家畜自动喂养系统的设计与实现毕业论文.docx
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家畜自动喂养系统的设计与实现毕业论文
摘 要
随着科学技术的进步,我国养殖业现代化飞快发展。
在养殖业技术的饲养和管理中,从最开始的的人力控制,到目前的全新自动控制设备,基于嵌入式设备的家畜自动喂养系统正在日益发展。
目前我国家畜养殖数量在不断增加,大部分家畜养殖仍然是人工管理模式。
本文在对嵌入式研究的基础上,模拟了一种新型的自动喂养系统。
本系统利用嵌入式技术、传感器技术来构建其家畜自动喂养系统,实现对家畜的自动喂养,根据预先设置摄食时常和摄食总重,当倒计时结束后,通过传送带将饲料运输到饲料槽,当重量达到预定值后,系统发出喂食释放信号吸引家畜,家畜进行摄食。
其设计主要的研究工作就是其预设时间点和载重量并放出摄食讯号。
家畜自动喂养系统主要包括STM32F103RCT6控制器、电源电路、传送带、称重传感器、按键电路、显示模块。
本设备主要解决的是大规模化的家畜喂养的效率问题,以及极大的减少了人工劳动力,并且系统操作简单,运行稳定。
关键词:
养殖业;自动喂养;嵌入式;STM32F103RCT6
Abstract
Withtheprogressscienceandtechnology,themodernizationofaquacultureinChinaisdevelopingrapidly.Inanimalhusbandry,fromtheinitialmanualcontroltomodernautomationequipment,embeddedequipmentisused,thelivestockautomaticfeedingsystemisdevelopingdaybyday.Atpresent,thenumberoflivestockinourcountryisincreasing,Mostofthemarestilloperatedbyhand,thispaperproposesanautomaticlivestockfeedingsystem.
Thesystemusesembeddedtechnologyandsensortechnologytobuildwirelesssensornetworktorealizeautomaticfeedingoflivestock,thatis,bysettingfeedingtimepointandfeedingweight,arriveat,thefoodistransportedtothefeedingportthroughtheconveyorbelt,whentheweightreachesthepresetvalue,thesystemsendsoutfeedingsignaltoattractthepetandfeedautomatically.Thisdesignmainlystudieshowtosettimepointandweightandsendoutfeedingsignal.PetautomaticfeedermainlyincludesSTM32F103RCT6controller,keycircuitanddisplaymodule.Thisdesignsolvestheproblemthattheownercan'tfeedthepetandthepet'sdietisnotregularduringworkingdaysorholidays.Thissystemissimple,stableandhassomeaddedvalue.
Keywords:
Aquaculture Feeding Embedded STM32F103RCT6
目 录
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
家畜自动喂养系统是一种非常有实用价值的设备,它的应用给家畜饲养者和小型饲养企业带来了很大的便利。
传统的喂养方式不方便,不精确,导致了人员利用率的下降,这样就导致了大中小型家畜养殖企业的持续发展的问题,难以符合大中小型家畜养殖企业的效益期望。
现在越来越多的养殖大户都饲养猪、鸡、牛、羊等家畜,但是由于各种原因,需要大量的人力资源进行喂食等看养,大大的浪费了人力资源的合理利用,本文设计的家畜自动喂养系统可以解决这一问题,合理化了人员的分配,提升了生产率,减少了固定位置人员的分配,减少了养殖家畜所消耗的成本,可以提高经济的效益,并且家畜自动喂养系统可以定时定量的进食,且设计简单方便,少数人群就可以控制使用,大大的减少人力资源的浪费有一定的实用价值。
为了满足企业的效益期望,设想出由STM32F103RCT6为核心的系统,以步进电机为元器件,其构造简便,成本低。
具备安全性高、准确性强、简便等特点,并增加了许多新功能,如食物称重,诱食等。
1.2 国内外研究现状
1.2.1国外家畜自动喂养系统的发展及现状
自动喂养技术起源于国外西方发达国家,20世纪50年代,专业型家畜自动喂养开始慢慢层出不穷,使养殖场环境监控和自动喂养技术产生了革命性的变化。
80年代,随着计算机技术的发展和价格的下降,同时人们对自动喂养控制提出了更高的要求,以计算机为核心的自动喂养系统,在西方得到了很大的发展。
近年来,家畜自动喂养系统迈入了网络化和智能化的阶段,国外家畜饲养装置早就开发到非常严谨的层面,并构成了自己的制度化体系。
英国肯巴沃克所研究出的全智能家畜自动喂养设计,它的方案在英国农场获得大量采用,并且国外家畜饲养场内所有设备全是由计算机控制。
计算机对家畜自动喂养系统的管控并不是简便的、脱离的、独立的数字控制。
而是在生态环境建模上的监督管控,以及基于AI技术的控制。
在众多国家中,家畜自动喂养系统正往AI方向发展。
家畜自动喂养系统的现状是存在于智能农业不可缺少的因素,是国际农业装备产业技术竞争的焦点。
在目前世界上很多的国家都建设了家畜自动喂养系统的检测功能,目的在于升级和优化目前的家畜自动喂养系统,让家畜自动喂养系统有更一步的提升。
当然不同国家建立的系统,采用的设备、建设费用、技术方法和管理模式等方法均有所不同。
1.2.2国内家畜自动喂养系统的发展及现状
目前,发展中国家大多数面临着家畜的喂养以及家畜的繁殖的问题。
制约之大多数发展中国家的畜牧产业的发展,就导致国家经济的亏缺。
慢慢的这种亏缺就影响到了人们的生活方面,不得不引起了国家的注意力。
如何解决家畜的自动喂养和家畜繁殖问题成了国家政府的一个难题。
现在国家的家畜喂养大多数还停留在人力喂养的环节,且人工喂养饲料的重量不准确,会导致家畜营养不良,所导致家畜体重较轻,繁殖质量低等问题,还会造成一定量的劳动力浪费。
为了解决此难题,准备设计出一种非常有实用价值的设备,家畜自动维养系统。
其优点会极大的提升家畜的重量,和繁殖的质量。
大量减少劳动力的浪费,让饲养者的利用率极大的提升,降低资源浪费,带动国家经济发展。
对于家畜喂养的传统方法就是人工自动喂养,然后由人工进行喂食与饲料的调配。
由于人工操作不可避免的会带来各种各样的操作误差。
但是随着经济和技术的发展,出现了家畜自动喂养的系统。
早期的家畜自动喂养系统还并不是很全面,只是可以进行简单的饲料传送,但是这样的系统会出现很多的缺点,喂食的时间很难确定,就会导致家畜摄食很不规律,让其家畜不能更好生长与生产。
其次由于当时家畜自动喂养系统的硬件庞大,仍然导致人工消耗量依然庞大,人工利用率很低。
并且当时家畜喂食的时间与重量很难统计,这样就导致汇总很麻烦。
这样的系统会导致比其之前更加麻烦,让国家担忧。
鉴于此,国家内外都在采取积极的应对方案,结合嵌入式技术为核心,结合饲养学的方法原理,以传感器检测为依托结合单片机应用,提升了多种优点例如:
加强了家畜摄食的规律化,提升了人工的利用率,加强了家畜的生产能。
为家畜自动喂养系统提供了重要手段。
比如国内的各大养殖场以前都采用人工饲养,而现在都采用了半自动化饲养模式。
效率逐年递增。
1.3 目的和意义
家畜自动喂养系统的设计目的在于是解决各种传统形式饲养场的人工喂养效率低的问题,提高了生产率,减少了相对应的劳动力,降低了养殖的所消耗的成本,逐步提高经济效益,成本低于只适用于大型养殖场的喂养装置。
本系统硬件以STM32F103RCT6为核心,构建了对饲养家畜饲料的全自动化供给的状况监测,在供给饲料的流程中对必要性的数值做到全过程获取与归纳,必须第一时间给出明确的处理方案,并且开始进行自动调配饲料、饲养、监测的要求。
开发一个家畜自动饲喂系统意义在于,实现对畜禽的精确饲喂。
将要通过数据分析,计算,根据在不同大小时家畜的进食量不同,需要调节不一样的发育环境,并给予不同重量的饲料饲养。
同时大力节省了人力资源的分配,较少了人工费用,提高劳动强度的同时提高了效率。
家畜自动喂养系统智能化,易操作,可靠性强,易升级,可辅助畜禽养殖场,实现优质高产高效的养殖目的。
1.4 课题研究内容
本次设计研究如何设定时间点和倒计时时间点并发出摄取食物的音频信号。
家畜自动喂养系统主要包括STM32F103RCT6单片机控制、电机传动部分,称重部分、门的自动闭合和蜂鸣器发出音频信号提示、倒计时模块的系统设计。
当时间倒计时结束后,蜂鸣器发出音频信号,吸引家畜过来进食并自动投放食物。
本设计解决了在工作或在其他特殊情况时,由于主人不在不能对家畜进行喂食,避免了家畜由于饮食不正常所产生的问题。
在构建家畜自动喂养的设计中,需要使用STM32F103RCT6单片机对所有的子系统实施掌控。
利用键盘来设定计时的时间,STM32F103RCT6单片机反复的记录着时间的变化,并且通过倒计时时间,来确定传送带传送饲料的时间。
当倒计时时间到达设定的时间后,启动传送模块,开始传送饲料,到达称重模块上。
并且称重模块实时显示当时通过传送带传送过来饲料的重量。
同时接有蜂鸣器,当到达摄取饲料的重量后,蜂鸣器发出音频信号吸引家畜进行摄食,自动停止。
主要功能如下:
1.系统利用STM32F103RCT6单片机作为主控芯片,利用电机和传送带构造传动装置。
2.设定时间将饲控制的传送带料通过电机运送到饲料槽。
3.利用压力传感器对入食口的食物进行称重,当重量达到喂养要求,停止电机转动。
4.当食物满足要求后,门自动打开,蜂鸣器发出声音,诱食。
5.利用电机传送带将饲料送到称重模块上就行测量。
第2章 方案选择
在应用系统设计中,软件和硬件是紧密相关的。
好的选择方案可减轻主控制器负担,大大提升工作效率。
应用软件的利用效率提高可以一定程度上降低资金使用,但该技术人员的工作效率也得大幅度增加。
但是对于系统设计,有一大些地方需要由硬件来启动,有一小些地方需要由软件来启动,有一些需要连接在一起的部分,需要更多的实验来寻找最好的解决方案。
2.1 系统分析
家畜自动喂养系统是为了各种家畜养殖企业的利益和方便性出发,适用于各种大小的家畜企业,该系统主要由STM32F103RCT6为核心的系统,实现了对其饲养的家畜的自动供应和各种活动的情况的检测,在喂食的过程中以步进电机为元器件,其构造简便,成本低。
具备安全性高、准确性强、简便等特点,并增加了许多新功能,如食物称重,诱食等功能。
2.2 方案的选取
2.2.1主控制器的选取
方案一:
STC89C52是一种功耗消耗低、可靠性强的8位微处理器,与传统的51微处理器相比之下,有相当大的改良,使得STC89C52成为了极大部分嵌入式操控领域系统,既有效率又方便的解决方案。
它既可以使用串口下载,同时也满足并口的需求,8K的字节程序存储空间,256字符数据信息的内存空间,具有两个中断的多线程Node服务器端,并且也享有多个定时器。
STC89C52是一种功耗消耗低、可靠性强的8位微处理器的系统。
并且具有以下特点:
1.内部含有的只读存储器可以被查改近千次。
2.拥有能够在系统中直接编写程序的提点。
3.可以配搭上主机端的控制程序就可以把使用者的程序代码传输到微控制器的内部。
4.引脚相对简单方便,适合刚入手的操作,但是价格相对昂贵。
5.操作起来简单快捷。
使用STC89C52来操控整个电路,其效率高,功耗消耗低。
但是在不工作的时候其中央处理器的工作便会停止,相对于随机存储器、串口、计数器等是允许继续工作的。
在有掉电保护的状况下,在随机存储器中的内容是极易被保存的,同时会冻结振荡器, 单片机的工作也会被停止,会一直持续到下一个硬件或中断复位。
最高工作35MHz 。
对于大多数的嵌入式系统, STC89C52单片机是能够进行较高的灵活度和较低成本的解决方式的提供的。
单片机如图2-1所示。
图2-1 STC89C52单片机
方案二:
单片机是在大学生活种主要讲解的一种微控制器,它应用的区域非常广泛,可以在自动化过程控制、智能化仪器仪表、机电一体化产品、家用电器方面等等,并具有以下特点:
1.集成度超高,体积较小。
在一个故有芯片上,构造出一台微型控制器所需要有的所有部件,能满足许多地方对硬件的功能需求。
2.实时的操控能力非常强大,性能强。
CPU可以直接对输入输出端口进行各个方面的操作,能对单独任务进行控制。
3.使用的效能低。
可以满足使用广泛等要求,且内部的工作电压设计的人性化仅仅为1.8~3.6V,而且工作电流仅仅为几百微安。
4.使用非常简便,比较容易生产产品。
开发一个完整的嵌入式的系统,从具体的开发分为四个阶段:
应用程序层、模块驱动层、电脑系统层以及操作系统层。
而STM32F103RCT6是MCU的一种,故也属于嵌入式技术。
单片机STM32F103RCT6都具备以上所讲述的各个种类的特点以及特性,其中效能低,使用简便更是超过了同型号的单片机例如51单片机种种,并且它采用的是双CPU结构,使其有更快的加快运算的速度,有效的提高了处理能力。
STM32F103RCT6单片机如图2-2所示。
图2-2 STM32F103RCT6单片机
本系统芯片选择STM32F103RCT6作为主芯片,芯片采用高性能的CPU内核,传输速率到几乎可以达到72MHz甚至跟高。
在同类产品中是性价比能最高的产品。
此外,STM32F103RCT6芯片还具有三种低功耗模式,分别是休眠、停止、待机模式,大大的降低的系统的功耗。
2.2.2显示组件的选取
方案一:
1602液晶屏
LCD显示的种类有很多种其中就包括1602液晶屏,它是嵌入式方向经常使用的液晶屏种类因为它可以显示丰富的内容,以及连接简单非常适合这次研究。
LCD液晶屏的特点是操控起来非常简单,并且消耗的成本也非常低,还是字符型的液晶,显示字母和数字比较方便,非常适合家畜自动喂养的设计原理和需求。
但是缺点也有很多比如有,显示数字的字体大小非常有局限性,还有就是根本不能用来显示图形等等。
具体参数如表2-1所示。
表2-1 LCD1602技术参数表
显示容量:
16×2字符
LCD芯片工作量:
4~5V
最佳工作电流:
2Ma
模块工作电压:
5V
连接接口频率参数表如图2-2所示。
表2-2 连接接口信号表格
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VSS
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
R/W
读/写选择端
13
D6
DataI/O
5
E
使能信号
14
D7
DataI/O
6
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
采用其LCD1602原因是它在嵌入式方向应用广泛,绝大多数嵌入式操作系统的显示组件选取都是选择的1602的类型,其原因是体积相对小,嵌入式方便,显示丰富的内容,更能清楚的显示出其设计的时间和重量部分的数字,但是它不能显示图形的这个功能,也是本次设计并不需要的环节,综合优点以及确定才进行选择。
显示模块实物图如图2-3所示。
图2-3 显示模块实物图
方案二:
数码管
使用LED数码管显示。
它的内部核心是由很多个发光二极管组合成的一个器件。
里面的各种线在其核心内部进行连接。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
LED数码管具有特点是硬件电路简单,价格低廉,并且可以很好的显示数字,它呈现数字的方法实时扫描呈现法。
在连接单片机时,占用的其输入输出端口线也是少。
其缺点是,由于使用的是实时扫描呈现法,需要利用位移寄存器进行位移,才能读取数字,操作起来非常复杂,并且容易出现失误,失误就会导致全体的失败,结LED数码管的种种优点以及缺点,来确实了本次实验不适合选用LDE数码管来当显示模块。
LED数码管如图2-4所示。
图2-4 显示模块实物图
方案三:
12864液晶屏
LCD液晶屏12864的显示模块是用来显示汉字及图形。
内部有8192个中文汉字(16*16点阵)和128个字符(8*16点阵)另外还有64乘以256点阵显示RAM(GDRAM)。
它可以与CPU单独的连接。
与其相连接的微处理器会显示出来几个不相同的界面,来让使用者进行选取。
分别是8位并行连接方式和8位串行连接方式。
还有多种功能例如光标显示、画面移位等。
LCD液晶屏12864的优点有功耗消耗极低,体积尤其娇小,不占面积。
重量及其轻,并且超级薄等。
缺点有液晶显示的信息量超级大,并且电路设计和程序都相当复杂。
价格昂贵且不方便。
结合了解的所有的优点和缺点,LCD液晶显示屏12864并不适合本次设计,因为本次设计涉及的经费相对较少,并且需要操作简单,方便。
12864液晶屏实物图如图2-5所示。
图2-5 显示模块实物图
综合以上三种方案,本系统选择了性能较好,适合显示文字信息的1602液晶屏模块,而且也能很好的完成任务的方案一。
2.2.3称重组件的选取
HX711是一款专门为称重来设计的一款转换芯片,与其他称重芯片来比较,它其中内部的电压更加的稳定。
并且具备集成度高、反应时间短、抵抗扰乱性强等特点。
并且价格低廉实惠,降低了成本的情况下,还提高的本次毕设的成功性。
根据其中的优点以及缺点,本次毕设的称重组件的选择必定是HX711称重传感器。
实物图如图2-6所示。
图2-6 HX711称重传感器
2.2.4电机组件的选取
电机是家畜自动喂养系统中非常重要组成部分,系统在输送实物都过程中需要电机带动传送带,对实物进行运输,同时在实物运输完毕时,开门时,也需要电机带动。
方案一28BYJ-48
步电机是一种常常用在嵌入式方向的电机,它是通过内部的电流,来影响脉冲信号来进行转动的。
用简单的方式来讲就是电机接受到其他电流信号的影响,它就按照其设计的方向和位置进行转动。
它可以按照给的电流脉冲信号的大小进行多大角度的转动,这样就可以准确操控它的转动的频率以及速度。
这样设计更加的稳定及其多元化。
这种准确的操控非常适合嵌入式的操作,因为嵌入式方面的操作是严谨的,不能出现丝毫错误的,出现一点点的错误,进可能导致整个设计全部瘫痪,结合步进电机的优点以及缺点,本次设计决定使用28BYJ-48步进电机作为电机的选取。
28BYJ48实物图如图2-7所示。
图2-7 28BYJ48步进电机实物图
方案二42BYGH34
Handerbao42mm系列采用双相混合步进电机,原德国本土生产,工艺完备,每个电极同时有两相绕组。
转轮上的圆柱形磁石钢,在轴上磁化。
转轮两边放置齿形磁铁,由软磁材料制成,并在圆周内分出螺旋桨。
当绕组与励磁电流相结合时,单极下的电流会增加,而其他的则回减少。
同样适用于两极,一端会上升,另一端会减弱。
改变励磁绕组的相位序列并产生相应的力矩转盘可在1/4螺距上旋转,达到稳定平衡。
42mm混合步进电机不仅运行频率高,且性能也高,还解决了电机丢步等问题。
电机实物图如图2-8所示。
图2-8 42BYGH34步进电机实物图
该电机体积较大,驱动电路较为复杂,且该电机成本较高,不适宜本系统的使用。
所以该系统选择方案一作为传动组件。
但是在真正的畜牧业的生产中最好是使用汽油形发电机组,其工作电压在3-10kw之间,这样的发电机才能寿命更长,工作效率最大。
2.2.5输入单元的选取
输入单元是整个系统的人机交互主要输入接口,目前流行的输入接口有采用触摸按键、矩阵按键、触摸屏等硬件接口,本系统对主流的输入接口做如下分析:
方案一:
触摸按键。
触摸按键目前主流的芯片功耗比较高,并且稳定性和一致性稍微要比机械按键略差,所以在该系统中我们不采用此类方案。
方案二:
触摸屏。
触摸屏在显示效果、处理方式上有一定的优势,但是其功耗高,不稳定性是一大弊端,所以在该系统中也不采用此类方案。
方案三:
矩阵键盘。
机械按键在传统工业、汽车等领域机械按键目前还是不可撼动的地位,其工作稳定、一致性好、功耗低等特点在该系统中要求极高的稳定性上非常适用。
矩阵键盘实物图如图2-9所示。
图2-9 矩阵键盘实物图
根据以上的分析与解释,本次准备选择矩阵键盘来当本次毕设的系统输入单元。
本章小结
本章首先根据实际需要制定了具体的监测方案,其次本章还提供了多种方案的选择,以确保系统的适当设计,并大大提高其效率,最后还是取决于具体的应用程序的具体实施。
对所选系统传感器的一般描述。
市场上有许多传感器和其他类型的设备,其中许多比系统选择的好。
根据实际情况和应用情况,上述备选方案更为合适,也就是说,更具成本效益。
第3章 硬件设计
在本次系统设计中,硬件的功能是至关重要的,本章主要讲述压力传感器的设计、时钟电路的设计,按键电路的设计、电源电路的设计、显示模块的设计、电机传动的设计、以及门装置的设计。
一个系统能否正常的运行和硬件的设计关系是息息相关的。
3.1 系统硬件总体设计
本文设计的家畜自动喂养系统在硬件上主要分为时钟电源模块,按键模块,电机驱动模块,蜂鸣器模块,压力传感器模块以及显示模块。
系统硬件实物图如图3-1所示。
图3-1 系统硬件框图
3.2 主控制器设计
STM32F103RCT6是作为主芯片,芯片采用高性能的CPU内核,传输速率到几乎可以达到72MHz甚至跟高。
在同类产品中是性价比能最高的产品。
此外,STM32F103RCT6芯片还具有三种低功耗模式,分别是休眠、停止、待机模式,大大的降低的系统的功耗。
STM32F103RCT6如图3-2所示。
STM32F103RCT6开发板结构如下:
1.处理器:
单片机内存,LQFP64,FLASH:
128K,SRAM:
20K。
2. 1个标准的JTAG/SWD调试下载口。
3.标准的2.4/2.8寸LCD接口,支持触摸屏。
4. 1个USB串口,PC14-OSC32。
5. 1个USBSLAVE接口,PC15-OSC32。
6. 1组5V电源供应/接入口。
7. 1组3.3V工作电压接口。
8. 1个复位按钮,可用于复位液晶显示屏。
图3-2 STM32F103RCT6原理图
3.3 步进电机模块设计
步进电动机是自动控制系统中的执行装置,随着科技发展,尤其是最近几年时间内,内置的控制技术和集成电路的发展,传动装置的实际上的应用领域更
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