1、智能超声波驱鸟器的设计摘要：鸟类经常在输变电铁塔上筑巢、排便等是一个令人头痛的问题。为了提高输变电设备的可靠性、安全性，避免由于鸟类筑巢而导致输变电设备对地放电等故障，考虑以 AT89C51 单片机作为微控制器，设计出一种太阳能智能驱鸟器，此太阳能智能驱鸟器，涉及驱鸟装置，其特征在于:控制模块通过信号线和至少两个超声波扬声器连接并控制超声波扬声器连续交替发出频率变化的超声波，利用鸟类与人类在听觉的差异，通过微电脑控制器（即单片机）控制超声波扬声器发出超声刺激鸟类听觉，使鸟类生存环境充满鸟类认为的噪声，使鸟类生存环境恶化，使之不愿靠近输电铁塔等。控制模块的电源接口通过电源线和太阳能电池或蓄电池连
2、接。太阳能智能驱鸟器可以有效驱鸟而又不伤害鸟类、使用寿命长、无安全隐患、驱鸟效果好、性能可靠。关键词： 超声波 变频率 驱鸟 单片机本科生创新培养基金项目 第 1页1 研究背景1.1 研究背 景鸟类是人类的朋友，人类在爱护鸟类的同时也受到鸟类的困扰，例如:鸟类在输变电铁塔上筑巢、排便就是一个令人头痛的问题。为了提高输变电设备的可靠性、安全性，避免由于鸟类筑巢而导致输变电设备对地放电等故障，有必要采取措施驱赶鸟类而又不伤害鸟类。 随着单片机技术的发展，日常生活中运用单片机控制的设备日益增多，由单片机控制的设备有结构简单、容易操作、运行精确等诸多优点。于是，考虑以 C8051F310 单片机作为微
3、控制器，设计出一种超声波驱鸟器，编写适当程序以实现控制模块通过信号线和至少两个超声波扬声器连接并控制超声波扬声器连续交替发出频率变化的超声波，超声波驱鸟器是通过发出超声波，利用鸟类与人类在听觉的差异，通过微电脑控制器(即单片机) 控制超声波扬声器发出超声刺激鸟类听觉，使鸟类生存环境充满鸟类认为的噪声，使鸟类生存环境恶化，使之不愿靠近输电铁塔。控制模块的电源接口通过电源线和太阳能电池或蓄电池连接。本实用新型所述的超声波驱鸟器采用双频控制，可以连续交替发出频率变化的超声波，使鸟类无法忍受，保证了驱鸟效果的持久性，以达到驱鸟的效果。1.2 单片机选择C8051F310 器件是完全集成的混合信号片上系
4、统型 MCU 芯片。下面列出了一些主要特性:1.高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核（可达 25MIPS）2.全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）3.带模拟多路器真正 10 位 200ksps 的 25 通道单端/差分 ADC（C8051F310/1/2/3）4.高精度可编程的 25MHz 内部振荡器 5.16KB（C8051F310/1）或 8KB（C8051F312/3/4/5）在系统编程的 FLASH 存储器6.1280 字节片内 RAM 7.硬件实现的 SMBus/I2C、增强型 UART 和增强型 SPI 串行接口 8.4 个通用的 16 位定时器 9.具有 5
5、 个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列10.片内上电复位、VDD 监视器和温度传感器本科生创新培养基金项目 第 2页11.片内电压比较器（2） 12.29/25 个端口 I/O（容许 5V 输入）1.3 电路中的主要器件1）8051F310 单片机2）AZ10844）LM1117 调压器5）太阳能电池板6）扬声器7）电容 电阻若干1.4 总体设计要求以 C8051F310 单片机作为微控制器，设计出一种超声波驱鸟器，编写适当程序以实现控制模块通过信号线和至少两个超声波扬声器连接并控制超声波扬声器连续交替发出频率变化的超声波，利用鸟类与人类在听觉的差异，通过单片机控制超声
6、波扬声器发出超声刺激鸟类听觉，使鸟类生存环境充满鸟类认为的噪声，使鸟类生存环境恶化，使之不愿靠近输电铁塔，高压线等，以达到驱鸟的效果。2 研究方法2.1 C8051F310 单片机简介C8051F310 单片机 8/16 KB ISP FLASH 微控制器 C8051F31x 器件是完全集成的混合信号片上系统型 MCU 芯片。下面列出了一些主要特性。（一） 系统介绍1） 高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核（可达 25MIPS） 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） 带模拟多路器、真正 10 位 200 ksps 的 25 通道单端/差分ADC（C8051F310/1/2
7、/3） 。 2）高精度可编程的 25MHz 内部振荡器 16KB（C8051F310/1）或8KB（C8051F312/3/4/5）可在系统编程的 FLASH 存储器 1280 字节片内 RAM 硬件实现的 SMBus/ I2C、增强型 UART 和增强型 SPI 串行接口 4 个通用的 16 位定时器 具有 5 个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA） 片内上电复位、 3）VDD 监视器和温度传本科生创新培养基金项目 第 3页感器 片内电压比较器（2） 29/25 个端口 I/O（容许 5V 输入）具有片内上电复位、VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C
8、8051F31x 是真正能独立工作的片上系统。4）FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。5）用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。6)片内 Silicon Labs 二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入式（不占用片内资源） 、全速、在系统调试。7）调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用 C2 进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。8）两个 C2 接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可
9、在工业温度范围（-45到+85）内用 2.7V-3.6V 的电压工作。9）端口 I/O、/RST 和 JTAG 引脚都容许 5V 的输入信号电压。C8051F31x 有 32 脚 LQFP 封装和 28 脚 MLP 封装。（二）可编程计数器阵列除了4个16位的通用计数器/定时器之外，MCU中还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和5个可编程的捕捉/比较模块。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位或16位脉冲宽度调制器、频率输出。每个捕捉/比较模块的工作方式都可以被独立配置。对PCA的配置和控制是通过
10、系统控制器的特殊功能寄存器来实现的。可编程计数器阵列（PCA0）提供增强的定时器功能，与标准8051的计数器/定时器相比，它需要较少的CPU干预。PCA由一个专用的16位计数器/定时器和5个16位捕捉/比较模块组成。每个捕捉/比较模块有其自己的I/O线（CEXn），这些I/O线在被使能时通过交叉开关连到端口I/O。计数器/定时器由一个可编程的时基信号驱动，时基信号可以在六个时钟源中选择：系统时钟、系统时钟/4、系统时钟/12、外部振荡器时钟/8、定时器0溢出或ECI输入引脚上的外部时钟信号。（三）脉宽调制器方式本设计中需要利用PWM脉宽调制控制电机驱动，PCA的5个16位捕捉/比较模块中每个模
11、块都可以被独立地用于在对应的CEXn引脚产生脉宽调制（PWM）输出。PWM输出的频率取决于PCA计数器/定时器的时基。使用模块的捕捉/比较寄存器PCA0CPLn改变PWM输出信号的占比。当PCA计数器/定时器的低字节（PCA0L）与PCA0CPLn中的值相等时，CEXn引脚上的输出被置1。当PCA0L中的计数值溢本科生创新培养基金项目 第 4页出时，CEXn输出被复位。当计数器/定时器的低字节PCA0L溢出时（从0xFF到0x00），保存在PCA0CPHn中的值被自动装入到PCA0CPLn，不需软件干预。通过将PCA0CPMn寄存器中的ECOMn和PWMn位置1来使能8位脉冲宽度调制器方式。2
12、. 2LM1117简介LM1117 是一个低压差电压调节器系列。其压差在 1.2V 输出，负载电流为 800mA 时为 1.2V。它与国家半导体的工业标准器件 LM317 有相同的管脚排列。LM1117 有可调电压的版本，通过 2个外部电阻可实现 1.2513.8V 输出电压范围。另外还有 5 个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V 和 5V）的型号。 LM1117 提供电流限制和热保护。 电路包含 1 个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。LM1117 系列具有 LLP、TO-263、SOT-223、TO-220 和 TO-252 D-PAK 封装。输出端
13、需要一个至少 10uF 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。特性 z 提供 1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V 和可调电压的型号 z 节省空间的 SOT-223 和 LLP 封装 z 电流限制和热保护功能 z 输出电流可达 800mA z 线性调整率：0.2% (Max) z 负载调整率：0.4% (Max) z 温度范围 LM1117：0125 LM1117I：-40125 应用 z 2.85V 模块可用于 SCSI-2 有源终端 z 开关 DC/DC 转换器的主调压器 z 高效线性调整器 z 电池充电器 z 电池供电装置 典型应用 SCSI-2 总线有源终端2. 3AZ1084 简
14、介AZ1084 是一系列的低压差正电压调节器，具有最大的低压 1.5V 在 5A 负载电流时。该系列具有片上热限制保护不受任何组合超负荷和周围温度过高，从而建立结温。他也包括平衡带隙基准和电流限制电路。AZ1084 有 1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.3V，和 5V 形式。固定形式结合了调节电阻器。它也有可调节的版本能够设置输出电压用两个外部电阻器。特点：1.低压差电压：1.3V 类型2.电流限制和热保护3.输出电流：5A本科生创新培养基金项目 第 5页4.输出电流限制：6.5A5.工作结温限制范围：01256.线路调整率：0.015%7.负载调整率：0.1%应用1.高效率线路调
15、节器2.蓄电池充电器3.后稳压开关电源4.微处理器供应5.台式计算机，RISC 和可植入的处理器供应3 研究结果3.1 超声波驱鸟器技术领域3.1.1 技术背景鸟类是人类的朋友，人类在爱护鸟类的同时也受到鸟类的困扰，例如:鸟类在输变电铁塔上筑巢、排便就是一个令人头痛的问题。为了提高输变电设备的可靠性、安全性，避免由于鸟类筑巢而导致输变电设备对地放电等故障，有必要采取措施驱赶鸟类而又不伤害鸟类。当前输变电设备使用的驱鸟器主要有风车式驱鸟器、语音驱鸟器、高压电子脉冲电子驱鸟、电容放电产生空爆、强光驱鸟以及防鸟刺等。(1)风车式驱鸟器是最早进入市场的驱鸟器，其原理是在风的作用下，旋转驱鸟器上的风碗恐
16、吓鸟。特点是价格低廉，但易老化，无风时不能发挥作用，而且鸟类容易适应。(2)语音驱鸟器是利用语音芯片或 MP3 技术制作的驱鸟器。播放预先录制的鸟类哀鸣声和/或鸟类天敌的叫声来惊吓鸟类。特点是具有爆发性的驱鸟效果，但由于鸟的种类很多，而国内鸟类的语音库中的种类有限，所以鸟类的适应期短;语音驱鸟器的功率大，使用寿命短，应用在输变电单位还会造成噪音污染，此种驱鸟器用于机场、果树、林场或渔业养殖。(3)高压电子脉冲电击驱鸟器，是利用高压放电电击鸟类，有一定的驱鸟效果。但是它的驱鸟范围极有限，只有鸟落在他的极板上才能发挥作用，而且使用寿命短，并且会对鸟类造成伤害。用于输变电单位的铁塔时，对上下铁塔检修
17、带来不便和安全隐患。驱鸟刺的使用也有类似的安全隐患。(4)电容放电产生空爆和强光驱鸟是利用电容放电产生空爆声和强光，从而来驱赶鸟类。有一定驱鸟效果，但是它的驱鸟范围小，强光还受其角度限制。由于瞬间电流很大，所以使用寿命短。本科生创新培养基金项目 第 6页3.1.2 超声波驱鸟器特征系统能量供应：为达到节约能源的需要，采用太阳能光电路板为整个系统提供电能，电力供应系统分为两个部分，一是采用即时供电的电力供应系统，该系统通过太阳能电池板为其提供电能；二是设计一个能量存储电路，将由太阳能转化而来的电能通过蓄电池储存起来，以备阴天和夜间使用。时钟电路：通过程序设计出一个可以控制发射周期的电路，可以根据
18、需要调节发射周期。光敏感应电路：通过光敏原件组成的光敏感应电路实现合理的电能的利用，当夜间或者是阴天，通过光敏传感器对光的采集，自动调节到省电模式。超声波发射电路：由超声波发射电路设计出可调频的声波发射器，用户可以根据所驱赶的对象调节声波的发射频率。用户通过外置频率调节按钮对声波频率进行调节。由二极管指示电路实现对按键的正确响应，主控电路：利用 C8051F310 设计出主控电路，从而实现信号的采集和指令的发出，控制声波的发射频率，以达到系统工作在最优模式。最后：将各部分电路与主控电路进行搭接，实现机器的整体功能。3.1.3 具体实施方式电源介绍1.我们对电源供电打算采用两种方式（1）电池方式
19、本次设计采用 6 伏电源为系统供电，电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，电池的体积较小，价格也比较低。（2）是太阳能电池板价格比较贵，因此我们在设计的时候没有采用。但是它比较适合用于野外，可以不必考虑电池的电量，因此我们只留有接口，在需要的时候可以添加。主 控 电 路超声波发射电路太阳能供电电路光敏感应电路时钟电路本科生创新培养基金项目 第 7页(3) 电源保护是为了防止电源正负极接反使电路的元器件烧毁而添加进去的，主要通过图中的二极管所完成。当电源接反后，开关闭合前二极管就会导通，由于没有限流电阻，导通后的电流很大，足以将二极管烧毁。(4)烧毁时的烟足以引起大家注意。但该电路并
20、不可以完全保证对电源的保护，当二极管烧毁之后，二极管的 PN 结被破坏，整个管子如同导线一样将开关短路，与闭合开关一样效果，使得后续电路继续收到损害。所以在发现二极管有发光发热迹象时要立即断开电源，以免烧毁后续电路。稳压电路电源通过 1084 将电压稳定到 5v 再通过 LM117 将电压稳到， 3.3v 用于给单片机供电，5v 用于驱动超声波发生电路。本科生创新培养基金项目 第 8页功放电路我们采用 LM386 作为功率放大电路LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器 静态功耗低,约为 4mA,可用于电池供电。
21、 工作电压范围宽,4-12V or 5-18V。 外围元件少。 电压增益可调,20-200 低失真度。 控制电路本科生创新培养基金项目 第 9页4.1 软件流程图4.2 电路原理图及 PCB 介绍PCB 既为 Printed Circuit Board 的英文缩写，汉语称之为印制电路板。通常把在绝缘材料上，按预定设计，制成印制线路、印制元件或两者结合而成的导电图形成为印制电路。而在绝缘基材上提供原器件之间电气连接的导电图形，称为印刷线路。这样就把印制电路或印制线路的成品板成为PCB。印制电路的基板是由绝缘隔热，并不易弯曲的材质制作而成的。在表面上可以看到的是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，
22、而在制造过程中，部分被蚀刻处理掉，留下来的部分就变成网状的细小的线了，这些线被称为导线或布线，并用于 PCB 上零件的电路连接。4.3 电路 PCB 图1 PCB 板本科生创新培养基金项目 第 10页图 4.1.2 PCB 板2 PCB 板 3D 视图图 4.1.3 PCB 板 3D 视图本科生创新培养基金项目 第 11页电路原理及 PCB 部分小结：本章为电路硬件部分的主要元器件介绍，电路图，以及电路各部分分析和 PCB 板的制作，是本论文设计的核心章节。通过查阅相关资料了解各种器件的性能和用途，考虑到性能、精度要求、以及价格等诸多因素，对同类型器件进行区别筛选，以选择最优器件进行本次电路设
23、计。通过对 Protel 的深入学习，学会了对电路的设计连接，元器件封装，以及 PCB 板的设计、布局、布线等。结论本次论文太阳能智能驱鸟器，经过认真、努力的学习、思考、设计和查阅相关资料，最终成功完成太阳能智能驱鸟器的设计。控制模块控制超声波扬声器连续交替发出频率变化的超声波，利用鸟类与人类在听觉的差异，扬声器发出的超声波刺激鸟类听觉，使鸟类生存环境充满鸟类认为的噪声，使之不愿靠近输电铁塔等，以达到驱鸟的效果。本科生创新培养基金项目 第 12页参考文献1 汤竟南，沈国琴，51 单片机 C 语言开发与实例，北京：人民邮电出版社，20082 陈明荧，8051 单片机课程设计与实训教材，北京：清华
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