（农业电气化与自动化专业论文）数字化奶牛场挤奶机自动清洗控制器的研究.pdf

摘要根据目前市场上挤奶机的自动清洗控制器没有和上位通信功能且清洗时间不可调的现状，研制出控制功能齐全的自动清洗控制器。该控制器利用r s 一4 8 5 标准和上位机通信，采用8 0 c 5 1 系列单片机8 0 c 5 5 2 芯片作为c p u ，系统由8 0 c 5 5 2 基本系统、显示、通信、功能键、信号检测和输出控制等部分组成：软件用c 5 1 和v c + + 语言开发。该控制器能自动完成挤奶机的清洗，清洗时间可调，具有和上位机通信功能。使用该控制器可以提高生产效率，确保挤奶机清洗干净，同时可以实现计算机控制挤奶机的清洗。关键词：挤奶机，自动清洗，控制器a b s t r a c ti no r d e rt os o l v et h eq u e s t i o nt h a tc o n t r o l l e r so fc l e a n i n gm i l k i n gm a c h i n e sa u t o m a t i c a l l yh a v en oc o m m u n i c a t i o nw i t hs u p e r v i s i n gc o m p u t e ra n dt h ec l e a n i n gt i m ec a nn o tb ea d j u s t e d ，an e wc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d t h i sc o n t r o l l e rc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h es u p e r v i s i n gc o m p u t e rb yr s 一4 8 5s t a n d a r d i tu s ec h i p8 0 c 5 5 2a sc p ua n di sc o m p o s e do fd i s p l a y , c o m m u n i c a t i o n ，k e y b o a r d ，i n p u ts i g n a l sm e a s u r ea n do u t p u tc o n t r o lc i r c u i t so t h e rt h a nt h es y s t e mo f8 0 c 5 5 2 t h es o f t w a r e sa r ed e v e l o p e db yc 51a n dv c + + t h i sc o n t r o l l e rc a nc l e a nm i l k i n gm a c h i n e sa u t o m a t i c a l l ya n dc o m m u n i c a t ew i t hs u p e r v i s i n gc o m p u t e ra sw e f ta st h ec l e a n i n gt i m ec a l lb ea d j u s t e d t h ea p p l i c a t i o no ft h i sc o n t r o l l e rc a ni n c r e a s ee f f i c i e n c y ，e n s u r et h a tt h em i l k i n gm a c h i n e sa r ec l e a n e da c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d ，a tt h es a m et i m ec a l lc l e a nm i l k i n gm a c h i n e sb ys u p e r v i s i n gc o m p u t e r k e yw o r d s ：m i l k i n gm a c h i n e ，c l e a n i n ga u t o m a t i c ，c o n t r o l l e r独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名时间：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：导师签名：时间：年月日1 。1 问题的提出第一章绪论随着我国人民生活质量的提高，牛奶的消耗量越来越多，人们也越来越重视牛奶的卫生和质量。要提高牛奶的质量必须重视挤奶机的清洗，所以奶牛场挤奶机的清洗是项非常重要的工作，如果清洗不干净，通过挤奶机挤出的牛奶的卫生和质量就会不合格。奶牛场挤奶机的清洗有手工清洗和自动清洗两种方法，手工清洗挤奶机时，清洗的步骤和时间由操作人员控制，清洗是否干净由操作人员根据肉眼观察决定，如果操作人员减少清洗步骤或时间，或者操作人员观察不仔细，挤奶机就会清洗不干净，牛奶的卫生和质量就会降低。挤奶机自动清洗时，清洗工作由控制器自动完成，清洗结束时自动检测清洗质量，既减少劳动力又确保挤奶机清洗干净，可以提高牛奶的质量和奶牛场的经济效益，所以许多奶牛场都希望配备挤奶机的自动清洗系统。目前国内生产的挤奶机自动清洗控制器的控制功能不全，清洗时间不可调，且没有和上位机通信功能，不能接收上位机发出的控制指令。国外有不少公司生产挤奶机的自动清洗控制器，如瑞典的d e l a v a l ( 利拉法) 乳业机械有限公司、英国的f u l l w o o d ( 富尔德) 畜牧机械有限公司、丹麦的s a c 挤奶设备有限公司、荷兰的g m 公司等，这些公司生产的控制器的控制功能比较全，但也都没有和上位机通信功能，而且设备售价非常高，国内一般奶牛场的购买能力相对较低。目前国内大型奶牛场安装的带自动清洗系统的挤奶机基本上都是从国外进口的，中小型奶牛场由于资金紧张都不安装挤奶机的自动清洗系统。挤奶设备仍用人工清洗。随着计算机和信息技术的发展，大中型奶牛场的发展趋势必然是实现计算机和信息化管理。如果控制器能和上位机通信，就可实现在控制室中用计算机控制挤奶机的清洗。针对以上现状，研制出控制功能全、适合现代化管理需要的低成本的自动清洗控制器。该课题是为北京市的课题挤奶机关键技术的研发与制造f 2 0 0 3 0 2 0 4 作前期研究准备。1 2 课题研究的意义研制出适合我国国情的挤奶机自动清洗控制器，对我国畜牧业生产的发展，加快实现农业现代化具有一定的现实意义。特别是奶牛场在现有的挤奶设备上添加真空电磁阀和该自动清洗控制器就可以把手工清洗系统改装成自动清洗系统，且改装成本低。运用该自动清洗控制器不仅可以减少劳动力、确保挤奶机清洗干净，而且可以提高我国挤奶设备的市场竞争力，减少自动清洗控制器及挤奶机的进口，降低我国奶牛场( 特别是中小规模的奶牛场) 的设备成本，促进我国畜牧业生产的快速发展。1 3 挤奶机的清洗要求奶牛场挤奶机每次在挤奶前和挤奶后必须清洗干净。挤奶机的清洗有预洗、碱洗、酸洗。预洗是挤奶前用冷水把管道冲洗于净，或先用一定浓度的消毒液水循环冲洗管道，再用冷水把管道冲洗干净。碱洗过程如f ：1 、在清洗槽中放八冷水，用冷水循环冲洗管道约8 分钟2 、把冷水放掉，放入热水，加入碱性清洗液循环冲洗约1 2 分钟；3 、放掉清洗槽中的碱性清洗液，放入冷水循环冲洗约8 分钟；4 、排净集乳罐中的余水，并用海绵球把管道内残余水分挤干净，停机待挤。酸洗过程如下：1 、在清洗槽中放入冷水，用冷水循环冲洗管道约8 分钟；2 、把冷水放掉，放入热水，加入碱性清洗液循环冲洗约1 2 分钟：3 、放掉清洗槽中的碱性清洗液，放八冷水循环冲洗约8 分钟；4 、在清洗槽中放入热水，加入酸性清洗液循环冲洗约1 2 分钟；5 、放掉酸性清洗液，放入冷水循环清洗约8 分钟；6 、排净集乳罐中的余水，并用海绵球把管道内残余水分挤干净，停机待挤。挤奶时先预洗，每次挤完奶后必须立即碱洗，一般每周对挤奶进行次酸洗。1 。4 课题的研究内容本课题研究的内容包括：1 、硬件设计：包括系统的原理图和p c b 图设计、电路板的测试：2 、软件设计；包括用c 5 1 语言编写的单片机运行程序和用v c 十+ 语言编写的上位机控制程序：3 、硬件和软件联台调试，优化：4 、试验。第二章自动清洗控制器的系统概述2 1 系统的整体结构为了确保牛奶的卫生和质量，世界上许多国家对挤奶机的清洗都有自己的标准。我国目前挤奶机的清洗还没有国家标准，现执行标准为行业标准。但有许多挤奶设备方面的国家标准，如g b t8 1 8 6 1 9 8 7 挤奶设备试验方法、g b t6 9 1 4 1 9 8 6 生鲜牛乳收购标准、g b1 2 0 7 3 1 9 8 9乳品设备安全卫生，这些标准也涉及到挤奶机的清洗，该自动清洗控制器是根据我国挤奶设备清洗的行业标准、挤奶设备的相关国家标准以及参考英国标准5 2 2 6 - 1 9 9 1c o d eo fp r a c t i c ef o re q u i p m e n ta n dp r o c e d u r e sf o rt h ec l e a n i n ga n dd i s i n f e c t i n go f m i l k i n gm a c h i n ei n s t a l l a t i o n s 研制的。系统的总体设计包括硬件设计和软件设计两部分。根据设计的总体要求选择m c s - 5 1 系列单片机8 0 c 5 5 2 芯片作为系统的c p u ，根据实际需要在8 0 c 5 5 2 外部扩展6 4 k 程序存储器a m 2 8 f 5 t 2和8 k 静态数据存储器6 2 6 4 。8 0 c 5 5 2 是荷兰p h i l i p s 公司生产的增强型8 0 c 5 l 系列单片机，目前8 0 c 5 5 2 单片机的技术非常成熟，它除了具有常规8 0 c 5 1 单片机的全部功能外，又增加了许多功能，在硬件上具有如下资源特性：l 、8 0 c 5 1c p u ：2 、可在外部扩展6 4 k 字节r o m ( 内部无r o m ) ；3 、2 5 6 字节的内部r a m ，可在步卜部扩展6 4 k 字节r a m 或i o ；4 、2 个标准的1 6 位定时器，计数器，1 个附加的1 6 位定时器计数器，配有4 个捕捉器和3个比较器：5 、1 个8 路1 0 位片内a d 转换器：6 、5 个8 位i o 口，外加一个与模拟输入共享的输入口：7 、一个全双工异步串行1 2 1u a r t ，1 2 c 串行总线接口；8 、15 个具有2 个优先级的中断源；9 、一个监视定时器；8 0 c 5 5 2 指令系统与8 0 c 5 1 单片机完全兼容，其中p 5 口除可以作为一般的输入口外。还可用来输入a d 转换电路所需要的8 路模拟量。选用8 0 c 5 5 2 芯片作为此控制器的c p u ，不用扩展a d 转换器和i o 口，硬件电路比较简单。系统硬件部分包括下面六个部分：1 、信号输入部分：2 、与上位机通讯部分；3 、l c d 显示部分：4 、控制电路：5 、功能键部分；6 、系统报警部分。系统的硬件结构图如图2 - i 所示。圈2 - 1 系境的硬件结梅系统的软件部分包括控制器的运行程序和上位机的控制程序。控制器的运行程序采用c 51 语言编写，选用k e i lc 编译器。上位机的控制程序采用v c + + n g 编写。2 2 系统实现的功能根据挤奶机清洗和系统设计要求，整个系统实现以下六项功能1 、整个清洗过程自动完成：2 、清洗结束时自动检测清洗质量；3 、水温不够时自动报警：4 、向上位机传送每班的挤奶量；5 、显示清洗过程及时间：6 、能接收上位机发出的指令，并按指令操作。4第三章自动清洗控制器系统硬件设计该控制器以8 0 c 5 5 2 为c p u ，扩展6 4 k 字节的程序存储器和8 k 字节的数据存储器，晶振为1 2 m h z 。除8 0 c 5 5 2 及其基本系统外，还有键盘、显示、通信、信号检测和输出控制部分。8 ( 3 c 5 5 2外围电路的扩展采用线选法。整个系统的硬件设计电路图见本章最后图3 1 3 所示。3 1 程序存储器的扩展8 0 c 5 5 2 内部没有r o m ，所以必须扩展程序存储器。根据程序的太小，在8 0 c 5 5 2 外部扩展一片闪速程序存储器( f l a s hm e m o r y ) a m 2 8 f 5 1 2 。a m 2 8 f 5 1 2 是a m d 公司的产品，采用c m o s 工艺焦q 成，6 4 k x 8 位3 2 管脚，快擦写可电擦除的可编程只读存储器，读访问对同为9 0 n s ，可以与般高速微处理器匹配而不需要插入等待周期。允许1 0 0 0 0 次编程和擦除操作，所有输入输出与兀l 兼容。为了避免总线冲突，芯片上有两个选通控制引脚：芯片允许c e 和输出允许o e 。煦型的字节编程速度为1 0 p s ，整片写入编程时间小于o 5 s 。芯片只能整片擦除，在室温下使用0 m s 快速檫除脉冲进行整片擦除的擦除时间小于l s 。需两种电源电压：工作电源电压+ 5 v和擦除编程电源电压+ 1 2 v ，最大工作电流3 0 m a 。a m 2 8 f 5 1 2 有两种工作方式：( 1 ) 当v p p v c c + 2时，工作在只读存储器方式，v p p 上不加电压时，芯片的用法与e p r o m 芯片一样，可以通过控制输八信号工作在读操作、维持、输出禁止和标识码识到方式。( 2 ) 当v p p = 1 20 v j ：00 5 v 时，工作在读写存储器方式，可以进行擦除、写入编程和读出操作。a m 2 8 f 5 1 2 的工作方式选择如表3 1 所示。袭3 - 1a m 2 8 f 5 1 2 工作方式选择袭工作方式c f ,0 ew ev p p虬a dd q 。、d q i读llhv 即lma 0数据输出1只读各用hxxv 吼xx高阻方式输出禁止llhhv 吼xx高阻厂码识别llhv 阡lv i dl厂码输出器件识别llhv 悄￥l oh标识输出读llhv 嗍丸a o数据输出读写备用hxxv 嗍xx高韫方式输出禁止lhhv 嗍xx高阻编程lhlv 州xx数据输入表中：v p p l 一可以是地电位，用一个电阻直接接地，或者使v p p l q v c e + 2 v ：v p 州一是满足芯片编程要求的编程电压，1 i4 v 吣 v p p h 1 26 v ；v 旷是标识码读出擞活电压，要求5 v v t d 1 3 0 v 。a m 2 8 f 5 1 2 的擦除操作是对芯片进行整片擦除，需要两次攘除命令和一次擦除校验命令才能完成。a m 2 8 f 5 j 2 的编程操作是按字节编程，既可按顺序写入，也可按指定地址写入，其操作需多步命令才能完成，这个命令序列包括两次编程命令和一次编程校验命令。3 2 数据存储器的扩展8 0 c 5 5 2 内部虽有2 5 6 字节的r a m ，但不能满足使用要求滞i 据系统所需r a m 容量，在8 0 c 5 5 2外部扩展一片8 k 字节的静态数据存储器6 2 6 4 。6 2 6 4 是采用c m o s 工艺制成的8 k 8 位2 8 引脚的静态读写存储器，数据输入和输出引脚共用，三态输出，采用单- - + 5 v 电源，其输入输出电平与t t l 兼容。有两个片选输入端c e l 、c e 2 ，分别为低高电平有效，具有低功耗操作方式，额定功耗2 9 ( ) m w ，当未选通时，芯片即处于低功耗状态，可减少8 0 以上的功耗，只需有2 v 电源电压、几十“a 电流就可保持数据不变，工作方式选择如表3 2 所示。表3 - 26 2 6 4 工作方式选择表w ec e lc e 20 9i 0 、i o 工作方式xhxx高阻未选中xxlx高阻未选中i【hlhh高阻输出禁止hlhl数据输出读操作llhh数据输入写操作llhl数据输入写操作3 3 系统复位与r a m 的掉电保护如果控制器在工作中由于停电等事故突然断电，系统必须能自动保护r a m 中有用的信息和系统的运行状态，当电源恢复时，系统能够自动恢复到断电前的运行状态，以确保挤奶机的清洗不出现不必要的重复。因此系统中设计有复位和掉电保护电路。3 3 1 系统的复位c p u 在上电期间，电源电压处于上升过程中，此时c p u 的逻辑状态不确定，三总线电平状态处于未知状态，因此系统上电过程应维持在复位状态；c p u 掉电时，电压下降过程中，当电压低到一定程度，c p u 也处于未知状态，系统在掉电时也应维持在复位状态。维持在复位状态，可以防止c p u 执行操作码时发生错误，这对于断电时数据在外r a m 存储具有十分重耍意义。8 0 c 5 5 2 的复位通过m a x b l 3 l 芯片实现。m a x b l 3 l 是m a x i m 公司生产的价格低廉的微控制器监控芯片，它是8 管脚d i p 封装，具体管脚定义及封装见图3 1 和表3 3 。6m a x 8 1 3 l图3 - 1m a x 8 1 3 l 的管脚表3 - 3m a x 8 1 3 l 封装引脚号名称功能】m r手动复位，当电压降到o8 v 以下时，手动复位触发一个复位脉冲。这个低电平为有效输入提供一个内部2 5 0 1 * a 的上拉电流。它能被t t l 或c m o s 逻辑电路来驱动。2v c ct 5 v 电源输入端g n d地4p f i电源失效监督输入端。当p f i 低于12 5 v ，p f o 为低电平。若p f i 不用，可将其与g n d 或v c c 相连。5p f o当p f i 低于12 5 v 时电源失效输出为低电平，且吸收电流。6w d i看门狗输入端7f t e s e t高电平有效输出端8w d o看门狗输出端m a x 8 1 3 l 具有以下几个方面的功能：1 、系统上电、掉电以及供电电压降低时，产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为2 0 0 m s ，高电平有效。2 、看门狗电路输出，如果在1 ，6 s 内没有触发该电路，则输出一个低电平信号。3 、12 5 v 门限值检测。电源故障输入端p f i 的电压与内部基准电压进行比较，如果p f i 低于1 2 5 v ，电源故障输出p f o 变为低电平，可用于电源故障报警或其他外电源的监控。4 、手动复位输入，低电平有效。系统中利用m a x 8 1 3 l 实现复位功能。因为8 0 c 5 5 2 内部有监视定时器，所以没有运用m a x 8 1 3 l 的看门狗功能。具体复位电路见图3 - 2 。电路中开关s 2 用来手动复位。3 3 2r a m 的掉电保护圈3 - 28 0 c 5 5 2 的复位电路由于6 2 6 4 是易失性的，一旦电源去掉，内部的所有信息均被破坏，系统中采用掉电自保护s r a m 插座d s l 2 1 3 b 保护掉电时6 2 6 4 中的数据。d s l 2 1 3 b 是一种2 8 目 脚的掉电自保护插座，用嵌入式锂电池保持s r a m 中的数据，可以把标准的c m o ss r a m 转换成非易失性存储器，6 2 6 4插入d s l 2 1 3 b 插座后掉电时就不会丢失数据。掉电自保护s r a m 插座d s l 2 1 3 b 是一种有源电子插座，内部带有c m o s 控制电路和锂电池电源，可以在不增加原印制板面积、不改变原来系统设计的情况下，完全解决静态r a m 掉电数据丢失的难题。d s l 2 1 3 b 插座可以自动对电源电压进行检测，当电压低于某一容限值时，可自动启用内部锂电池供电，同时对芯片进行写保护，以保证原数据不会产生混乱。插入d s l 2 1 3 b 插座的s r a m 芯片在断电情况下可以保持其中的信息达十年以上。掉电自保护s r a m 插座d s l 2 13 b具有后备电池的c m o s 存储器所需要的以下4 种电路功能：1 、电子开关，它接通后备电池或v c c 中的哪一个取决于它们的电压哪一个更高一些，这个电子开关上的压降只有0 2 v ；2 、掉电检测，其检测的电压范围是：4 7 5 v 45 v 之间。d s l 2 1 3 b 会不断对电源电压进行检测，当内部的精密比较器检测到电源电压低于4 7 5 v 时，便会封锁芯片片选输入信号：3 、通过把存储器的芯片片选信号保持在电源v c c 或电池电源的0 2 v 以内来实现写保护，如果在掉电检测时芯片片选输入信号被激活，写保护将被延迟，直到存储周期完成以避免引起数据混乱；4 、对电池的状况进行检测，以提示存在数据丢失的危险。3 4 输入信号部分输入信号包括热水温度检测、水质检测以及奶泵启动次数三个输入信号。8挚-瓣3 4 1 温度检测信号放大电路挤奶机在碱洗或酸洗时，一般采用6 0 “c 8 5 0 c 的热水加清洗液清洗，所阱挤奶机在清洗过程中，控制器自动检测热水温度是否达到要求，只有在热水温度满足要求时控制器才按设定步骤清洗。如果热水温度低于6 0 ”c 控制器自动报警。系统中温度检测采用n s 公司生产的l m 3 5 d z 温度传感器，l m 3 5 d z 是电压输出型集成温度传感器，t o 9 2 封装，有电源、地、输出3 个管脚，工作电压范围宽( 4 v 3 0 v ) ，本控制系统选用1 5 v 电源，它直接以摄氏度校准，使用方便，在2 5 ”c 时精度为0 5 0 c ，测温范围为一3 5 。c + 1 5 0 ”c ，线性度好。l m 3 5 d z 在o ”c _ 1 5 0 “c 范围内输出是0 m v + 1 0 0 m v o c ，完全满足水温的检测。l m 3 5 d z 的封装及管脚见图3 - 3 。t o - 9 2p a s t i cp a c k a g e嘲m m w 谢d 衄笳 8 to r d e rn u m b e rl m 3 8 c 五l m 3 辩a z0 fl 馘3 s o zs e en sp a c k a g en u m b e rz 0 3 a圈3 - 3l m 3 5 d z 的封装及管脚温度检测传感器l m 3 5 d z 输出的信号经集成运算放大器a do p 0 7 放大后输入8 0 c 5 5 2 的a d c 7 ( p 57 ) 口，由8 0 c 5 5 2 内部的a d 转换成数字信号。因为水温在0 0 c 1 0 0 “c 范围内，所以l m 3 5 d z 的输出在0 v 1 0 v 之间，是m v 级电压，通过一级放大就能满足8 0 c 5 5 2p 5 口的输入要求。系统中选择低漂移型集成运放a do p - 0 7 来放大l m 3 5 d z 的输出信号。a d o p 0 7 是高精度运算放大器，具有极低的失调电压( 1 0 9 v ) 和偏置电流( o 7 h a ) ，它的温漂系数为o 2 9 v f c ，长期稳定性能指标为o 2 u v 侮月。a do p 0 7 具有较高的共模输入范围( 1 4 v ) ，共模抑制比c m r r = 1 2 6 d b 以及极宽的供电电源范围( 从士3 v 到士1 8 v ) ，系统中选用1 5 v 供电电压。l m 3 5 d z 传感器输出信号的具体放大电路如图3 4 所示。图中o p 0 7 用作反相比例放大器，l m 3 5 d z 温度传感器的输出i n t 接到o p - 0 7 的反相输入端，放大器的放大倍数为i g i = r s r 3 = 5 ，为抑制偏流而产生的输出失调，在o p 一0 7 的正相输入端接上电阻r 2 和r 6 ，电位器r 1 0 用来调零。o p - 0 7 的士1 5 v 电源由5 d i s d 电源转换模块的输出提供。5 d 1 5 d 模块把+ 5 v 转换成+ l s v 和一1 5 v 直流电压，可减少装置中的整流电路，简化设计电路。圈3 _ 4 温度传感器输出信号放大电路3 4 2 水质检测信号放大电路挤奶机清洗结束时，控制器自动检测清洗的质量，如果已经清洗干净，则清洗结束，否则再次清洗直到清洗干净为止。挤奶机清洗是否干净由专用的水质检测仪检测清洗完时排出的水是否符合标准决定，水质检测仪检测水质时输出0 1 5 m v 的电压信号经放大后输入到8 0 c 5 5 2 的a d c 6( p 56 ) ，由8 0 c 5 5 2 内部的a d 转换为数字信号。因为水质检测仪输出o 1 5 m v 电压，为了满足8 0 c 5 5 2a d 转换的电压要求，电路中选用两级放大，第一级放大倍数为2 0 ，第二级放大倍数为1 6 5 倍，两级共放大3 3 0 倍，水质检测仪输出的o 1 5 m v 电压信号经两级放大后在o 4 9 5 v 之间，满足a d 转换的输入要求。水质检测信号的放大电路见图3 5 所示。1 0r 92 0 0 k匿3 - 5 永质检涮仪输出信号放大电路3 4 3 奶泵启动信号检测电路奶泵启动信号是开关量，系统中利用r c 电路和光电隔离抑制干扰。具体电路如图3 - 6 所示。因为奶泵启动频率很低，所以先采用简单的r c 电路消除抖动。图中s 1 末台上时，电容c 1已充电至u + 5 v ，a 点电压为+ 5 v ，在s l 合上时，c 1 经r 1 1 放电，a 点电位逐渐降低，刚闭台时s l 触点有抖动现象，但由于c l 上的电压不能突变，从而a 点电位不会随触点的抖动而急剧变化，于是消除了抖动干扰。图中r 11 的作用是：在s l 闭合时增加a 点电位的下降延时，以确保下降有一定的抗干扰时间，消除抖动的影响。图中t l p 5 2 1 1 是光电耦台器，它可以把夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲挡在输入回路的侧。除此之外，t l p 5 2 卜1 还能起到很好的安全保障作用。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦台，而是以光为媒介进行间接耦台，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。奶泵启动信号通过消除干扰后输入到8 0 c 5 5 2 的计数器1 o ，当s 1 由断开到闭合时，t 0 管脚由高电平“1 ”变为低电平“0 ”，t 0 管脚从“1 ”降到“0 ”时t o 计数一次，即由t o 统计奶泵的启动次数，从而可估计当班的挤奶量。3 5 n d 转换部分图3 石奶泵启动信号检涮电路8 0 c 5 5 2 内部含有一个8 路l o 位逐次比较型a d 转换器，因此，系统中不用扩展a d 转换芯片，硬件电路更为简单。8 0 c 5 5 2 的p 5 口除能作为一般的i o 口外，还具有第二功能，即作为8 路1 0 位a d 转换爨的模拟信号输入端。8 0 c 5 5 2 内部a d 转换器由模拟输入开关、a d 转换器、a d c 控制寄存器a d c o n 和a d c结果寄存器a d c h 等部分组成其电路结构如图3 - 7 所示，图中a d c o n 和a d c h 皆为8 位寄存器，属于特殊功能寄存器，a d 转换有自己独立的模拟电源( a v d d 为十5 v 、a v s s 为模拟地)和模拟参考电源( a vn 和a v e r ) 。a d 转换有软件和外部s t a d c 引脚信号上升沿两种启动方法，完成一次a f d 转换需要5 0 个机器周期，模拟输入8 路信号电压范围为0 5 v 。s t a d c 。启a d ) 一图3 78 0 c 5 5 2 内部a d 转换电路图a d c 控制寄存器a d c o n 是控制a d 转换的一个特殊功能寄存器，可以通过指令对它进行字节访问，以实现对a d 转换的操作。a d c o n 各位定义如表3 - 4 所示。8 路模拟量输入开关受a d c o n 中低三位地址码控制，用于选择a d c 7 ( p 57 ) a d c 0 ( p 50 ) 引脚上输入模拟量中哪一路送给1 0 位a d 转换器。a d c o n 中高2 位a d c o n 7 和a d c o n6 用于存放a d 转换后1 0位数字量中的低2 位( 高8 位存放在a d c h 中) 。a d c o n 中其余三位a d c o n 5 a d c o n 3 用于a d 转换的控制。表3 - 4a d c 控制寄存器a d c o n 各位定义d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld 0liili】r【a d c1ia d c 0la d e xia d c ila d c sja d d r 2| a d d r l a d d r 0a d e x 为允许外部启a d 控制位，若该位设定为0 ，则a d 转换器只能有软件启动；若该位设定为1 ，则a d 转换器既可以由软件启动，也可以由s t a d c 引脚上信号的上升沿启动。若采用s t a d c 上升沿启动a d 工作，则加在s t a d c 引脚上低电平和离电平的持续时间至少应为1个机器周期。a d c i 作为a d c 中断标志位，当a d 转换完成并准备好可为c p u 读取数字量时该位被自动置位。若a d c i = 0 ，则表示无a d c 中断，a d c 或者处于空闲或者正在a d 转换状态；若a d c i = i ，则表示有a d c 中断，等待c p u 读取a d 转换后的数字量。a d c i 必须由软件清除。a d c s 为a d c 启动控制位，可以通过指令或者外部s t a d c 上信号的上升沿将它置位。一旦a d c s 被置位，就不能用软件将它复位，它是在a d 转换完成后由硬件自动复位的。a d c s 与a d c i 有4 种状态组合，见表3 - 5 所示，其中三种为有效功能状态：表3 - 5a d c s 与a d c i 有效功能状态表a d c sa d c i功能00a d c 空闲，可以启动a 巾转换0ia d c 忙，禁止再启动a d 转换10a d c 转换完毕，禁止重新启动a d 转换11无效3 6 控制和报警部分控制和报警部分通过8 0 c 5 5 2 的p 1 口实现，具体分配如下：p 1 0 控制冷水电磁阀；p 1 1 控制热水电磁阀：p 1 2 控制碱液电磁阀；p i3 控制酸液电磁阀；1 4 控制消毒液电磁阀；p 15 控制海绵球挤水；p l6 控制挤奶机系统断电；p 17 控制水温不够时报警。该系统的控制电路用米控制各个电磁阀的开关，因为启停的负荷不大，所以采用继电器隔离输出控制。因继电器触点的负载能力比较大，能直接控制动力电路。系统中输出口p 1 与低压小继电器之间接有集电极开路的o c门型驱动器s n 7 5 4 5 2 b 。s n 7 5 4 5 2 b 是t i 公司生产的集成功率驱动芯片，是两路双与非功率驱动器，它的吸收电流l o l = 3 0 0 m a ，几乎能驱动任意型号的小型继电器，一个s n 7 5 4 5 2 b 芯片可以控制两路，图3 7 是s n 7 5 4 5 2 b 驱动两路继电器电路。图中二极管d 2 、d 3 作为线圈的释放回路，用来保护驱动器。由于p 11 2 1 的p 1 6 和p 1 7 是8 0 c 5 5 2 的1 2 c 串口的s c l 和s d a 线，内部没有接上拉电阻，所以在设计中p i 6 和p 17 接有上拉电阻。p 1 口的其它6 个管脚内部接有上拉电阻，外部无需再接。每个真空电磁阀由继电器的常开触点控制，如图3 - 8 所示，如要打开冷水电磁阀时，令p 1 0 = 1 ，这时y = 0 ，继电器的常开触点k l 闭合，冷水电磁阀打开，其它电磁阀的控制原理和冷水电磁阀一样。该控制器用4 个s n 7 5 4 5 2 b 芯片驱动7 个继电器和一个报警电路。挤奶系统断电由供电电路中串联的继电器的常闭触点控制，通过p i 6 口线控制触点通断。控制器在挤奶机清洗过程中自动检测热水温度，若热水温度低，通过红色指示灯报警。系统中p 1 7 口线用于报警。3 7 通信部分p l0 控制挣水电磁阀p ll 挖制莓水电躺图3 - 8 功率驱动电路控制器和上位机的通信采用r s 4 8 5 总线标准，由i v l e 、x 4 8 5 芯片与8 0 ( 2 5 5 2 的u a r t 串行口构成半双工通信电路。r s 一4 8 5 标准是r s 一4 2 2 a 的变型。r s 4 2 2 a 为全双工，可同时发送与接收；r s 4 8 5 为半双工，在某一时刻，一个发送另一个接收。r s 一4 2 2 a 标准是e i a 公布的“平衡电压数字接口电路的电气特性”标准，这个标准是为改善r s - 2 3 2 c 标准的电气特性，又考虑与r s 2 3 2 c 兼容而制定的。r s - 4 2 2 a 给出了对电缆、驱动器的要求，援定了双端电气接口形式，其标准是双端线传送信号。它通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转换成逻辑电平，实现终端的信息接受。r s 4 2 2 a 每个通道要用两条信号线，如果其中一条是逻辑“1 ”状态，另一条就为逻辑“0 ”。r s 一4 2 2 a 标准允许驱动器输出为4 - 2 6 v ，接收器可眺检测到的输入信号电平可低到2 0 0 m v 。r s - 4 2 2 a 比r s - 2 3 2 c 传输信号距离长、速度快。因为控制器安装在远离管理办公室的挤奶车间，控胄4 器和管理办公室中的上位机通信距离比较长，所以选择r s - 4 8 5 总线标准而不用常用的r s 一2 3 2 c 标准，因为r s 2 3 2 c 有数据传输速率慢，传送距离短，接口处各个信号间容易产生串扰等缺点；而r s 4 8 5 标准克服了r s 2 3 2 c 的缺点，具有通信距离长，传输速率快的优点，在通信速率为1 0 0 k b s 时通信距离可达1 2 k m ，满足控制器与上位机的通信要求，而且r s - 4 8 5 是一种多发送器的电路标准，它允许双导线上一个发送器驱动3 2 个负载设备，每个负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器，采用r s 4 8 5 标准，便于和将来扩展的其它设备通信，符合计算机管理生产车间的需要。m a x 4 8 5 芯片是m a x i m 公司生产的差分平衡型收发器芯片，包含一个驱动器和一个接收器。用m a x 4 8 5 组成的差分平衡系统，抗干扰能力强，接收器可检测低达2 0 0 m v 的信号，传输数据可以从千米以外得到恢复，因此特别适合于远距离通信，可组成满足r s 4 8 5 标准的通信网络。m a x 4 8 5 芯片具有壹疆下性能及特点：单+ 5 v 电源供电。低功耗：工作电流1 2 0 5 0 0 x a ：静态电流3 0 0 9 a 。驱动器过载保护。通信线上最多可挂3 2 个收发器。共模输入电压范围：7 v + 1 2 v 。半双_ 通信，最大通信速率为25 m b s 。8 管脚s o 封装。m a x 4 8 5 芯片管脚定义如表3 - 6 所示。表3 - 6m a x 4 8 5 管脚定义引脚号名称功能1r o接收器输出。a b + 02 v r o = i ：a - b - 02 v ，r o = 02r 邑接收器输出使能。r f , - 0 ，允许接收器输出ir e - 1 ，接收器输出被禁止3d e驱动器输出使能。4d i驱动器输入。5g _ n d地6a接收器非反相输入和驱动器非反相输出端7b接收嚣反相输入和驱动器反相输出端8v c c电源，47 5 v v c c 52 5 vm a x 4 8 5 工作时驱动器和接收器的输入、输出关系见表3 7 和表3 - 8 。表3 7m a x 4 8 5 发送功能表输入输出，r ed ed iabx1lo1x1olo00x高阻高阻10x高阻高阻表 8m a x 4 8 5 接收功能表输入输出i r ed ea br oj【oo+ o2 vt1【o00 2 voilo0输入开路tl!l0x高阻l在通信电路中，选择双绞线作为信号传输线。由于双绞线在长度、方向上完全对称，因而它们所受的夕 界干扰程度完全相同，干扰信号以共模方式出现。在接受器的输入端由于共模信号受到抑制，所以能实现信号的可靠传送。信号在传输线上传送时，若遇到阻抗不连续的情况，会出1 6现反射现象，从而影响信号的远距离传送，因而通信电路中采用阻抗匹配的方法来消除反射。双绞线的特性阻抗一般在1 1 0 q 1 3 0 q 之间，所以在传输线的末端接1 2 0 f ) 的电阻，进行阻抗匹配。控制器用p 4 4 口控制m a x 4 8 5 的接收器的接收和驱动器的输出，电路见图3 - 9 。圈3 - 9m a x4 8 5 通信电路因为上位机用串口控制该控制器，而上位机的串口是r s 2 3 2 c 标准，控制器的通信用的是r s - 4 8 5 标准，所以在上位机和控制器之间接一个r s 4 8 5 和r s 2 3 2 c 的转换模块。3 8 显示部分控制器的显示部分选用北京青云创新科技发展有限公司生产的l c m l 2 2 3 2 z k 液晶显示模块，该模块具有优良的性能价格比，液晶屏幕为1 2 2 3 2 ，可以显示两行，每行能显示7 , 5 个汉字，即1 5 个字符，能满足控制器的要求。该模块有2 0 个引脚，各引脚功能见表3 - 9 。7表3 - 9l c d 模块引脚定义引脚名称定义lv 0l c d 亮度调整，外接电阻端v ric d 亮度调整外接电阻端3g n d地4v c c电源3 v 5 vn c未用6r s选择寄存器( 并行) 0 ：指令寄存器，l ：数据寄存器7r w读写控制脚( 并行) 0 ：写入，l ：读8e读写数据起始脚( 并行)91 ) 0数据线01 0d l数据线l1 1i ) 2数据线21 2d 3数据线31 3i ) 4数据线41 41 3 5数据线51 5d 6数据线61 6d 7数据线71 7p s b控制界面，o ：串行，1 ：并行8 4 位1 8r s 7复位信号，低有效1 9l k背光源负极2 0l a背光源正极挤奶机清洗时控制器的显示屏幕上一行显示清洗方法( 酸洗、碱洗或预洗) ，下一行显示清洗过程剩下的时间。该模块和单片机的接口采用并行8 位模式，数据口接8 0 c 5 5 2 的p 0 口，读写数据起始脚e 由8 0 c 5 5 2 的读写选通信号r i d 、w r 与非后和p 2 5 相与复合控制，模块的背光电压为4 0 - 4 4 v ，电路中+ 5 v 电源通过二极管d 1 后电压在4 3 伏左右，满足背光电压的要求，电阻r 1 用来调整显示亮度，引脚p s b 和r s t 脚已在模块内部设置，可不接，8 0 c 5 5 2 的p 4 5 、p 4 6脚分别控制模块的r s 、r w 脚，8 0 c 5 5 2 和l c d 模块的接口电路如图3 - 1 0 所示。1 8c o n 2 0l c d 接口p 3 m r j dp -l mp 2 7 ，a 1 5p _2 ，卫唧p 2 f i l a l 4p j；3 n q t lp j j m l 3； 芏毒p ! 门：。r 2 a 1 2p ：j 1 1p 0 3 ， l lp ：6 ，w rp j 2 阻1 0p !，皿dp j l ，a 0 9n：p 2 d 8np l ，s d a7 4 h g k 0 - 萼一n。p 1 6 捂c lp ，o ，c r 0p l j p l ，c l 昭r 1p 1 4 册p j ，c 掷r 2p 1 3 c n ip 3 c s b 2 3p 1 2 1 c 啦lp ，c 船r 4p li l c t i ip 3 c 1 憾r 5p 1 0 i c t o ip6 ，c 瑚p 0 7 ， d 7p t i c n t lp 0 d 舢6p一d a d c 0p o s l d sp ；m a d c lp o _ 舢4p；2 a d c 2p t l 3 a d 3p 3 a d c 3p 0 j ， d 2p一4 a d c 4p ol ，a d lp- j h j ) c 5p o o ， d 0p6 1 a d c 6s t d cp ：7 l a d c 7a v r e f +p 1w r i p 1珊d 1e wak e e p r 0 0l ：“pz： l 2z c l lp ：日r s t3 9 键盘部分图3 1 08 0 c 5 5 2 和显示模块接口电路圈控制器的键盘由8 0 c 5 5 2p 4 o p 4 3 和p 5 0 p 5 3 组成的行列式键盘构成，在行线p 50 p 53上接有1 0 k f 2 上拉电阻，可设置1 6 个键，系统中用了9 个功能键，分别为预洗、碱洗、酸洗、增l 、减1 、开始、暂停、继续和停止功能。具体电路如图3 1 l 所示。辫器巫器巫裂098765432 l09876 j4 j j l! ! l 型l 璺l ! l厂釜n ”减i开始暂停继续p , p 1+ 5 v。15 -r _ 。0 一r _ 。0 一- r - 。0 一久卜_ 一一停止k z y l 2藿 r 00 一r 0 一广00 一厂。一1r ) 0 一r 叫) 0 一r 00 一r _ 。0 一l3 1 0 电源设计匿3 - n 键盘接口电路在系统设计中，为防止干扰，系统的电源单独制板。根据系统的需要，设计有+ 5 v 1 + 2 4 v两种直流电源，+ 2 4 v 主要为真空电磁阀供电。电源具体设计电路见图3 。1 2 所示。为防止干扰，+ 5 v 和+ 2 4 v 电源采用分立式供电，即采取两路整流、滤波、稳压，这样可以有效消除各单元电路间电源线、地线间的耦合干扰，提高供电质量，增大散热面积。电路中大容量的电解电容c 3和c 4 用来抑制低频干扰，c 1 和c 2 用来滤除高频干扰，c 5 和c 6 用来改变负载端的瞬态响应，抑制瞬变噪声干扰。m c 7 8 0 5 k 和m c 7 8 2 4 k 是m o t o r o l a 公司生产的正电压输出集成三端稳压器，m c 7 8 0 5 k 输出+ 5 v 直流电压，m c 7 8 2 4 k 输出+ 2 4 v 直流电压。3 1 1 抗干扰设计3 1 1 1 去耦电容配置