基于近红外光线牛奶流量实时检测系统

摘要

在奶牛养殖过程中，准确有效地检测出每头奶牛的实时产奶量和日产奶量对于奶牛养殖企业掌握每头奶牛的日产奶量情况、合理地喂养奶牛、淘汰低产奶牛、增加经济效益具有极大帮助。目前，在小型牧场挤奶厅中对每头奶牛日产奶量信息的获取一般采用依靠人工来观测的容积法，为了保证牧场中奶源的卫生安全问题，测量容器需要定时清洗不仅耗时耗力、效率低，同时也会因人为因素导致观测误差。而在大型牧场中主要采用以色列阿菲金公司研发的红外流量计设备，目前该设备完全依靠进口，价格昂贵、维护技术难，在国内牧场中无法大规模应用。工人每天对奶牛的产奶量进行称量、登记、记录，因此为了减轻繁琐工作量，提出利用非接触式近红外光线检测牛奶流量系统来代替国内目前小型牧场中人工录入的方法。
　　本课题依据朗伯-比尔定律：物质对某一单色光的吸收强弱与吸光物质浓度和厚度有关开展研究。对于介质均匀的鲜牛奶主要成份为水、蛋白质、乳糖、脂肪，在牛奶浓度一定的情况下，其吸光度与牛奶厚度有关，根据这一特性，来获取传输管内牛奶的瞬时厚度，设计了一种利用近红外光线自动检测奶牛实时产奶量系统。本课题的主要研究内容包括：
　　（1）根据朗伯-比尔定律对于均匀介质牛奶其吸光度与牛奶的浓度和厚度有关这一特性，参考国内外研究文献，设计了利用近红外光线来检测牛奶流量的整体方案，实现牛奶流量实时检测。
　　（2）设计了牛奶流量检测系统的硬件电路。该检测系统由红外发射电路、单片机系统、红外接收放大电路、身份自动识别模块以及无线通讯模块和上位机系统组成。红外发射电路由恒流源模块、近红外发光管、三极管开关电路组成，功能是为牛奶厚度检测提供稳定的近红外光线；红外接收放大电路由光电传感器以及滤波放大电路组成，主要功能是接收近红外光线将其转化成电压信号并进行滤波放大；单片机系统采用了STM32单片机最小系统，是牛奶流量监测系统的核心，主要功能是控制近红外光线的循环发射，接收检测的模拟信号并通过 A/D转换为相应数字信号；无线通讯模块由低功耗无线发射端和接收端通讯模块组成，功能是完成与上位机系统数据的传输；身份自动识别模块由中距离的射频卡和射频读卡器组成，功能是进行奶牛身份的自动识别，便于将检测到的产奶量与相应的奶牛对应起来；上位机系统由PC机、无线接收模块与PC通讯的串口线组成。
　　（3）进一步完成单片机模块程序设计，系统实现过程是通过对传输管内牛奶厚度的实时检测获取厚度信息以及流速和流过时间信息，将数据进行预处理并由无线通信模块传送给上位机。程序设计主要包括控制近红外灯的循环发射、DMA数据存取、A\D数据转换以及数据的无线传输等；在LabVIEW环境下编制了上位机分析软件，为用户提供了操控界面，实现产奶量数据信息的接收、处理、储存和查阅等功能。
　　经过初步大量试验验证，本系统可以实现动态牛奶流量的实时检测。检测系统最大的特点是采用近红外光检测，不直接接触牛奶源，防止对奶源造成污染保证了牛奶的卫生安全性，并实现单片机控制自动脱杯。该系统将自动化、数字化与畜牧业相结合，为实现数字化畜牧养殖打下了基础，具有广泛的应用前景。

目录

声明

1 引言

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4小结

2 系统总体设计及可行性分析

2.1 系统设计的依据分析

2.2 研究方法

2.3 技术路线

2.4 系统方案设计及确定

2.5 系统的可行性分析

2.6 小结

3 系统硬件电路设计

3.1检测装置硬件总体组成

3.2 系统硬件设计及选型

3.3 系统硬件抗干扰设计

3.4 自动脱杯设计

3.5 小结

4 软件程序设计及算法分析

4.1 单片机程序设计方案

4.2 主程序设计

4.3 数据算法分析处理

4.4 程序运行稳定性设计

4.5 上位机数据接收设计

4.6 小结

5系统装置试验与分析

5.1 静态牛奶试验与分析

5.2 光照及温度对检测影响试验

5.3 动态牛奶试验与分析

5.4 误差分析及应对措施

5.5 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2创新点

6.3 建议和展望

参考文献

附录

致谢

硕士期间申请专利情况