李月朋，朱九凱，趙雅涵，張 健?

(1.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，河北 石家莊 050091；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)都有了很大的進(jìn)步，但是在快速發(fā)展的過程中，畜牧業(yè)暴露出了很多問題。我國畜牧業(yè)目前是以小規(guī)模為個體，養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖為主體的養(yǎng)殖模式，采用傳統(tǒng)的畜牧養(yǎng)殖管理方式，缺乏科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的觀念和意識，導(dǎo)致前沿科學(xué)技術(shù)在小型養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)仍未得到有效推廣和使用。最為重要的是小規(guī)模的個體農(nóng)戶，缺乏足夠的資金和人力，在養(yǎng)殖管理方式暴露了很多的問題，如養(yǎng)殖場人力資源匱乏、養(yǎng)殖環(huán)境惡劣、蚊蟲肆虐、各種禽流感疾病爆發(fā)，對養(yǎng)殖戶造成了極大損失[1－3]。

目前，畜牧養(yǎng)殖使用的刮糞機(jī)采用簡易的結(jié)構(gòu)控制刮板的運(yùn)行，沒有考慮在刮糞過程中出現(xiàn)的一些異常情況，例如刮糞板打滑、卡死等異常情況，這些都會對設(shè)備造成一定影響，甚至可能導(dǎo)致人身危險。同時，養(yǎng)殖場需要每天清理，積糞會產(chǎn)生難聞的氣味，并且還會滋生細(xì)菌，而市場上多數(shù)刮糞機(jī)缺少完善的工作模式，難以達(dá)到每天自動運(yùn)行的效果，因此我們提出一種具有保護(hù)功能的全自動刮板裝置?？蓪崿F(xiàn)自動或手動運(yùn)行，是一種智能化刮板裝置，適應(yīng)于畜牧養(yǎng)殖場清理糞便。實現(xiàn)了牲畜排泄物每天自動清理，防止細(xì)菌的滋生及繁殖，以及裝置在運(yùn)行過程中故障的檢測，可以有效解決上述背景中的存在的問題。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的刮板裝置包括主控模塊、電源模塊、刮板電機(jī)驅(qū)動電路、霍爾信號處理電路、電源電路、自動運(yùn)行電路和串口屏顯示模塊組成。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

主控模塊采用由STC15 為核心的微處理器、RAM 存儲器和FLASH 存儲器組成；電源模塊將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟?，降壓后進(jìn)行整流濾波，提供主控模塊和外部設(shè)備供電；顯示設(shè)備使用HMI 串口屏，利用串口完成與主控模塊的通信，實現(xiàn)對下位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行模式、狀態(tài)的選擇與配置。串口屏界面設(shè)計使用USART HMI 軟件完成。

該裝置核心部分是由刮板電機(jī)驅(qū)動電路、霍爾信號處理電路、限位開關(guān)控制模塊三部分組成。刮板電機(jī)驅(qū)動電路是通過輸出數(shù)字量信號對外部繼電器進(jìn)行控制，從而通過交流接觸器控制三相交流異步電機(jī)啟動和停止；霍爾信號處理電路通過輸入脈沖到微處理器端口，經(jīng)微處理器處理轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)，從而檢測設(shè)備是否發(fā)生滑、卡等異常狀況，保證了運(yùn)行的安全性。限位開關(guān)模塊中限位開關(guān)要嚴(yán)格按照要求安裝，通過止動棒撞擊限位開關(guān)輸入信號到主控模塊中，表示刮板已經(jīng)運(yùn)行極限位置，從而使電機(jī)短暫停止進(jìn)行換相，用于安全限制刮板運(yùn)行。

自動運(yùn)行模塊是由時鐘電路和存儲電路組成，通過用戶設(shè)置的自動運(yùn)行時間參數(shù)與時鐘芯片內(nèi)部時間對比，從而完成刮板自動運(yùn)行功能；存儲電路用于存儲系統(tǒng)掉電前設(shè)置的運(yùn)行模式、自動運(yùn)行時間參數(shù)。在下次通電時，能夠及時工作。該裝置可以實現(xiàn)安全且自動的控制刮板，具有實時性、操作性和自動運(yùn)行能力，防止了細(xì)菌滋生和繁殖，優(yōu)化了畜牧養(yǎng)殖環(huán)境。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊由微處理器、RAM 存儲器和FLASH 存儲器組成，所述微處理器采用8 位、微處理器STC15W4KS4 芯片，具備4 096 字節(jié)大容量片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器，擁有四個完全獨(dú)立的高速異步串行通信端口，且主控芯片功耗較低，具有超強(qiáng)抗干擾能力。

利用主控模塊實現(xiàn)功能如下:

(1)USART3 將數(shù)據(jù)發(fā)送至液晶屏，并接收液晶屏反饋的信息。

(2)輸出端口連接刮板電機(jī)控制電路，通過輸出數(shù)字控制繼電器，經(jīng)交流接觸器，進(jìn)而控制三相電機(jī)。

(3)輸入端口連接限位開關(guān)控制電路、霍爾信號處理電路，用于滑、卡以及限位異常檢測。

主控模塊可選用5.0 V 或3.3 V 供電，而開關(guān)電源選用直流12 V 輸出，因此需要設(shè)計降壓電路。降壓電路選用芯片為LM2576，其輸出電流為3 A，是一種降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，可對電路起到安全保護(hù)的作用。本系統(tǒng)電路中使用LM2576HVR－5/3A 和LM2576HVR－3.3/3A 分別將輸入電壓由12 V降壓至5.0 V 和3.3 V。降壓電路如圖2 所示。

圖2 降壓模塊電路

2.2 刮板電機(jī)驅(qū)動電路

刮板的前進(jìn)與后退動作采用三相交流異步電機(jī)作為動力部件，實現(xiàn)三相電機(jī)的啟停與換相?？刂破骺刂迫嚯姍C(jī)，需要在斷路器保護(hù)的基礎(chǔ)上，通過繼電器－交流接觸器實現(xiàn)低電壓－高電壓的控制。系統(tǒng)采用兩級控制模式完成對三相電機(jī)的控制。(1)5 V～220 V 繼電器輸出。(2)220 V～380 V 三相交流接觸器控制電機(jī)三相繞組。

5 V～220 V 繼電器電路圖如圖3 所示。其中繼電器在電路中起著安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路的作用[4]；由于單片機(jī)IO 口的驅(qū)動能力不足，電路中采用三極管實現(xiàn)電流放大作用，從而驅(qū)動繼電器；圖中R4起到限流作用，防止外界電流過大損壞單片機(jī)IO 口；保險絲對繼電器輸出端電流起到保護(hù)作用，當(dāng)電流過大時，保險絲熔斷，控制電流被切斷。

圖3 5 V～220 V 繼電器電路圖

單片機(jī)IO 口電平與繼電器狀態(tài)關(guān)系如表1 所示。

表1 IO 口與繼電器狀態(tài)

220 V～380 V 三相交流接觸器控制電機(jī)三相繞組如圖4 所示。交流接觸器作為執(zhí)行元件，用于控制三相電機(jī)；電機(jī)工作電源使用交流330 V，先接入交流電動機(jī)啟動器，防止缺相、過載使系統(tǒng)出現(xiàn)故障，以增強(qiáng)電路的安全性。再接入相序斷相繼電器，連接到左右兩個交流接觸器，通過改變相序，兩個交流接觸器分別控制三相交流異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時配備工業(yè)級電氣設(shè)備，使該系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠，解決了傳統(tǒng)刮糞器運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。

圖4 220 V～380 V 三相交流接觸器控制電機(jī)

2.3 霍爾信號處理電路

霍爾接近開關(guān)是一種利用霍爾效應(yīng)的磁傳感器[5－6]。本系統(tǒng)使用霍爾元件用來測量電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的變化，從而判斷刮板運(yùn)行是否出現(xiàn)滑、卡等異常情況。當(dāng)刮板運(yùn)行打滑時，將會造成三相電機(jī)突然速度增加，對三相電機(jī)使用壽命造成影響，甚至長時間打滑，可能會導(dǎo)致刮板脫軌，造成人身傷害。刮板運(yùn)行卡住，是因為糞便堆積造成，對于此種異常會造成三相電機(jī)堵轉(zhuǎn)，對三相電機(jī)也會造成一定損害，因此當(dāng)發(fā)生這兩種異常時，霍爾信號處理電路能夠及時停止運(yùn)行，保證了刮板裝置的安全性。

霍爾接近開關(guān)輸出12V 邏輯信號，若直接接入單片機(jī)IO 口必將引起IO 口的損壞，為此系統(tǒng)采用光電耦合器PC817 實現(xiàn)霍爾信號與控制信號的隔離和電平邏輯轉(zhuǎn)換。電路圖如圖5 所示。

圖5 霍爾電路結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程中，當(dāng)所控制的刮板轉(zhuǎn)角輪接近霍爾開關(guān)時，霍爾開關(guān)處于接觸狀態(tài)，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換后，IO 口變?yōu)榈碗娖?，主控芯片開啟計數(shù)器，計算IO口低電平維持時間。若輸出信號的頻率大于用戶設(shè)置值，并且持續(xù)時間超過了所設(shè)定的感應(yīng)時間設(shè)定值后，刮板裝置就會判定運(yùn)行發(fā)生異常，立即停止運(yùn)行，保證了安全性。

2.4 限位開關(guān)控制模塊

2.4.1 限位開關(guān)安裝位置

刮板運(yùn)行需要對位置運(yùn)行距離進(jìn)行限制，否則運(yùn)行距離過遠(yuǎn)，將會造成刮板脫軌。使用限位開關(guān)限制位置[8]，通過此種方式可以安全控制兩溝道中的刮板循環(huán)運(yùn)行。為了防止刮板長時間運(yùn)行會對限位開關(guān)造成磨損，最終可能會導(dǎo)致限位開關(guān)失靈，因此有必要在每個溝道中安裝兩個限位開關(guān)，也就是每個溝道中最前面的限位開關(guān)用于切換刮板運(yùn)動方向，其后的限位開關(guān)是用于急停。若止動棒撞擊到后一個限位開關(guān)時，表示最前面的限位開關(guān)已經(jīng)失靈，系統(tǒng)運(yùn)行立即停止，保證了運(yùn)行的安全性。限位開關(guān)安裝圖如圖6 所示。

圖6 限位開關(guān)安裝位置

限位開關(guān)使用CHINT 限位開關(guān)，共有四個，分別為檢測限位開關(guān)1 和2，急停限位開關(guān)3 和4。同一糞溝中限位開關(guān)安裝間距控制在大于20 cm，糞溝1中限位開關(guān)1 的撞針向前傾斜30°的角度，限位開關(guān)3 的撞針向后傾斜30 度左右的角度。在運(yùn)行過程中需要確保止動棒能穩(wěn)定撞到限位開關(guān)1 的撞針，且使撞針擺到一定角度后，限位開關(guān)1 內(nèi)部常閉觸點(diǎn)斷開，又不與后面限位開關(guān)3 的撞針產(chǎn)生運(yùn)動干涉；確保止動棒能穩(wěn)定撞到限位開關(guān)3 的撞針，且使撞針擺動到一定的角度后，限位開關(guān)3 內(nèi)部常閉觸點(diǎn)斷開，又不與后面的轉(zhuǎn)角輪蓋板產(chǎn)生運(yùn)動干涉。糞溝2 中放置限位開關(guān)2 和4，其安裝要求與糞溝1 相同。

2.4.2 限位開關(guān)控制電路

限位開關(guān)電路用于輸入開關(guān)量到主控模塊，主控模塊通過刮板電機(jī)控制模塊控制三相電機(jī)短時間停止，再輸出控制信號，控制電機(jī)反方向運(yùn)行。限位開關(guān)控制電路如圖7 所示，具體協(xié)作原理為:電機(jī)啟動時為正轉(zhuǎn)，當(dāng)止動棒碰到限位開關(guān)1 時，開關(guān)閉合，1、2 之間存在壓降，3、4 兩端導(dǎo)通，IO 口為高電平，主控判斷信號，短時間停止后控制電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)止動棒碰到限位開關(guān)2 時，開關(guān)閉合，主控模塊控制電機(jī)停止，一個循環(huán)運(yùn)行結(jié)束。

圖7 限位開關(guān)控制電路

在運(yùn)行過程中發(fā)生的限位異常是被定義為1 溝道所對應(yīng)的限位開關(guān)1 和3 同時處于斷開狀態(tài)，或則2 溝道所對應(yīng)的限位2 和4 開關(guān)同時處于斷開狀態(tài)，此兩種情況均為嚴(yán)重的限位異常，刮板裝置會立即停止，串口屏顯示主界面會在限位異常處進(jìn)行文字提示具體哪個限位開關(guān)異常，保證了裝置運(yùn)行的安全性。

2.5 顯示模塊

串口屏和按鍵完成系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。本系統(tǒng)使用HMI 串口屏的KO 系列，工作電壓為5 V，串口波特率設(shè)置為9 600 bit/s，串口電平為TTL 電平(非232電平)，界面開發(fā)軟件使用USART HMI[8]。所采用的串口液晶屏不具備觸摸功能，之所以舍棄觸摸而僅采用使用壽命高、無輻射、低功耗的非觸摸液晶屏是考慮到養(yǎng)殖場內(nèi)濕度大，容易造成觸摸不靈敏的問題。

液晶屏與主控模塊通過USART3 進(jìn)行通信。工作原理為:當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時，主控模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到液晶屏中，液晶屏識別所傳來的數(shù)據(jù)并顯示。整個過程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)指令上傳下達(dá)功能。所設(shè)計的按鍵共有四個，功能分別為返回、上一項、下一項、確認(rèn)。

2.6 自動運(yùn)行模塊

2.6.1 時鐘電路

時鐘電路使用DS1302 芯片，芯片包含1 個實時時鐘和31 字節(jié)的靜態(tài)RAM[9－10]，通過串行接口進(jìn)行主控模塊數(shù)據(jù)交互，使系統(tǒng)獲取實時時鐘信息。

時鐘電路由晶振、DS1302 芯片等組成。DS1302 搭配32.768 kHz 的晶振，系統(tǒng)通過SPI 協(xié)議對時鐘芯片再次寫入初始值，更新內(nèi)部參數(shù)，完成時鐘校準(zhǔn)功能。時鐘電路如圖8 所示。

圖8 時鐘電路圖

本系統(tǒng)中的時鐘電路用來實現(xiàn)定時自動運(yùn)行，根據(jù)設(shè)置的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，實現(xiàn)除糞、給料和給水等功能的自動運(yùn)行。工作原理:主控模塊讀取時鐘參數(shù)，并與用戶設(shè)置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比，當(dāng)系統(tǒng)時間達(dá)到用戶設(shè)置參數(shù)時，系統(tǒng)開始運(yùn)行。顯示界面如圖9 所示。

圖9 顯示界面

2.6.2 存儲電路

系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要對圖10 所示的運(yùn)行時間、次數(shù)、截止時間等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行掉電不丟失存儲。為此系統(tǒng)擴(kuò)展了IIC 串行總線EEPROM 芯片AT24C02[11]。采用雙線連接模式，性能穩(wěn)定，占用IO 口資源少。

圖10 自動時間設(shè)置界面

在上電后，主控模塊通過IIC 總線讀取EEPROM所存儲的參數(shù)數(shù)據(jù)。

3 軟件研究

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行界面及流程

串口屏顯示界面是基于上位機(jī)軟件USART HMI 進(jìn)行設(shè)計的[9]，所設(shè)計的系統(tǒng)界面如圖11 所示。具體而言，根據(jù)功能分類，設(shè)計的界面共包括七個界面:主界面，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)及時間；刮板模式控制界面，設(shè)置刮板運(yùn)行模式及狀態(tài)；系統(tǒng)時間界面，設(shè)置主界面顯示時間；自動運(yùn)行時間界面，設(shè)置刮板自動運(yùn)行時間；循環(huán)次數(shù)界面，用于設(shè)置刮板循環(huán)工作次數(shù)；后退時間界面，設(shè)置刮板觸碰到限位開關(guān)后，需要后退的時間；異常情況界面，用于處理系統(tǒng)當(dāng)前出現(xiàn)的故障。

圖11 串口屏設(shè)計界面

系統(tǒng)根據(jù)用戶功能選擇的不同，可進(jìn)行系統(tǒng)模式設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等操作。系統(tǒng)運(yùn)行的軟件流程圖如圖12 所示。

圖12 軟件運(yùn)行流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗

在各個功能模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計的控制器設(shè)計圖如圖13 所示。

圖13 系統(tǒng)實物圖

為驗證刮板裝置的實用性，在青島澤宇凱昇機(jī)械制造有限公司，對本系統(tǒng)進(jìn)行了實地模擬測試。

4.1 刮板正常工作測試

當(dāng)刮板是正常工作時霍爾元件輸出固定間隔的脈沖信號，若出現(xiàn)異于常值的時間間隔，則可認(rèn)為刮板處于滑、卡等異常狀況，通過多次試驗，所得脈沖間隔時間如表2 所示。根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)定100 ms 為故障判斷閾值。

表2 電平時間數(shù)據(jù)表

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可得，所設(shè)計的系統(tǒng)可確保刮板正常工作，滿足養(yǎng)殖場的安全工作需求。

4.2 串口屏性能測試

串口屏模塊通過USART 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，需要通過屏幕設(shè)置刮板運(yùn)行參數(shù)。在實際畜牧場經(jīng)過連續(xù)48 h 運(yùn)行，屏幕參數(shù)設(shè)置穩(wěn)定，未出現(xiàn)花屏、死機(jī)等故障，串口屏性能穩(wěn)定。

4.3 手動模式測試

本系統(tǒng)控制電機(jī)具備手動模式和自動模式，在現(xiàn)場試驗中對手動模式進(jìn)行多組試驗，實驗數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 手動模式測試表

根據(jù)表3，電機(jī)變化的實測結(jié)果與理論結(jié)果相同，手動模式正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常，可實現(xiàn)零誤差控制。

4.4 自動模式測試

為測試刮板在自動運(yùn)行模式下，是否正常運(yùn)行。需要通過記錄所設(shè)置定時時間與刮板自動運(yùn)行時間是否一致。在自動模式下，先停止電機(jī)運(yùn)行，防止因供電問題導(dǎo)致系統(tǒng)故障，通過設(shè)置多組定時時間，并記錄刮板運(yùn)行時間，通過多組兩者參數(shù)對比。所得結(jié)果如表4 所示，根據(jù)表4 數(shù)據(jù)，刮板自動運(yùn)行時間與所設(shè)置定時時間相同，刮板自動運(yùn)行模式穩(wěn)定。

表4 自動模式測試表

5 結(jié)論

該刮板控制裝置是和電氣設(shè)備相結(jié)合的終端控制設(shè)備，目標(biāo)是高效率、智能化的清理養(yǎng)殖場動物糞便，防止細(xì)菌滋生，優(yōu)化了養(yǎng)殖環(huán)境。提高養(yǎng)殖設(shè)備的安全性，實現(xiàn)精準(zhǔn)實施重復(fù)性的運(yùn)行操作。

實驗證明，本套基于STC15 的刮板控制裝置設(shè)計，有效地優(yōu)化了畜牧養(yǎng)殖環(huán)境，減少了人力資源的浪費(fèi)。

在控制刮板方面具有極高的穩(wěn)定性和操作性，并且針對運(yùn)行過程中所發(fā)生的故障進(jìn)行檢測，保證了運(yùn)行的安全性，可以滿足當(dāng)下大部分養(yǎng)殖場的清理糞便的需求。