流程如图4所示。

图4 主程序的流程图

4 测试过程分析

图5 系统样机

下面主要介绍称重系统的试验过程。制造的样机如图5所示，称重系统工作正常与否直接关系到饲料的营养配比，营养配比的合理与否直接影响奶牛的产奶数量和质量。所以称重系统的可靠与否、准确与否就显得非常重要。试验过程中采用对比称重的方法对称重系统进行考核。首先把要搅拌的饲料提前在电子秤上称好重量，我们叫饲料的“参考重量”。然后把称好的料装进样机的料箱内，加料时先把称重界面清“0”。由于加料时必须要求搅龙旋转起来，所以每次向料箱里加料时，称重系统显示的数值都有波动，所以需要等数值波动浮动一致后，记录好最大值和最小值并求出平均值，这个值我们叫做“试验重量”，用“试验重量”减去“参考重量”之差作为评定标准，在这里我们要求当10≥试验重量-参考重量≥-10时符合要求，得出称重系统的稳定性和准确性。