目前国内生产的挤奶机自动清洗控制器一般只有三个功能(碱洗、酸洗、预洗)，清洗结束时不检测是否清洗，清洗时间不可调，不具备与上位机通讯功能。由于国内生产的挤奶机自动清洗控制器控制功能不完善，国内使用的带自动清洗系统的挤奶机大部分是从国外进口的。国外很多公司生产挤奶机自动清洗控制器，如瑞典的德拉瓦尔乳业机械有限公司，英国的富伍德畜牧机械有限公司，丹麦的SAC挤奶设备有限公司。这些公司生产的控制器控制功能齐全，但不与上位机连接。目前国内中小型奶牛场基本没有安装自动清洗系统，所有挤奶机都是人工清洗。对于桶式、移动式挤奶机等小型挤奶机，手动清洗更加方便。对于大型挤奶机，人工清洗时操作人员必须多次打开闸阀，清洗时间由操作人员控制。清洗干净与否由操作人员根据肉眼观察来决定，可能会使挤奶机不干净，从而降低牛奶的卫生和质量，直接降低奶牛场。
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管理。如果控制器能与上位机通信，挤奶机的清洗就可以由控制室的计算机控制。
针对以上情况，开发了一种适合我国国情的低成本自动清洗控制器，可安装在管道或大厅挤奶机上。通过在奶牛场现有的管道或大厅挤奶设备上增加真空电磁阀和自动清洗控制器，可以将人工清洗转化为自动清洗系统，改造成本低。使用这种自动清洗控制器可以提高中国挤奶机的市场竞争力，减少自动清洗控制器和挤奶机的进口，降低中国奶牛场(尤其是中小型奶牛场)的设备成本，促进中国畜牧业生产的快速发展。
为了保证牛奶的卫生和质量，世界上很多国家对挤奶机的清洗都有自己的标准。我国目前还没有关于挤奶机清洗的国家标准，但有很多相关的国家标准，如GB/T 8186-1987《挤奶设备试验方法》、GB/T 6914-1986《生鲜乳收购标准》、GB 12077。
2控制器设计
2.1控制器实现的功能
根据挤奶机清洗和系统设计的要求，控制器实现了以下六个功能:
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、将每班的挤奶量传送给上位机；5.显示清洗过程和时间；6、能接收上位机控制。
2.2控制器的硬件设计
根据总体设计要求，选用MCS-51系列单片机80C552作为控制器的CPU，并根据实际需要在80C552外扩展64K程序存储器AM28F512和8K静态数据存储器6264。80C552芯片是荷兰飞利浦公司生产的增强型80C51单片机[3]。该指令系统与80C51完全兼容，内部集成了6个I/O口和一个A/D转换器。选用80C552作为CPU，无需扩展A/D转换器和I/O口。除了80C552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。控制器的硬件结构图如下:
图1控制器硬件结构图
2.2.1输入信号部分
输入信号包括热水温度检测、水质检测和奶泵启动次数。
挤奶机用碱或酸清洗时，一般用600℃-850℃的热水和清洗液清洗。挤奶机清洗过程中，控制器自动检测热水温度是否符合要求。只有热水温度符合要求，控制器才按照设定的步骤进行清洗。如果热水温度低于600摄氏度，控制器会自动发出警报。在控制器中，采用美国国家半导体公司生产的LM35DZ温度传感器检测热水的温度。LM35DZ是一款电压输出集成温度传感器，可以直接以摄氏度为单位进行校准。它使用方便，在250℃时精度为0.50℃，温度测量范围为-350℃~+150℃，线性度好。LM35DZ在00C~+1500C范围内输出为0mV+10.0mV/0C。由于水温在00C~1000C范围内，所以LM35DZ的输出为0V~1.0V，通过一级放大可以满足80c52p5端口的输入要求。系统选用低漂移集成运算放大器AD OP-07放大LM35DZ的输出信号。AD OP-07是一款高精度运算放大器，具有极低的失调电压(10μV)和偏置电流(0.7nA)。其温度漂移系数为0.2μV/0C，长期稳定指数为0.2μV/月。AD OP-07具有较高的* * *模式输入范围(14V)，CMRR=126dB的* *模式抑制比和非常宽的电源范围(从3v到18V)，系统选择的电源电压为15V。温度检测传感器LM35DZ输出的信号经集成运算放大器AD OP-07放大后输入到80C552的ADC0(P5.7)口，由80C552内部的A/D转换成数字信号。
清洗挤奶机时，控制器会自动检测清洗质量。如果已经清洗，则清洗完成；否则再次清洗，直到清洗干净为止。挤奶机是否清洗，取决于清洗后排出的水是否通过专门的水质检测仪检测达标。水质检测仪检测水质时，输出0~15mV的电压信号，经放大后输入到80C552的ADC1(P5.6)，由80C552内部的A/D转换成数字信号。由于水质检测仪输出的电压为0~15mV，为了满足80C552 A/D转换的电压要求，电路中选择了两级放大，第一级放大20，第二级放大16.5，第二级放大330倍。水质检测仪输出的0~15mV的电压信号经过两级放大。
奶泵的启动信号是一个开关值，采用RC电路和光电隔离来抑制系统中的干扰。
2.2.4控制和报警部分
控制和报警部分通过80C552的P1口实现，具体分配如下:P1.0控制冷水电磁阀；P1.1控制热水电磁阀；P1.2控制碱液电磁阀；P1.3控制酸电磁阀；1.4控制消毒剂电磁阀；P1.5控制海绵球的挤压；P1.6控制挤奶机系统断电；P1.7水温不够时报警。系统的控制电路用于控制每个电磁阀的开关。由于启停负载不大，系统采用继电器隔离输出控制。因为继电器触点的负载能力比较大，可以直接控制电源电路。在系统中，集电极开路的OC门驱动器SN75452B连接在输出端口P1和低压继电器之间。SN75452B是TI公司生产的集成功率驱动芯片。它是一个双向双无动力驱动器。它的吸收电流IOL= 300mA，几乎可以驱动任何类型的小型继电器。
因为P1端口的P1.6和P1.7是80C552的I2C串口的SCL和SDA线，内部没有上拉电阻，所以在设计中P1.6和P1.7是用上拉电阻连接的。P1端口的其他6个引脚内部连接上拉电阻，不需要外接。
2.2.3通信部分
控制器与上位机的通信采用RS-485总线标准，由MAX485芯片和80C552串口组成。系统使用80C552 P4.4端口控制MAX485接收器的输入和驱动器的输出，在A和B之间连接一个120ω的匹配电阻..
RS-485标准是半双工的，在某个时刻，一个发送，另一个接收。它通过传输线驱动器将逻辑电平转换成电位差，完成开始时的信息传输；通过传输线接收器将电位差转换成逻辑电平，实现终端的信息接收。RS-485标准为每个通道使用两条信号线。如果其中一个处于“1”的逻辑状态，另一个处于“0”的逻辑状态。RS-485标准允许驱动器的输出为2 ~ 6V，接收器可以检测低至200mV的输入信号。
由于控制器安装在远离管理办公室的挤奶车间，控制器与管理办公室上位机的通信距离比较长，所以选择了RS-485总线标准，而不是常用的RS-232C标准，因为RS-232C存在数据传输速率慢、传输距离短、接口处信号间串扰等缺点。RS-485标准克服了RS-232C的缺点，具有通信距离远、传输速率快的优点。当通信速率为100kb/s时，通信距离可达1.2km，满足控制器与上位机的通信要求。此外，RS-485是具有多个发送器的电路标准，允许一个发送器在两条线路上驱动32个负载设备。每个负载设备可以是无源发射器、接收器或收发器，采用RS-485标准，方便控制器与未来扩展的其他设备通讯，满足生产车间计算机管理的需要。
MAX485芯片是MAXIM公司生产的差分平衡收发器芯片，包括一个驱动器和一个接收器。MAX485构成的差动平衡系统抗干扰能力强。接收器可以检测低至200毫伏的信号，传输的数据可以从数千米之外恢复。因此，它特别适用于远距离通信，可以组成符合RS-485标准的通信网络。
2.2.2显示器和键盘部件
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液晶显示模块LCM12232ZK。模块的液晶屏为122*32，可显示两行，每行可显示15个字符，可以满足控制器的要求。控制器的键盘由80C552 P4.0~P4.3和P5.0~P5.3组成的行列式键盘组成，10kω的上拉电阻接在线路p5.0 ~ p5.3上，可设置16键。系统使用九个功能键，分别是预洗、碱洗、酸洗和添加1。
2.3控制器的软件设计
控制器的运行程序用C51[4]语言编写，采用模块化设计。整个程序由主程序和各模块程序组成，主程序流程图如图5所示。程序中的rdata数组用于接收上位机发送的信息。
图2主程序流程图
其中水温检测、真空电磁阀控制、清洗质量自动检测、A/D转换和显示均在预洗、碱洗和酸洗工序中完成。
控制器的上位机控制程序用VC++语言编写，上位机与控制器的串行通信采用VC++中的串行通信Microsoft communication s Control[7]控件。MSComm控件是微软公司为简化Windows下的串行通信编程而提供的ActiveX控件，为应用程序通过串行接口发送和接收数据提供了一种简单的方法。MSComm控件提供了两种处理通信问题的方法:一种是事件驱动方法，另一种是查询方法。事件驱动通信是处理串口交互的一种非常有效的方法。该方法具有程序响应及时、可靠性高的优点。上位机控制程序采用事件驱动的方法处理通信问题。
该程序可以在上位机控制挤奶机的自动清洗。上位机控制程序的运行界面如图3所示。图中的预洗、碱洗、酸洗、暂停、继续和停止按钮对应控制器的相应按钮。比如控制器收到上位机发来的“预洗”信号后，调用“预洗”程序进行预洗。用0到9的十位数字来设置清洗时间，小于100分钟，所以用两位数字来设置时间，比如要设置9分钟，先按按钮0，再按按钮9。“握手通信”部分用于联系控制器。联系时，先在握手信号发送编辑框中输入大写字母“A”，然后点击“发送”按钮。控制器接收到上位机发送的握手信号“A”后，反馈信号“B”和“B”显示在接收信号编辑框中。上位机接收并显示“B”后，握手成功。“清除”按钮用于清除“发送握手信号”和“接收信号”编辑框中的内容。发送握手信号编辑框用于输入发送握手信号“A”，接收信号编辑框显示控制器响应的握手信号，以及上位机发送给控制器的信息，如设置时间时接收信号编辑框显示的设置时间值。程序的控制顺序是:上位机先联系控制器，握手成功后，上位机发送控制命令。清洗控制的设定过程如下:先按清洗键，如“预洗”、“少洗”、“酸洗”，然后设定时间，再按“开始”按钮。程序中默认的通信端口是COM1。如果COM1被占用，可以选择COM2。“传输奶泵启动时间”按钮是通知控制器将当班奶泵启动时间传输到上位机。主机在向控制器发送命令之前必须握手，以防止控制器接收到主机发送的数据。
图3上位机控制程序操作界面
2.4控制器的抗干扰设计
为了避免干扰，控制器的设计中采用了数字滤波技术[5]。数字滤波与硬件滤波相比有很多优点，如可靠性好、稳定性高、不存在阻抗匹配问题、使用灵活、修改方便、可多次调用等。有许多数字滤波方法。根据被测温度和水质的特点，控制器分别采用中值滤波法和中值平均滤波法，采样次数N=5次。
3结论
该控制器已经调试成功。实验证明，该控制器运行可靠，操作方便，能自动完成挤奶机的清洗和检测，清洗时间可调，并能与上位机通信，清洗质量达到国家相关标准[6]。
控制器仍需改进。如果清洗时能自动调节碱液或酸液的浓度，就能进一步实现挤奶机清洗的现代化。