目前國內生產的擠奶機自動清洗控制器壹般只有堿洗、酸洗、預洗三個功能（有的沒有預洗功能），清洗結束時也不檢測是否清洗幹凈，清洗時間不可調，且沒有和上位機通信功能。由於國內生產的擠奶機自動清洗控制器的控制功能不全，目前國內使用的帶自動清洗系統的擠奶機大部分都是從國外進口的，國外有不少公司生產擠奶機的自動清洗控制器，如瑞典的DeLaval(利拉法)乳業機械有限公司、英國的FULLWOOD(富爾德)畜牧機械有限公司、丹麥的SAC擠奶設備有限公司等，這些公司生產的控制器的控制功能比較全，但也都沒有和上位機通信功能，且售價非常高，國內壹般奶牛場的購買能力相對較低。目前國內中小型奶牛場基本上都沒有安裝自動清洗系統，擠奶機都由手工清洗，對於小型擠奶機如提桶式、移動式擠奶機，手工清洗比較方便，而對於大型擠奶機，手工清洗時必須由操作人員多次來回打開閘閥，清洗時間由操作人員控制，清洗是否幹凈由操作人員根據肉眼觀察決定，有可能使擠奶機清洗不幹凈，從而導致牛奶的衛生和質量降低，直接降低奶牛場的經濟效益。
隨著計算機和信息技術的發展，大中型奶牛場的發展趨勢必然是實現計算機和信息化管理。如果控制器能和上位機通信，就可實現在控制室中用計算機控制擠奶機的清洗。
針對以上情況，研制出適合我國國情、成本低的自動清洗控制器，該控制器可以安裝在管道式或廳式擠奶機上，奶牛場在現有的管道式或廳式擠奶設備上添加真空電磁閥和該自動清洗控制器就可以把手工清洗改裝成自動清洗系統，且改裝成本低。使用該自動清洗控制器，可以提高我國擠奶機的市場競爭力，減少自動清洗控制器及擠奶機的進口，降低我國奶牛場（特別是中小規模的奶牛場）的設備成本，促進我國畜牧業生產的快速發展。
為了確保牛奶的衛生和質量，世界上許多國家對擠奶機的清洗都有自己的標準。我國目前擠奶機的清洗還沒有國家標準，但有許多相關的國家標準，如 GB/T 8186-1987《擠奶設備 試驗方法》、GB/T 6914-1986《生鮮牛乳收購標準》、GB 12073-1989《乳品設備安全衛生》，這些標準也涉及到擠奶機的清洗，該自動清洗控制器是根據我國擠奶設備的相關國家標準以及參考英國標準[2]研制的。
2 控制器的設計
2.1 控制器實現的功能
根據擠奶機清洗和系統設計要求，控制器實現以下六項功能：
1、整個清洗過程自動完成；2、清洗結束時自動檢測清洗質量；3、水溫不夠時自動報警；4、向上位機傳送每班的擠奶量；5、顯示清洗過程及時間；6、能接收上位機控制。
2.2 控制器的硬件設計
根據設計的總體要求選擇MCS-51系列單片機80C552芯片作為控制器的CPU，根據實際需要在80C552外部擴展64K程序存儲器 AM28F512和8K靜態數據存儲器6264。80C552芯片是荷蘭PHILIPS公司生產的增強型80C51單片機[3]，指令系統與80C51完全兼容，有6個I/O口，內部集成有A/D轉換器。選用80C552作為CPU，不用擴展A/D轉換器和I/O口。除80C552及其基本系統外，還有鍵盤、顯示、通信、信號檢測和輸出控制部分。該控制器硬件結構圖如下：
圖1 控制器硬件結構圖
2.2.1 輸入信號部分
輸入信號有熱水溫度檢測、水質檢測以及奶泵啟動次數三個信號。
擠奶機在堿洗或酸洗時，壹般采用600C~850C的熱水加清洗液清洗。擠奶機在清洗過程中，控制器自動檢測熱水溫度是否達到要求，只有在熱水溫度滿足要求時控制器才按設定步驟清洗，如果熱水溫度低於600C控制器自動報警。控制器中熱水溫度檢測采用National Semiconductor Corporation 生產的LM35DZ型溫度傳感器，LM35DZ是電壓輸出型集成溫度傳感器，直接以攝氏度校準，使用方便，在250C時精度為0.50C，測溫範圍為- 350C~+1500C，線性度好。LM35DZ在00C~+1500C範圍內輸出是0mV+10.0mV/0C，因水溫在00C~1000C範圍內，所以LM35DZ的輸出在0V~1.0V之間，通過壹級放大就能滿足80C552 P5口的輸入要求，具體放大倍數等於5。系統中選用低漂移型集成運放AD OP-07放大LM35DZ的輸出信號。AD OP-07是高精度運算放大器，具有極低的失調電壓（10μV）和偏置電流（0.7nA），它的溫漂系數為0.2μV/0C，長期穩定性能指標為 0.2μV/每月。AD OP-07具有較高的***模輸入範圍（±14V），***模抑制比CMRR=126dB以及極寬的供電電源範圍（從±3V到±18V），系統中選用±15V供電電壓。溫度檢測傳感器LM35DZ輸出的信號經集成運算放大器AD OP-07放大後輸入到80C552的ADC0（P5.7）口，由80C552內部的A/D轉換成數字信號。
擠奶機清洗結束時，控制器自動檢測清洗的質量，如果已經清洗幹凈，則清洗結束，否則再次清洗直到清洗幹凈為止。擠奶機清洗是否幹凈由專用的水質檢測儀檢測清洗完時排出的水是否符合標準決定，水質檢測儀檢測水質時輸出0~15mV的電壓信號經放大後輸入到80C552 的ADC1（P5.6），由80C552內部的A/D轉換為數字信號。因為水質檢測儀輸出0~15mV電壓，為了滿足80C552 A/D轉換的電壓要求，電路中選用兩級放大，第壹級放大倍數為20，第二級放大倍數為16.5倍，兩級***放大330倍，水質檢測儀輸出的0~15mV電壓信號經兩級放大後在0~4.95V之間，滿足A/D轉換的輸入要求。
奶泵啟動信號是開關量，系統中利用RC電路和光電隔離抑制幹擾。
2.2.4控制和報警部分
控制和報警部分通過80C552的P1口實現，具體分配如下：P1.0控制冷水電磁閥；P1.1控制熱水電磁閥；P1.2控制堿液電磁閥；P1.3控制酸液電磁閥；1.4控制消毒液電磁閥；P1.5控制海綿球擠水；P1.6控制擠奶機系統斷電；P1.7控制水溫不夠時報警。系統的控制電路用來控制各個電磁閥的開關，因為啟停的負荷不大，所以系統采用繼電器隔離輸出控制。因繼電器觸點的負載能力比較大，能直接控制動力電路。系統中輸出口P1與低壓小繼電器之間接有集電極開路的OC門型驅動器SN75452B。SN75452B是TI公司生產的集成功率驅動芯片，是兩路雙與非功率驅動器，它的吸收電流IOL= 300mA，幾乎能驅動任意型號的小型繼電器。
由於P1口的P1.6和P1.7是80C552的I2C串口的SCL和SDA線，內部沒有接上拉電阻，所以在設計中P1.6和P1.7接有上拉電阻。P1口的其它6個管腳內部接有上拉電阻，外部無需再接。
2.2.3 通信部分
控制器與上位機的通信采用RS-485總線標準，由MAX485芯片與80C552的串行口構成。系統用80C552 P4.4口控制MAX485的接收器的輸入和驅動器的輸出，A和B之間接壹個120歐的匹配電阻。
RS-485標準為半雙工，在某壹時刻，壹個發送另壹個接收。它通過傳輸線驅動器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差轉換成邏輯電平，實現終端的信息接受。RS-485標準每個通道要用兩條信號線，如果其中壹條是邏輯"1"狀態，另壹條就為邏輯"0"。RS-485 標準允許驅動器輸出為±2~6V，接收器可以檢測到低到200mV的輸入信號。
因為控制器安裝在遠離管理辦公室的擠奶車間，控制器和管理辦公室中的上位機通信距離比較長，所以選擇RS-485總線標準而不用常用的RS-232C標準，因為RS-232C有數據傳輸速率慢，傳送距離短，接口處各個信號間容易產生串擾等缺點；而RS-485標準克服了RS-232C的缺點，具有通信距離長，傳輸速率快的優點，在通信速率為100kb/s時通信距離可達1.2km，滿足控制器與上位機的通信要求，而且RS-485是壹種多發送器的電路標準，它允許雙導線上壹個發送器驅動32個負載設備，每個負載設備可以是被動發送器、接收器或收發器，采用RS-485標準，便於控制器和將來擴展的其它設備通信，符合計算機管理生產車間的需要。
MAX485芯片是MAXIM公司生產的差分平衡型收發器芯片，包含壹個驅動器和壹個接收器。用MAX485組成的差分平衡系統，抗幹擾能力強，接收器可檢測低達200mV的信號，傳輸數據可以從千米以外得到恢復，因此特別適合於遠距離通信，可組成滿足RS-485標準的通信網絡。
2.2.2 顯示和鍵盤部分
控制器的顯示部分選用北京青雲創新科技發展有限公司生產的LCM12232ZK液晶顯示模塊，該模塊的液晶屏幕為122*32，可以顯示兩行，每行能顯示15個字符，能滿足控制器的要求。控制器的鍵盤由80C552 P4.0~P4.3和P5.0~P5.3組成的行列式鍵盤構成，在行線P5.0~P5.3上接有10KΩ上拉電阻，可設置16個鍵，系統中用了9個功能鍵，分別為預洗、堿洗、酸洗、增1、減1、開始、暫停、繼續和停止功能。
2.3 控制器的軟件設計
控制器的運行程序用C51[4]語言編寫，采用模塊化設計，整個程序由主程序和各模塊程序組成，其主程序流程圖見圖5所示。程序中rdata數組用來接收上位機發送的信息。
圖2主程序流程圖
其中水溫檢測、真空電磁閥控制、自動檢測清洗質量、A/D轉換及顯示都在預洗、堿洗、酸洗程序中完成。
控制器的上位機控制程序用VC++語言編寫，上位機和控制器之間的串口通信采用VC++中的串口通信Microsoft Communications Control[7]控件。MSComm控件是 Microsoft公司提供的簡化的Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法。 MSComm控件提供了兩種處理通信問題的方法：壹是事件驅動方法，壹是查詢法。事件驅動通信是處理串行端口交互作用的壹種非常有效的方法，這種方法的優點是程序響應及時，可靠性高。上位機控制程序中采用事件驅動方法處理通信問題。
該程序能在上位機上控制擠奶機自動清洗。上位機控制程序運行界面如圖3所示。圖中預洗、堿洗、酸洗、暫停、繼續和停止按鈕和控制器的相應按鈕對應，比如控制器收到上位機發送的"預洗"信號後就調用"預洗"程序進行預洗。0~9十個數字用來設置清洗時間，清洗時間小於100分鐘，所以時間按兩位數設置，比如設置9分鐘，先按按鈕0，再按按鈕9。"握手通信"部分用來和控制器聯絡，聯絡時先在發送握手信號編輯框中輸入大寫字母"A"，然後點"發送"按鈕，控制器收到上位機發送的握手信號"A"後，回送信號"B"，"B"在接收信號編輯框中顯示，上位機收到並顯示"B"後，表示握手成功。"清除"按鈕用來清除" 發送握手信號"和"接收信號"編輯框中的內容。發送握手信號編輯框用來輸入發送握手信號"A",接收信號編輯框除顯示控制器回應的握手信號外，還顯示上位機向控制器發送的信息，比如設置時間時接收信號編輯框中顯示設置的時間值。程序的控制順序為：上位機先聯絡控制器，握手成功後上位機發送控制命令。清洗控制的設置過程為：先按清洗鍵，比如"預洗"、"減洗"、"酸洗"按鈕，再設置時間，然後按"開始"按鈕。程序中默認的通信端口是COM1口，如果COM1 口已被占用，可選擇COM2口。按鈕"傳送奶泵啟動次數"是通知控制器向上位機傳送當班的奶泵啟動次數。上位機對控制器發送命令時必須先握手，以免控制器接收不到上位機發送的數據。
圖3 上位機控制程序運行界面
2.4 控制器的抗幹擾設計
為了避免幹擾，在控制器的設計時采用了數字濾波技術[5]。數字濾波不需增加硬件設備，可靠性好，穩定性高，不存在阻抗匹配問題，而且使用靈活，修改方便，可以多次調用，與硬件濾波相比有很多優點。數字濾波方法很多，根據需檢測的溫度和水質的特點，控制器中分別采用中值濾波法和中值平均濾波法濾波，采樣次數N=5。
3 結束語
該控制器已經調試，並試驗成功。試驗證明該控制器工作可靠，操作方便，能自動完成擠奶機的清洗與檢測，清洗時間可調，能與上位機通信，清洗的質量達到相關國家標準[6]。
該控制器還有待改進的地方，如果清洗過程中能自動調配堿液或酸液的濃度則可更進壹步實現擠奶機清洗的現代化。