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驱鸟器的设计毕业论文
驱鸟器的设计毕业论文
第1章绪论
§1.1鸟类对输电安全的影响
输电线路的研究主要包括杆塔塔型、线路外绝缘、电场分布的计算、导线的布置方式等课题。
近年来出现了一些新的研究领域如静电感应、可听噪音、无线电干扰等,为抵御和防止自然灾害对输电线路所造成的事故又形成了防雷、防污、防冰等三大课题。
输电线路的安全运行对于保证向用户不间断地供电至关重要。
目前输电线路的鸟害事故己成为影响输电线路安全运行的一大隐患,越来越引起电力部门的重视。
鸟害包括鸟啄食绝缘子、鸟排泄粪便及鸟筑巢所引起的绝缘子闪络、线路跳闸等。
目前国内的防鸟害措施主要有在线路杆塔上安装警鸟用的风车、恐怖眼,挂小红旗,安装防鸟刺等。
目前国外的研究发现,利用鸟类遇难报警或垂死前的鸣叫、求救等鸟类物种中特有的,并具有遗传共性的、富有生物学意义的鸣叫声制成的驱鸟器驱鸟效果最好。
因此出现了市面上热卖的声音驱鸟器,把鸟类遇难报警或垂死前的鸣叫、求救等的声音录制在数码芯片内,安装在输电线路铁塔上驱鸟。
然而虽然这类驱鸟器在一定时间内起到了明显的驱鸟效果,但是鸟类是有灵性的动物,久而久之,它们能识别这一骗局,从新肆意妄为,危害输电电路。
鉴于此方面原因,此次设计的驱鸟器增加了飞鸟检测装置,解决鸟类识别、适应的问题。
§1.2驱鸟器的驱鸟原理
本设计采用的是语音驱鸟器,即电子声音驱鸟器。
它是利用声音进行驱鸟,大大降低了鸟类的危害。
目前有两种播放电子合成声音进行驱鸟的设备:
随机的噪音,令鸟类情绪激动(早期的方法);
模仿、复制不同种类鸟类的哀鸣或其天敌的叫声进行驱鸟。
早期的电子声音驱鸟器会产生让鸟类感到难受和不安感的噪音,在某些案例中,掠食的鸟们由于不能和同伴们交流令它们感到恐慌和不舒服,于是便飞走了。
这种方法效果不错。
新一代的电子声音驱鸟器利用数字技术产生不同种类鸟的哀鸣,这种声音集成在数字芯片上,会对同类的鸟造成恐吓作用,另外,这种声音还可以把他们的天敌吸引过来,同时把过路的鸟类吓走。
新一代的声音驱鸟器的分贝小,而且不同于早期的噪音驱鸟方法,更不会造成扰民影响了。
本次设计正式基于新一代声音驱鸟器的基础上,增加了检测装置,有鸟过来时才驱鸟,从而达到更好的驱鸟效果。
§1.3驱鸟器的总体设计
由于鸟害对输电线路的危害会造成大面积的停电,严重影响到了工农业生产和人们的日常生活,且这种趋势卒年增加,而现有的驱鸟器不能解决鸟类的适应问题,故研发出新型的能检测到有无鸟存在的驱鸟器迫在眉睫。
本系统采用微波位移传感器HB100及后续电路、单片机AT89C51和ISD2560语音芯片作为本设计的三个核心模块。
传感器HB100可以检测鸟飞来的速度,并将速度信号转换成电信号送给单片机,单片机处理这一信号,看其是否满足要求,若满足则驱动语音芯片ISD2560放音驱鸟。
实验表明传感器可以精确检测到10米范围内的物体移动,并产生相应的信号,因此选用的传感器是可行的。
单片机是最常用的,能满足资源空间的要求。
语音芯片选用能满足语音播放的功能。
驱鸟器智能系统主要由两个部分组成,既硬件和软件。
硬件由传感器及其后续处理电路、语音芯片电路、电源及复位电路和单片机等组成,在此不多做介绍。
系统的软件采用模块化程序设计思想,整个软件系统由主程序、驱动程序、计算子程序、放音子程序、延时子程序等组成。
微波位移传感器HB100是标准的10.525GHz微波多普勒雷达探测器,这种探测方式与其它探测方式相比具有如下的优点:
非接触探测;
不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响,适合恶劣环境;
抗射频干扰能力强;
输出功率小,对人体构不成危害;
远距离:
探测范围超过20米。
系统的主机采用传统的AT89C51单片机。
数码语音芯片选用的是ISD2500系列单片语音录放集成电路ISD2560,它具有抗断电、音质好,使用方便,无须专用的开发系统等优点。
录音时间为60s,能重复录放达10万次。
芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术,省去了A/D、D/A转换器。
该系统具有运行可靠接、接口简单、等特点,系统的框图见图1-1。
由图1-1可以看出,该系统硬件接口方便。
整个系统的供电电压为5V。
复位电路在系统的开机时提供复位信号,ISD2560通过地址总线与单片机进行连接。
图1-1原理框图
系统的工作原理是微波位移传感器HB100需要一个频率为4.7KHZ的脉冲信号驱动,这个脉冲信号可以通过单片机生成。
本设计才采用单片机P1.2口输出驱动脉冲信号,控制三极管给传感器供电。
驱动后的HB100一直在发射微波,当有鸟飞来时,传感器接受反射回来的微波,将其频率信号经过后续放大电路转换成电信号,这一电信号在无鸟飞来时持续为高电平,检测到速度时会产生低脉冲。
速度达到5m/s时信号特征是在10ms内产生3个低脉冲,如图1-2所示,此时认为有鸟飞来。
这一信号线连接到单片机的外部中断0上(P3.2),通过软件编程来判断是否有鸟飞来,若有鸟飞来则置低管脚P1.3,P1.3通过继电器连接语音芯片ISD2560,从而确定是否放音驱鸟。
P1.3为低电平时,语音芯片放音驱鸟。
图1-2有飞鸟时放大器输出信号
调试时设计过程的一个极其重要的环节,调试过程应逐步进行,先检查P1.2口是否产生脉冲信号驱动传感器,若无则在此认真检查定时中断程序。
在驱动传感器成功的条件下,检查外部中断0的接口P3.2口,没有物体移动时该端应为高电平,若不对则可能是硬件电路哪里出了故障,此时应检查修改硬件电路。
若P3.2口为高电平,则以人手模拟飞鸟移动,此时在此检查P3.2口确定其是否有低电平扰动,若无仍是硬件电路的毛病,需再次检查硬件电路直至有有物体移动时P3.2口产生低脉冲。
接着查看P1.3口,若程序正确则有物体移动时P1.3口为低电平,P1.3口是语音芯片的片选端,若放音程序和声音程序正确则有物体移动时放音驱鸟。
这样一步一步检查,修改,调试直至整个系统能够正常工作。
另外,还需要考虑驱鸟器的防雨、防潮、抗震能力,设计合适的机壳将所需器件、电路装入其中,以便安装在高压铁塔上。
由于精度需要,传感器HB100H发射微波还会受机壳、环境的影响,因此,实验系统的调试成功并不代表能在实地应用,应用前还得不断的实验。
另外检测模块的供电电路需要保障,这里选用蓄电池供电,以保证能有较长的使用寿命。
通过以上简单介绍,对驱鸟器系统有了概括的了解。
详细介绍见第二、三和第四章节。
第2章驱鸟器的硬件设计
§2.1单片机系统设计
§2.1.1单片机的选择
系统的主机采用传统的AT89C51单片机,由于整个系统的软件不太复杂所以单片机不需要外扩存储器,利用AT89C51单片机的内部资源即可满足要求。
语音芯片选择ISD2560芯片。
§2.1.3传感器选择
传感器选用的是微波位移传感器HB100,它的优点这里不再赘述。
下面介绍一下它的技术指标。
供电:
给HB100供电有连续直流供电(CW)模式和脉动供电(PW)模式两种:
HB100适应电压范围为5V±5%。
在连续直流供电(CW)模式下工作时典型电流为35mA(典型值)。
在低占空比脉冲供电(PW)模式下工作时,推荐给HB100提供5V、脉冲的宽度在5μs~30μs之间(典型值为20μs)、频率为2~4kHz(典型值为2.0kHz)的脉冲供电。
3~10%的占空比脉冲供电时平均电流为1.2mA~4mA。
脉冲供电电压必须在4.75V~5.25V之间,脉冲顶端的平坦度会影响HB100的探测能力。
电源电压超过5.25V时,它的可靠性会降低,并可能导致标称频率外的射频输出和该电路永久性损坏。
射频输出:
在所有推荐工作模式下,HB100的射频功率输出是非常低的,均在对人体构不成任何危害的安全范围内工作。
在连续直流供电(CW)模式下工作时,总输出功率小于15mW。
输出功率密度在5mm处为1mW/
,1m处为0.72μW/
。
当在5%占空比的脉冲供电模式工作时,功率密度分别减少到50μW/
和0.036μW/
。
IF输出:
当物体在HB100的有效探测范围内以1m/s的速度相对于HB100做径向移动时,HB100的IF输出为72Hz/ms,IF的脉动输出频率与物体相对径向移动速度成近似线性关系。
IF的输出幅度与物体的大小、距离有关,当一个体重70kg、身高170cm的测试者在距离HB1001m处以1m/s的速度相对HB100做径向移动时,IF的输出为5mV、72Hz/s脉动信号,IF的输出幅度与距离的平方成近似反比关系。
简单测试方法:
连接电源,VCC=5VDC,IF连接示波器,示波器在10mV/div(AC)20ms/div档,手在HB100前5cm处做径向移动时,示波器上显示脉动信号幅度在20~50mV之间。
简单故障判断:
HB100的IF输出在焊接的时候很容易被击穿,用万用表的二极管档测量IF对GND和GND对IF的压降,正常时(VIF-GNDVGND-IF)分别均在0.25V左右。
§2.2系统的硬件接口设计
微波位移传感器HB100的放大电路与单片机AT89C51的接口电路如图2-2所示。
单片机的复位电路与晶振电路如图2-3所示。
语音芯片与单片机的接口电路如图2-4所示。
图2-2HB100及放大电路与单片机接口
图2-3复位及晶振电路
图2-4语音芯片接口电路
第3章驱鸟器飞鸟检测软件设计
§3.1软件设计的任务
软件设计,即单片机汇编程序的编写,其主要任务是生成一个4.7KHZ的脉冲信号驱动传感器HB100,并与传感器检测信号线连接,以确定是否有鸟飞来。
单片机与语音芯片ISD2560连接,当检测到有鸟启动语音芯片驱鸟。
单片机的资源利用情况如下:
定时器T0、T1,外部中断INT0;与外设连接的管脚有P1.2为传感器驱动信号输出口,P1.3置低驱动语音芯片;内部数据存储器使用情况为30H-33H:
TO初始值,,40H41H:
非初次外部中断时读T1值,50H51H:
初次外部中断读T1值,42H43H:
10ms的初始值。
本设计的主程序是对所需资源的初始化;定时器T0中断产生4.7KHZ的脉冲信号驱动传感器HB100;外部中断0接检测信号线,通过调用计算子程序确定有无鸟,若有鸟,调用放音子程序使语音芯片放音驱鸟。
§3.2软件设计的内容
软件包括:
主程序,初始化子程序,定时器中断程序,外部中断程序,计算子程序,放音子程序,声音子程序,延时子程序。
§3.3主程序设计
主程序的任务是将所需要用到的资源初始化,并等待中断。
其流程图如图3-1所示。
其对应的汇编程序如下:
ORG0000H
LJMPMAIN;复位入口转主程序
ORG0003H
LJMPIINT0;转入外部中断0
ORG000BH
LJMPIT0P;转入T0中断
ORG0030H
MAIN:
MOVSP,#60H
图3-1主程序流程图
LCALLPTOM2;调用T0,T1初始化程序
MOVR2,#03H
CLRF0
LL2:
SETBEA
LJMPLL2
;T0,INT0初始化
PTOM2:
MOVTMOD,#11H;T0定时,T1定时
MOV30H,#0ECH
MOV31H,#0FFH;T0启动脉冲为高电平时的初值
MOV32H,#52H
MOV33H,#0FFH;T0启动脉冲为低电平时的初值
MOVTL0,#52H
MOVTH0,#0FFH;T0赋低电平初值
MOV42H,#23H
MOV43H,#83H;42H43H为10ms所用的机器周期数
CLRP1.2;输出信号初始化
CLRIT0;外部中断0为电平触发模式
SETBEX0;开外部中断0
SETBPT0;定时器T0为高级中断
CLRPX0;外部中断0为低级中断
SETBTR0
SETBET0;开T0定时
SETBTR1;T1开始计时
SETBEA;开中断
RET
其中定时器T0中断的优先级高于外部中断0的,以保证传感器HB100的驱动信号不受干扰,从而传感器能持续工作。
§3.4定时器T0中断程序设计
定时器T0是给微波位移传感器HB100提供驱动信号的,其流程图如图3-2所示。
其程序设计如下:
;驱动传感器
IT0P:
PUSHPSW;现场保护
CLREA
CLRTR0;关T0中断
MOVA,32H
MOVR0,#30H
XCHA,@R0
MOV32H,A
MOVTL0,A
MOVA,33H
INCR0
XCHA,@R0
MOVA,33H
MOVTH0,A;交换T0定时高低电平初值
CPLP1.2;交换输出脉冲高低电平
图3-2T0中断流程图
CLRTF0;置0T0溢出标志
SETBTR0
SETBET0
SETBEA;开T0中断
POPPSW
RETI
§3.5外部中断0中断程序设计
图3-3外部中断0中断流程图图3-4计算子程序流程图
外部中断0为电平触发方式,当它的管脚P3.2为低电平时中断,进入中断程序,通过计算子程序计算在10ms内有是否有三个以上低脉冲,即是否在10ms内有是否有三次外部中断,若是,则清零管脚P1.3,选中语音芯片
ISD2560,调用放音子程序,放音驱鸟。
此处定时器T1起到计时的作用,每次非初次外部中断到来的时间减去初次外部中断的时间之差与10ms相比,从而使外部中断次数有了时间的限制。
其流程图如图3-3、图3-4所示。
相应程序如下:
;检测
IINT0:
CLREA
PUSHPSW;现场保护
CJNER2,#03H,L1;初次外部中断的T1值放50H51H
MOV50H,TH1
MOV51H,TL1
L1:
MOV40H,TH1;非初次外部中断的T1值放入40H41H
MOV41H,TL1
LCALLJISUAN;调用计算子程序
JBF0,L2;超过10ms跳出
DJNZR2,L2;不是第三次中断则跳出
CLRFY;置0放音标志
LCALLFYIN;调用放音子程序
LCALLDELAY;调用延时子程序
SETBFY;关闭放音标志
MOVR2,#03H;R2赋初值
L2:
CLRF0;初始化10ms标志
SETBEX0;允许外部中断0中断
POPPSW
RETI
;计算子程序
JISUAN:
CLRC
MOVA,41H
SUBBA,51H
MOV41H,A
MOVA,40H
SUBBA,50H
MOV40H,A;非初次外部中断时间减去初次外部中断时间结果放入40H41H
CLRC
MOVA,41H
SUBBA,43H
MOVA,40H
SUBBA,42H;两次中断时间差与10ms比较
JCL4;不超过10ms则跳转
SETBF0;超过10ms置高10ms标志
MOVR2,#03H;R2赋初值
L4:
RET
第4章驱鸟器语音输出软件设计
数码语音芯片选用的是ISD2500系列单片语音录放集成电路ISD2560,它具有抗断电、音质好,使用方便,无须专用的开发系统等优点。
录音时间为60s,能重复录放达10万次。
芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术,省去了A/D、D/A转换器。
该系统具有运行可靠接、接口简单等特点。
语音芯片ISD2560放音时,根据需播放的语音内容,找到相应的语音段起始地址,并通过口线送出。
再将P/R端设为高电平,PD端设为低电平,并让/CE端产生一负脉冲启动放音,这时单片机只需等待ISD2560的信息结束信号,即/EOM的产生。
信号为一负脉冲,在负脉冲的上升沿,该段语音才播放结束,所以单片机必须要检测到/EOM的上升沿才能播放第二段,否则播放的语音就不连续,而且会产生啪啪声,这一点在编制软件时一定要注意。
另语音芯片ISD2560的地址分配表见附录1。
驱鸟其软件程序采用单片机汇编语言编写,运用模块化结构形式。
各模块之间相互独立又相互关联,低级模块可以被高级模块重复调用,这样既节省内存空间又便于程序的编制及维护。
语音芯片选中后,当满足有鸟飞来的条件时开始放音驱鸟,其放音子程序和声音子程序及延时子程序的流程图如图4-1,图4-2,图4-3所示。
;放音子程序
FYIN:
SETBP2.5;置放音标志位
MOVP0,#00H;初始化放音开始地址
CLRP2.6
CLRP2.7
MOVR1,#0
LOOP1:
JBFY,LOOP1;是否允许放音
LCALLPLAY
RET
PLAY:
INCR1
图4-1放音子程序流程图
CJNER1,#1,PL1
MOVP0,#00H;送字段1起始地址
CLRP2.6
CLRP2.7LCALLSOUND;放字段1录音
INCR1
PL1:
CJNER1,#2,PL2
MOVP0,#20H;送字段2起始地址
CLRP2.6
CLRP2.7
LCALLSOUND;放字段2录音
INCR1
PL2:
CJNER1,#3,PL3
MOVP0,#40H;送字段3起始地址
CLRP2.6
CLRP2.7
LCALLSOUND;放字段3录音
INCR1
PL3:
CJNER1,#4,PL4
MOVP0,#60H;送字段4起始地址
CLRP2.6
CLRP2.7
LCALLSOUND;放字段4录音
INCR1
PL4:
CJNER1,#5,PL5
MOVP0,#00H;送字段5起始地址
CLRP2.6
CLRP2.7
LCALLSOUND;放字段5录音
INCR1
PL5:
CJNER1,#6,OUT
OUT:
RET
SOUND:
CLRP2.2;选中语音芯片,开始放音
NOP
NOP
LOOP2:
JNBP2.4,LOOP2;是否到达放音结束标志位
SETBP2.2;到结束标志位后结束放音
图4-2延时子程序流程图图4-3声音子程序流程图
RET
;延时子程序
DELAY:
MOVR5,#0EH
KL1:
MOVR4,#0FEH
KL2:
MOVR3,#0FEH
KL3:
DJNZR3,KL3
DJNZR4,KL2
DJNZR5,KL1
RET
END
第5章驱鸟器软件系统调试
驱鸟器的软件设计即单片机汇编语言,是通过编写、修改、调试一步步达到任务书要求的。
源程序可在LOPE编译软件中打开,点击“编译+连接”进行编译连接,生成可执行程序QNQ.HEX。
然后可利用MEP-300单片机程序烧写器烧写程序。
具体方法是:
将MEP-300单片机程序烧写器与电脑连接,将一片AT89C51单片机芯片正确插入烧写器。
打开烧写软件MP100.EXE,点击“芯片操作”、“芯片选择”,然后选择AT89C51。
点击“HEX”,在弹出的对话框中输入程序存放路径,打开QNQ.HEX,点击“自动操作”、“写入”,等待写入操作完毕,取出单片机,插入应用电路即可。
源程序包括主程序,初始化子程序,定时中断程序,外部中断程序,计算子程序,放音子程序,声音子程序和延时子程序。
除了主程序外每一个程序都可以单独调试,这样一块块的调试更方便且不易出错。
定时中断程序的作用是产生驱动传感器的脉冲方波,通过P1.2口语传感器连接,因此最优的调试方法是将该程序烧写入单片机接入电路后,看P1.2口是否输出为脉冲信号即可。
这里莫忘在中断返回前清零定时器溢出标志位TF0。
计算子程序和延时子程序都可以在LOPE编译软件的特殊功能寄存器窗口、输入输出窗口和内部存储器窗口的数值变化中的到调试,这样可以避免算错数和延时进入死循环。
放音子程序和声音子程序通过语音芯片可得到调试。
外部中断程序的作用是检测是否有物体移动。
将所有程序编译成功后烧写进单片机,并连接硬件电路,开始调试。
首先检查P1.2口是否产生脉冲信号驱动传感器,若无则在此认真检查定时中断程序。
在驱动传感器成功的条件下,检查外部中断0的接口P3.2口,没有物体移动时该端应为高电平,若不对则可能是硬件电路哪里出了故障,此时应检查修改硬件电路。
若P3.2口为高电平,则以人手模拟飞鸟移动,此时在此检查P3.2口确定其是否有低电平扰动,若无仍是硬件电路的毛病,需再次检查硬件电路直至有有物体移动时P3.2口产生低脉冲。
接着查看P1.3口,若程序正确则有物体移动时P1.3口为低电平,P1.3口是语音芯片的片选端,若放音程序和声音程序正确则有物体移动时放音驱鸟。
这样一步一步检查,修改,调试直至整个系统能够正常工作。
驱鸟器的测试分析实际上就是对传感器及后续电路的测试分析。
由于传感器检测信号检测到有物体移动时就会产生脉冲,产生的脉冲数和脉冲的持续时间与物体的移动速度有关。
考虑到产生低脉冲会有干扰信号,将一定时间内产生三个低脉冲认为是有物体移动。
而这个时间段的选择将决定驱鸟器系统检测环节的灵敏度。
灵敏度又直接关系着传感器的检测范围,如距离和角度。
分别将传感器放大电路出来的信号定为5ms、10ms、20ms内有三个低脉冲时认为有物体移动,经上面的调试过程调试证明当10ms内有三个低脉冲时能检测到10m内角度为30度的范围内的物体移动,满足设计要求。
而5ms时灵敏度太低,只能检测到3m范围内的物体移动,20ms时,灵敏度太高,有风就认为是有鸟,这样就会导致语音芯片一直播音驱鸟,不能起到驱鸟效果。
故将P3.2口的检测信号定为10ms内有三个低脉冲时认为有物体移动。
另外应考虑定时中断与外部中断的优先级,因为定时器中断是产生传感器的驱动信号的,传感器不停的工作,因此驱动信号不能受打断,应将定时器中断设置为高优先级的中断。
刚上电时,由于传感器的初始状态不定,和此时硬件电路运行速度达不到,所以在刚开始的10秒钟内整个系统不能正常检测和发音。
10秒钟后,系统能正常检测有无物体移动,并放音驱鸟。
实验表明,设计成的驱鸟器满足以上各个调试阶段的要求,能够准确检测10米范围内的物体移动,语音播放声音洪亮,能传播相当远的距离,能起到驱鸟的效果。
由于整个系统各个部分工作相互联系,其中一个环节出错将导致整个系统的瘫痪,因此调试过程中应该认真细心,不放过每一个细节。
只有这样严谨的调试方法才能达到理想效果。
第6章驱鸟器使用说明书
驱鸟器程序采用单片机汇编语言编写。
运用模块化结构形式。
各模块之间相互独立又相互关联,低级模块可以被高级模块重复调用。
现有程序名为:
QNQ.ASM,版本号为1.0。
程序占用资源如下:
30H~33H:
TO初始值;
40H41H:
非初次外部中断时读T1值;
50H51H:
初次外部中断读T1值;
42H43H:
10ms的初始值;
P1.2为传感器驱动信号输出口;
P1.3置低驱动语音芯片。
源程序可在LOPE编译软件中打开,点击“编译+连接”进行编译连接,生成可执行程序QNQ.HEX。
然后可利用MEP-300单片机程序烧写器烧写程序。
具体
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