奶液电导率检测与奶量自动计量装置设计与实现

摘要

21世纪，我国奶业及相关的乳品加工业取得快速发展，但同时也暴露出诸多问题。2008年的三聚氰胺事件，2014年我国部分省市出现的倒奶现象，直接或间接的反映出我国在奶牛养殖结构、奶牛养殖体系以及养殖技术上存在弊端。针对这些问题，结合我国奶牛养殖业的实际情况以及规模化、信息化的发展需要，本文研究一种简单易用、自动化程度较高、实现成本较低的奶液电导率检测与奶量自动计量装置，应用单片机结合传感器技术实现奶液电导率检测与奶量计量，为判断奶牛健康情况提供数据支持。
　　结合国内外研究现状，对部分中小养殖场进行相关调研，并在2014年6月中旬，前往黑龙江省齐齐哈尔市克东县飞鹤乳业公司第一牧场参观学习，确定设备的实际应用环境并提出了设备的总体设计以及实施方案。
　　首先，对奶液电导率检测与奶量自动计量装置进行硬件系统设计。主要包括处理器模块，数据测量模块，数据传输模块，显示与输入模块四个部分。根据实际应用环境、后期功能扩展等需求，设备核心处理器选用STM32F103ZET6芯片，使用OF05ZZT-AR流量传感器与10.0cm-1的电导电极实现数据采集功能，使用AT070TN92液晶屏搭配电容触摸屏实现设备显示与输入功能，同时完成了相关硬件电路的设计。数据传输选择基于ZigBee技术的无线网络传输解决方案，实现设备的数据传输功能。
　　其次，对奶液电导率检测与奶量自动计量装置进行软件系统设计。使用Keil MDK作为设备的嵌入式开发工具，完成设备软件系统的开发。根据设备功能需要，软件部分主要包括数据处理，数据传输，显示与输入以及通用滤波算法四部分。按照其任务优先级别完成软件系统程序设计与开发。
　　最后，建立了奶液电导率检测与奶量自动计量装置测量模型，主要包括流量测量模型、电导率测量模型、温度补偿系数模型。并对设备及模型的可用性和准确性进行验证，在10组流量测量数据验证集中，流量测量数据最大相对误差为4.3％，最小相对误差为1.2％，整体低于5％;在20组电导率测量数据验证集中，电导率数据最大相对误差为2.8％，最小相对误差为1.8％，整体低于3％。实验相对误差均在允许范围内，说明测量模型具有一定的准确性以及可用性。
　　综上所述，本文研究的奶液电导率检测与奶量自动计量装置具备了牛奶流量测量、奶液电导率信息检测、数据传输的功能。应用单片机传感器技术，实现了自动化测量牛奶相关信息，符合我国奶牛养殖业自动化、信息化的发展需求。而且设备具有实现成本低、易用性高、测量精度较高等优势，有良好的研究与推广价值，有利于提升我国养殖技术水平，对提高牛奶产量与预防奶牛疾病起着重要的作用。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容与技术路线

1．4 论文主要工作与章节安排

2 设备方案总体设计

2．1 设备方案设计要求

2．2 设备功能分析

2．3 可行性分析

2．4 系统抗干扰设计

2．5 本章小结

3 设备详细设计与实现

3．1 硬件系统设计与实现

3．1．1 主处理器模块

3．1．2 测量模块

3．1．3 数据传输模块

3．1．4 显示与输入模块

3．2 软件系统设计与实现

3．2．1 软件系统总体设计

3．2．2 数据处理软件设计

3．2．3 数据传输软件设计

3．2．4 数据显示与输入软件设计

3．2．5 通用滤波算法设计

3．3 本章小结

4 设备测量模型建立与验证

4．1 流量测量模型构建

4．2 电导率测量模型构建

4．3 温度补偿系数模型构建

4．4 设备及模型准确性验证

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文