胡海剛，唐 潮，張林偉，張 剛,錢云霞

基于升降套筒體積調(diào)整的海蟹養(yǎng)殖定量投餌機(jī)設(shè)計(jì)

胡海剛1，唐 潮1，張林偉2，張 剛1,錢云霞3

（1. 寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，寧波 315211；2. 寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧波 315100；3. 寧波大學(xué)海洋學(xué)院，寧波 315211）

為滿足工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的需要，該文通過觸摸屏后端控制單片機(jī)升降套筒調(diào)整體積定量設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)投餌機(jī)，克服了常用稱重法的精度易受振動(dòng)影響、行走式投餌設(shè)備稱質(zhì)量和行走不能同時(shí)進(jìn)行的缺點(diǎn)，在保證性能的同時(shí)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了效率。對(duì)系統(tǒng)投餌精度性能測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠定時(shí)完成啟停和控制過程，在設(shè)定投餌量在5～7 g/次時(shí)，誤差控制在8%以內(nèi)；設(shè)定投餌量在9～13 g時(shí)，誤差不超過4%，可以滿足工廠化海產(chǎn)養(yǎng)殖的需求。該研究可為今后海蟹類單筐養(yǎng)殖科學(xué)化、智能化提供參考價(jià)值。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；設(shè)計(jì)；工廠化循環(huán)水；投餌機(jī)；自動(dòng)投餌

0 引 言

近年來，中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐漸從傳統(tǒng)的粗放養(yǎng)殖發(fā)展到工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖[1-3]。節(jié)水節(jié)地的集約化養(yǎng)殖模式給人工投喂方式帶來了挑戰(zhàn)，其投餌量憑養(yǎng)殖戶經(jīng)驗(yàn)確定，不能根據(jù)螃蟹的攝食量和體質(zhì)量相應(yīng)變化[4-5]，極易造成餌料浪費(fèi)，增加了養(yǎng)殖成本，同時(shí)殘餌導(dǎo)致養(yǎng)殖水環(huán)境惡化、病害發(fā)生機(jī)率增加，更直接損害消費(fèi)者的生命健康[6-8]。再加上城市化的進(jìn)程加快，勞動(dòng)力價(jià)格劇增，實(shí)現(xiàn)餌料的定量自動(dòng)投喂成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[9]。

體積法定量的原理是將餌料的密度近似為定值，當(dāng)餌料充滿設(shè)定容積時(shí)便可換算為對(duì)應(yīng)的餌料質(zhì)量[10]。國外智能化投餌起步較早[11]，也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了餌料投放方面的數(shù)量控制[12-13]，如美國ETI公司的oFEEDMASTER 自動(dòng)投餌系統(tǒng)[14]和上世紀(jì)九十年代日本開發(fā)的YDF系列定量投飼機(jī)[15]，定量部分由打有通孔（或氣密腔室）的旋轉(zhuǎn)盤在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，先后聯(lián)通下料口和散料口實(shí)現(xiàn)定量投餌。該裝置可以通過控制轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)有級(jí)變量，但旋轉(zhuǎn)盤與上下端面接觸面積較大，加工精度高，成本高。

國內(nèi)學(xué)者也對(duì)投餌設(shè)備進(jìn)行了研究，有學(xué)者采用稱重的方法確保定量[16-17]，精度受工作環(huán)境如振動(dòng)、搖擺等影響較大。體積法應(yīng)用較少，孫月平等[18]設(shè)計(jì)了一種由喂料電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉輪實(shí)現(xiàn)定量的投餌機(jī)，并通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整投餌量。周曉林等[19]設(shè)計(jì)了一種定量板式下料機(jī)構(gòu)，電磁鐵拉動(dòng)充填定量餌料的定量板，使板上開孔正對(duì)散料口，完成定量投餌。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是依靠通孔的尺寸保證定量，無法調(diào)整投餌量，加上電磁鐵往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻繁，震動(dòng)和噪音較大，線圈壽命較短甚至有漏電隱患[20]；鄧素芳等[21]、徐志強(qiáng)等[22]采用精密定量攪龍排料投餌方案，餌料用電控啟停的旋轉(zhuǎn)螺桿推動(dòng)餌料前進(jìn)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短保證餌料的定量供給，優(yōu)點(diǎn)是可無級(jí)調(diào)整設(shè)定投餌量，其缺點(diǎn)是螺桿及其端面對(duì)于機(jī)械加工精度要求較高，價(jià)格昂貴，損壞后難修復(fù)[23]。李康寧等[24]設(shè)計(jì)了利用旋轉(zhuǎn)葉輪和端蓋容積保證定量的投餌機(jī)，通過控制葉輪旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整投餌量，但葉輪容積固定只能呈倍數(shù)增減，定量精度不高。

此外，“訂單化”養(yǎng)殖模式是工廠化海蟹養(yǎng)殖的未來探索方向之一。海蟹的計(jì)劃養(yǎng)殖、計(jì)劃供應(yīng)有利于養(yǎng)殖場(chǎng)按照訂單需求提供不同生長(zhǎng)階段的商品蟹，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)季節(jié)、錯(cuò)峰銷售，緩解高峰期價(jià)格和需求波動(dòng)[25-26]。這就要求一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低廉并且可以根據(jù)海蟹的不同生長(zhǎng)階段隨時(shí)調(diào)整餌料設(shè)定量的投餌設(shè)備。從這個(gè)需求出發(fā)，本文提出一種基于升降套筒控制投餌定量的自動(dòng)化下料方案，通過調(diào)整中間儲(chǔ)料套筒的體積改變?cè)O(shè)定投餌量，不存在高速運(yùn)動(dòng)的摩擦副、難修復(fù)的精密結(jié)構(gòu)和稱重單元，降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，避免了行走振動(dòng)給投餌精度造成的影響，實(shí)現(xiàn)蟹類自動(dòng)化養(yǎng)殖。

1 投餌機(jī)工作原理及運(yùn)動(dòng)分析

1.1 投餌機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

投餌機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整套投餌系統(tǒng)由機(jī)架、儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)、可伸縮下料筒、上下控制門開合機(jī)構(gòu)、剪叉升降機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成, 并基于單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。儲(chǔ)料斗內(nèi)儲(chǔ)存多次投餌所需的餌料，光電傳感器持續(xù)檢測(cè)料位。

1. 料斗 2.機(jī)架 3. 觸摸屏4. 下料筒（固定端） 5. 下料筒（活動(dòng)端） 6.下位電機(jī)7. 中位電機(jī) 8. 剪叉升降機(jī)構(gòu) 9上位電機(jī) 10.瞭望口及光電傳感器

表1給出了系統(tǒng)主要部件的參數(shù)，下料筒容積范圍主要依據(jù)梭子蟹養(yǎng)殖周期所需投餌量制定。

表1 系統(tǒng)部件參數(shù)

Table 1 Parameters of feeding system

系統(tǒng)工作原理如圖2，圖2a為投餌機(jī)的投餌量設(shè)定工況，Ⅰ為系統(tǒng)的初始位置，上下兩閥門保持關(guān)閉。由觸摸屏設(shè)定單次投餌量，單片機(jī)收發(fā)信號(hào)使中位電機(jī)動(dòng)作，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)剪叉收縮，下料筒固定端與活動(dòng)端圍成的有效容積減小，實(shí)現(xiàn)可變定量投餌。圖2b表示投餌工況，每次工作前料位光電傳感器檢測(cè)儲(chǔ)料斗是否有料。若有料，Ⅰ)單片機(jī)控制高位電機(jī)動(dòng)作拉開上閥門，粉料落入下料筒內(nèi)；Ⅱ)待上閥門開啟時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)確保下料筒內(nèi)餌料裝滿后，上閥板關(guān)閉；Ⅲ)開啟下閥板進(jìn)行定量散料；Ⅳ)最后關(guān)閉上閥門，系統(tǒng)回歸初始位置。

1.2 投餌機(jī)運(yùn)動(dòng)分析

假設(shè)在下部套筒抬升時(shí)，各個(gè)活動(dòng)部件平面運(yùn)動(dòng)分析如圖3，對(duì)連桿做速度分析，可以確定瞬心的位置。根據(jù)瞬心的性質(zhì)，可以得出：

圖2 投餌機(jī)工作原理圖

注：中位電機(jī)對(duì)地速度為ν1，沿水平和豎直方向分解的速度分別為ν1x和ν1y，下料筒（活動(dòng)端）速度為νf，連桿B與水平方向的夾角為α，連桿B的長(zhǎng)度為l。

存在關(guān)系：

兩邊對(duì)1求導(dǎo)并化簡(jiǎn)后得出：

兩邊積分，得出：

其中，

由于可調(diào)體積等于下料筒活動(dòng)端有效高度乘以底面積，故

由于直線電機(jī)進(jìn)給速度1x等于電機(jī)轉(zhuǎn)速乘以螺距，對(duì)于固定系統(tǒng)來說1x大小恒定。

依據(jù)式（10），可按照設(shè)定的體積改變量求出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間1，保證定量位置。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 剪叉升降機(jī)構(gòu)

下料筒活動(dòng)端升降時(shí)采用雙邊剪叉機(jī)構(gòu)，活動(dòng)端與固定端對(duì)中良好，運(yùn)動(dòng)流暢。將單邊剪叉機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面四桿機(jī)構(gòu)，如圖4對(duì)連桿進(jìn)行受力分析，忽略其質(zhì)量可以視為二力輕桿，邊界受力大小相同方向相反，分別為1及2，1的豎直分量克服1/4負(fù)載，并在電機(jī)動(dòng)力下完成升降。受力大小存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

聯(lián)立化簡(jiǎn)得出：

因此，為保證工作可靠，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量增加初始夾角的正切值，減小電機(jī)負(fù)載。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括獨(dú)立的配電箱和控制器組成。配電箱中主要安放步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電源、熔斷開關(guān)等；控制器主要包含單片機(jī)、觸摸屏、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、遠(yuǎn)程通訊模塊等，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示，工控機(jī)連接多臺(tái)投餌機(jī)，每臺(tái)投餌機(jī)由觸摸屏后端控制，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化投餌。

定量投餌功能由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行，其一實(shí)現(xiàn)下料筒的伸縮，其余負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)下料筒上下閥門的開合。投餌采用膨化或顆粒飼料，餌料輕軟易碎，下料筒是鋁制材料，質(zhì)量較輕，結(jié)合成本綜合考慮，選取成本較低的86BYGH兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為42BYGH48- 401A。

注：料筒活動(dòng)端及內(nèi)部餌料的總重力為G，連桿B的兩端受力分別為F1和F2，F(xiàn)3是與B相鄰的連桿一端受到的壓力，α為連桿B與水平面的夾角。

圖5 海蟹定量投餌機(jī)控制系統(tǒng)框圖

STC89c51單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用可靠、操作方便、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)[27]，符合自動(dòng)投餌系統(tǒng)對(duì)單片成本低廉、操作簡(jiǎn)單、可靠性高的需求，因此控制系統(tǒng)選用STC89c51單片機(jī)作為主控制芯片[28]，利用RS-485通信接口與觸摸屏進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，利用I/O口脈沖控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先控制器接收觸摸屏數(shù)據(jù)幀，得到具體控制參數(shù)，如投餌時(shí)間、投餌量等，利用單片機(jī)片內(nèi)時(shí)鐘產(chǎn)生特定頻率的脈沖信號(hào)通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生預(yù)期的步距角，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)連續(xù)接收脈沖時(shí)將能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[29]。同時(shí)通過脈沖極性調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的雙向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)下料控制門的自動(dòng)開合。投餌系統(tǒng)每完成一次投餌動(dòng)作，控制器會(huì)將已完成的投餌量數(shù)據(jù)上傳給觸摸屏界面進(jìn)行顯示，并實(shí)時(shí)反映控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當(dāng)全部投餌作業(yè)量完成后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)待機(jī)狀態(tài)，下一次投餌時(shí)刻到達(dá)后，系統(tǒng)重新啟動(dòng)運(yùn)行。

控制系統(tǒng)邏輯圖如圖6所示，其中S、R分別為置位和復(fù)位觸發(fā)器：當(dāng)S輸入一個(gè)脈沖，輸出為高電平；當(dāng)R輸入一個(gè)脈沖，則輸出低電平。AND為與門，當(dāng)所有的輸入同時(shí)為高電平時(shí)，輸出才為高電平，否則輸出為低電平；OR為或門，只要輸入存在高電平，輸出即為高電平。圖中包括型號(hào)為STC89c51的單片機(jī)、MAX485芯片、L298N驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖見圖7，輸入信號(hào)主要有3路：步進(jìn)脈沖信號(hào)PUL、方向電平信號(hào)DIR、使能電平信號(hào)EN。同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和正反轉(zhuǎn)的目的。

注：S、R為置位和復(fù)位觸發(fā)器；AND為與門；OR為或門。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

觸摸屏采用維控LEVI777A型通用人機(jī)界面，工作電壓24V，通過RS-485接口與單片機(jī)控制器進(jìn)行通信，完成投餌系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏中自帶組態(tài)軟件，本系統(tǒng)觸摸屏操作系統(tǒng)使用維控觸摸屏配套的Levi studio組態(tài)開發(fā)[30]環(huán)境進(jìn)行編寫。

觸摸屏主要包括參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)查詢、幫助4大功能界面。參數(shù)設(shè)置界面可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所有運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如投餌量的設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的設(shè)置等；工作狀態(tài)界面是顯示當(dāng)前系統(tǒng)工作運(yùn)行的狀態(tài)，顯示當(dāng)前電流、電壓及各部分運(yùn)行情況；歷史數(shù)據(jù)查詢界面可以查找之前所有執(zhí)行過的投餌狀態(tài)，例如投餌時(shí)間、投餌量等；幫助界面可以為用戶提供系統(tǒng)的具體操作方法，系統(tǒng)使用的注意事項(xiàng)等等，幫助新用戶熟練地運(yùn)用該系統(tǒng)，系統(tǒng)人機(jī)界面如圖8所示。

系統(tǒng)中所使用的LEVI777A工業(yè)級(jí)觸摸屏有2個(gè)COM接口，支持RS-232和RS-485通信，同時(shí)帶有USB接口支持在線調(diào)試和程序下載功能。由于單片機(jī)與觸摸屏的通信距離在1 m以內(nèi)，因此可以使用RS-485接口進(jìn)行異步串行通信。工業(yè)觸摸屏內(nèi)部提供了用戶自定義協(xié)議拓展功能，在串口通信中使用自定義協(xié)議進(jìn)行串口控制程序編寫較之使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議更為簡(jiǎn)便，自定義協(xié)議數(shù)據(jù)格式，每幀數(shù)據(jù)占10位，包括起始位、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用奇偶校驗(yàn)法。

圖8 人機(jī)界面圖

觸屏串口接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，同時(shí)內(nèi)部腳本程序循環(huán)執(zhí)行，截取有效數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成相應(yīng)的觸發(fā)指令和返回指令。觸發(fā)信號(hào)引起的動(dòng)作包括觸屏界面中狀態(tài)燈的狀態(tài)切換，以及數(shù)據(jù)顯示框中數(shù)值的變化。返回指令數(shù)據(jù)格式同上，包含步進(jìn)電機(jī)參數(shù)調(diào)整數(shù)據(jù)。軟件界面的設(shè)置是基于觸摸屏自帶軟件組態(tài)形成，具體參數(shù)設(shè)置和命令執(zhí)行是通過C語言來編寫程序完成的。

系統(tǒng)投餌過程流程圖如圖9所示。

圖9 定量投餌系統(tǒng)工作流程圖

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)環(huán)境

系統(tǒng)性能試驗(yàn)于2016年3月在寧波市象山鑫億鮮活水產(chǎn)有限公司的梭子蟹單筐養(yǎng)殖基地進(jìn)行。在設(shè)計(jì)自動(dòng)投餌系統(tǒng)定量投餌試驗(yàn)時(shí)，考慮到餌料在實(shí)際工廠化養(yǎng)殖中直接拋入水中而無法稱量，故可在養(yǎng)殖池不蓄水的前提下，用其他容器收集投放的餌料，也便于測(cè)量系統(tǒng)投餌量的精度[31]。

投餌系統(tǒng)由單片機(jī)控制，單片機(jī)自身的時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部振蕩方式取得。在引腳外接晶振振蕩器或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了單片機(jī)的內(nèi)部振蕩方式[32]，可以按照之前設(shè)置的投餌時(shí)刻，準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行定時(shí)投餌，幾乎不會(huì)有誤差，因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)著重測(cè)試投餌設(shè)備的定量精度。

4.2 定量性能測(cè)試

在工廠化海蟹（以三疣梭子蟹為例）單筐養(yǎng)殖時(shí)，當(dāng)三疣梭子蟹成長(zhǎng)到V期后才會(huì)進(jìn)行單筐養(yǎng)殖，初期三疣梭子蟹個(gè)體質(zhì)量平均為70 g，個(gè)體投餌量大約在占質(zhì)量的8%~10%，后期梭子蟹平均體質(zhì)量300 g，對(duì)應(yīng)投餌占比為5%~8%[33]。故試驗(yàn)按照市場(chǎng)需求和量程設(shè)計(jì)，最小投餌量為5 g/次，設(shè)置梯度至最大投餌量為13 g/次，每個(gè)梯度投放20次，收集每次投放的餌料，用稱重儀進(jìn)行稱量并與設(shè)定投放量進(jìn)行比較，計(jì)算誤差百分?jǐn)?shù)，驗(yàn)證該自動(dòng)投餌系統(tǒng)定量投餌的可行性。按照以上方法進(jìn)行試驗(yàn)并獲得5個(gè)梯度共100個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在設(shè)定投餌量5～13 g范圍內(nèi)，總體相對(duì)誤差控制在8%以內(nèi)，能夠滿足工廠化海洋蟹類單筐養(yǎng)殖自動(dòng)投餌系統(tǒng)定量投餌性能的需求，達(dá)到定量投餌的目的。

圖10 投餌機(jī)定量精度測(cè)試結(jié)果

4.3 結(jié)果與分析

由圖10的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，投餌量精度上存在一定的誤差。當(dāng)投餌量在5～7 g時(shí)，誤差可以控制在8%以內(nèi)；當(dāng)投餌量在9～13 g時(shí)，誤差則不超過4%。誤差會(huì)隨著投餌量的增加而逐步減少，但是總體上誤差可以控制在8%以內(nèi)，占梭子蟹體質(zhì)量的1~1.25%，按照70 g幼蟹攝食量占體質(zhì)量波動(dòng)范圍2%[33-35]計(jì)算，投餌精度可滿足工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的需求。經(jīng)過分析認(rèn)為，產(chǎn)生誤差的主要原因包括3個(gè)方面：

1）餌料因在潮濕的環(huán)境中極易受潮而發(fā)生黏結(jié)，在下料的時(shí)候可能會(huì)結(jié)塊，使下料筒填充不滿。

2）有的餌料的形狀不規(guī)則，在填充下料筒時(shí)會(huì)出現(xiàn)空隙過多的現(xiàn)象，一定程度上會(huì)影響投餌量的精度。

3）下料筒的加工精度上還存在不足。隨著投餌量的減少，產(chǎn)生的誤差會(huì)相對(duì)增大。該系統(tǒng)更適合水產(chǎn)養(yǎng)殖后期，餌料需求量較大，單次投放量較多的情況。后續(xù)在餌料加工方面有所改善，該系統(tǒng)的自動(dòng)投餌量精度會(huì)再度提高。

5 結(jié) 論

該文基于單片機(jī)、觸摸屏、可變體積的下料筒設(shè)計(jì)了一種適用于工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)定量投餌系統(tǒng)。系統(tǒng)連接維控觸摸屏人機(jī)界面，通過自帶軟件設(shè)計(jì)控制顯示界面，實(shí)現(xiàn)集自動(dòng)投餌、監(jiān)測(cè)、控制于一體的人機(jī)界面設(shè)計(jì)，達(dá)到智能控制投餌系統(tǒng)的目的。在養(yǎng)殖基地實(shí)地考察研究，根據(jù)工廠化養(yǎng)殖需求，設(shè)置系統(tǒng)定量投餌性能試驗(yàn)方案：設(shè)計(jì)5組梯度投餌試驗(yàn)，設(shè)定范圍自5 ~13 g/次，每組重復(fù)試驗(yàn)20次，對(duì)拋灑的餌料稱質(zhì)量、記錄并計(jì)算誤差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，即使是在單次投餌量較小的情況下，誤差最大值仍保持在8%以內(nèi)，占梭子蟹體質(zhì)量的1%~1.25%，按照70 g幼蟹攝食量占體質(zhì)量波動(dòng)范圍2%計(jì)算，投餌精度可滿足工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的需求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案有效可行，能較好地滿足自動(dòng)定量投餌，實(shí)現(xiàn)工廠化水產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化養(yǎng)殖，降低養(yǎng)殖成本，提高海蟹品質(zhì)。

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Design of quantitative feeding machine for sea crab cultivation based on volume adjustment of lifting sleeve

Hu Haigang1, Tang Chao1, Zhang Linwei2, Zhang Gang1, Qian Yunxia3

(1.3152112.3151003.315211,)

There are many uncertain factors in the amount of artificial feeding, which cause the waste of bait easily, moreover, a huge labor cost. The author briefly introduces the research status of automatic feeding machine at home and abroad, and points out that the existing quantitative feeding machine cannot take both the structural simplicity and functional perfection into account. Aiming at the complex structure and expensive price of the volume quantitative baiting machine, the author studies and designs a simple baiting machine for marine crabs. In the modern factory circulating aquaculture system, each crab is placed in separate baskets. Its amount of feeding and feeding time are strict, which needs to be adjusted according to the weight and food intake of the crabs. As a result, the designed feeding machine must have a stepless adjustment according to the real-time status of the breeding objects with the ability that can vary the amount of bait, simple structure, stable performance and easy maintenance. Therefore, based on the principle of variable volume method, this paper designs an automatic feeding system for single-cage culture sea crabs with a strong anti-interference ability, which overcomes the shortcoming that the accuracy of quantitative weighing method is susceptible to vibration. The author introduces the basic structure and basic working principles of this system. The whole feeding system consists of hopper, rack, lower barrel, lower barrel, motors, Scissor mechanism and control system. When the MCU sends the start command, the upper and lower valves remain closed, and the material level photoelectric sensor detects whether the storage hopper has material. If there is material, the upper motor moves to open the valve plate between the storage hopper and the lower barrel, and the baits fall into the lower barrel. After the barrel is filled with bait, the upper valve plate is closed and the lower valve plate is opened for feeding, when the single chip transmits a signal for adjusting the amount of the feed, the middle motor operates to change the total volume of the lower cylinder by varying the height of the lower barrel, thereby realizing variable quantitative feeding. The programming controller (microcontroller) performs automatic control, and the touch screen realizes human-computer interaction operation. Then with combination of theoretical calculation, the paper determines the relationship between different quantitative volumes and motor control time. The second chapter optimizes the scissor lift mechanism to obtain the most efficient initial angle. The article also designs the control system, introduces the composition of the control system and the selection of the execution motor, details the operation of the control system during the work process, and briefly introduces the hardware of the human-computer interaction interface. Combined with automatic feeding system control circuit of the mater controller, it realizes the intelligent control of the entire automatic feeding system, leads to the system to be more convenient and intelligent. As for software, an interactive software is designed to implement functions such as parameter setting, working status, historical data query, and help interface, which helps new users quickly master the use of the feeding machine. Based on the automatic feeding systems for single basket of crabs breeding, the author experimented in Xinyi fresh aquatic Ltd. (Xiangshan, Ningbo) to test the function of casting bait at accurate time and quantity. After experiment, the performance test of the precision error of the feeding system shows that the design scheme is effective and feasible. On the premise of precise time point, the system can control the average error of feeding accuracy to less than 8%, which meets the needs of Marine crabs farming in factory. The test results show that the overall design scheme of the system is effective and feasible within the allowable error range of the factory aquaculture industry, especially in the case of a large feeding amount. To achieve automation and intelligent farming of factory-based aquatic products, reduce farming costs and improve the quality of marine crabs.

aquaculture; design; recirculating aquaculture system; marine crab breeding; automatic feeding

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.005

S969.31

A

1002-6819(2019)-13-0047-07

2018-11-05

2019-04-18

浙江省公益技術(shù)項(xiàng)目（2017C32014）；寧波市科技富民項(xiàng)目（2017C10006）；寧波市農(nóng)業(yè)重大項(xiàng)目（2017C110007）

胡海剛，浙江定海人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，輪機(jī)工程學(xué)位點(diǎn)船舶自動(dòng)化與機(jī)電控制方向?qū)W術(shù)梯隊(duì)骨干成員，主要從事船舶工程安全技術(shù)與機(jī)電控制研究。Email：huhaigang@nbu.edu.cn

胡海剛，唐 潮，張林偉，張 剛，錢云霞.基于升降套筒體積調(diào)整的海蟹養(yǎng)殖定量投餌機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(13)：47－53. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.005 http://www.tcsae.org

Hu Haigang, Tang Chao, Zhang Linwei, Zhang Gang, Qian Yunxia.Design of quantitative feeding machine for sea crab cultivation based on volume adjustment of lifting sleeve [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 47－53. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.004 http://www.tcsae.org