一種自動(dòng)捕捉器設(shè)計(jì)研究

倪笑宇　王雪凡　曹帥　解衛(wèi)杰

摘? ?要：為了減少有害生物對(duì)農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)設(shè)施產(chǎn)生的破壞，文章設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于社會(huì)生活的自動(dòng)捕捉器，首先介紹了其結(jié)構(gòu)組成，部分電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)具有測(cè)重、自動(dòng)感應(yīng)和自動(dòng)捕捉等功能;其次，對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，樣機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定，性能可靠，工作效果良好，具有輕便、快捷、高效的特點(diǎn)，可減少有害生物的破壞。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)捕捉;聲波探測(cè);測(cè)重;便攜式

1? ? 自動(dòng)捕捉器研發(fā)背景

據(jù)調(diào)查，在廣大農(nóng)村地區(qū)害蟲(chóng)種類(lèi)和數(shù)量較多，家鼠身上攜帶多種病菌，嚴(yán)重影響人類(lèi)的身體健康。另外，家鼠是住宅區(qū)害鼠優(yōu)勢(shì)種，繁殖能力強(qiáng)，占總鼠數(shù)的44.63%，然而捕獲率僅為5.21%?，F(xiàn)在常用防治家鼠的方法有：常規(guī)器械滅鼠和毒餌殺滅，常規(guī)器械滅鼠完全采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，不具備自動(dòng)化功效，很難抓住老鼠;毒餌殺滅利用投毒的方法雖然可以有效殺死老鼠，但是老鼠死在哪卻很難發(fā)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)捕捉器，在功能上可以實(shí)現(xiàn)多樣化、自動(dòng)化，當(dāng)遇到有害生物時(shí)可以用其捕獲，還可以驅(qū)趕鳥(niǎo)類(lèi)，科研需要時(shí)還可以完成對(duì)某些生物的探索、捕捉和追蹤等任務(wù)，以收集相關(guān)科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)生物科學(xué)領(lǐng)域的研究有一定的幫助作用。

2? ? 功能結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)捕捉器由電源、監(jiān)測(cè)裝置、測(cè)重裝置、聲波裝置、紅外線(xiàn)探測(cè)裝置、磁鐵及簡(jiǎn)單的機(jī)械零件等組成[1]，如圖1所示。電源部分由兩節(jié)18650電池串聯(lián)提供能量;控制部分由一塊STM32的32位單片機(jī)芯片來(lái)提供控制;信號(hào)采集部分包括光照傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器，當(dāng)任何一感應(yīng)部分感知到信號(hào)時(shí)磁鐵就會(huì)斷電自由下落使箱體閉合。整個(gè)過(guò)程大體為“通電準(zhǔn)備—信號(hào)感應(yīng)—斷電捕捉”，其中包括電磁控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng);數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)可以和手機(jī)相連將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控。

3? ? 電路設(shè)計(jì)

3.1? 電磁鐵控制電路

通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓模塊和電磁鐵及電源相連，將電壓控制在12～24 V，保證電磁鐵的正常吸合及斷開(kāi)。

3.2? 聲波傳感器電路

超聲波傳感器由發(fā)送傳感器（或稱(chēng)波發(fā)送器）、接收傳感器（或稱(chēng)波接收器）、控制部分與電源部分組成[2]。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15 mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射;而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出對(duì)發(fā)送進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用于接收，控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制[3]。

3.3? 主控電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)，適用范圍廣泛、工作電壓穩(wěn)定，為自動(dòng)捕捉器的工作提供了有效的保障。該控制元件在工作過(guò)程中產(chǎn)生固定時(shí)序信號(hào)并形成該時(shí)刻所需的控制信號(hào)，從而控制電磁鐵、聲波傳感器、紅外線(xiàn)傳感器、測(cè)重模塊以及顯示器正常工作。

4? ? 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要由下位機(jī)程序構(gòu)成，主控制器采用STM32F103單片機(jī)作為控制芯片，通過(guò)Keil Vision5平臺(tái)進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，并利用C語(yǔ)言編寫(xiě)各功能模塊子函數(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)由主控程序?qū)⒏髯映绦蛉诤?，?shí)現(xiàn)了對(duì)電磁鐵的吸合控制、液晶顯示、數(shù)據(jù)分析及處理。利用C語(yǔ)言程序來(lái)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的中斷、定時(shí)器和多路PWM波輸出，程序主要由電磁鐵通斷部分、液晶屏顯示部分、超聲波智能探測(cè)部分、紅外監(jiān)測(cè)及報(bào)警等部分構(gòu)成，程序流程如圖2所示。

5? ? 自動(dòng)捕捉器測(cè)試

通過(guò)測(cè)量與結(jié)合實(shí)際使用情況，做出了最初的樣機(jī)模型，包括基本功能和報(bào)警系統(tǒng)，裝置樣本如圖3所示。

第一次測(cè)試：首先，進(jìn)行了側(cè)重模塊的反應(yīng)測(cè)試，將程序輸入到單片機(jī)中;其次，將電磁鐵和測(cè)重模塊相連，用手輕輕按壓，當(dāng)數(shù)值到設(shè)定的值后磁鐵斷電，圓柱殼體進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，測(cè)試的反應(yīng)時(shí)間約為0.5 s，在允許的時(shí)間范圍內(nèi)。

第二次測(cè)試：對(duì)報(bào)警裝置進(jìn)行了檢測(cè)，重復(fù)測(cè)試一的動(dòng)作，將報(bào)警程序以及硬件連接進(jìn)去，當(dāng)殼體落下5 s會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，持續(xù)時(shí)間為5 min。

第三次測(cè)試：同樣是在此前的基礎(chǔ)上增加了紅外線(xiàn)與液晶顯示裝置，當(dāng)物體接觸到紅外線(xiàn)時(shí)電磁鐵立刻斷電，此時(shí)紅外線(xiàn)系統(tǒng)關(guān)閉，液晶顯示系統(tǒng)顯示出此時(shí)的時(shí)間、溫度以及物體重量。

經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)得出該裝置的硬件和軟件系統(tǒng)一切正常，并對(duì)一些對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響的不利因素進(jìn)行了排除和改進(jìn)。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)捕捉器是一種用來(lái)捕獲反應(yīng)靈敏、難以捕獲、體積較小的、給人們生活帶來(lái)不便的生物，或是捕捉野生動(dòng)物用以科學(xué)研究的多功能簡(jiǎn)易捕捉器。本文主要對(duì)自動(dòng)捕捉器及其相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行分析、研究，實(shí)地測(cè)試后的結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果，后期將對(duì)各個(gè)方面的裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿(mǎn)足本產(chǎn)品的實(shí)際需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐愛(ài)鈞.KeilC51單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言應(yīng)用編程技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]芮延年.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]王士寶.昆蟲(chóng)自動(dòng)捕捉器[J].電工技術(shù)，1986（6）：40.

Abstract：In order to reduce the damage caused by pests to agricultural products and industrial facilities， an automatic catcher applied to social life was designed in this paper. The structure， circuit design and software design of the system were introduced， and the functions of weight measurement， automatic induction and automatic capture were provided. Then， the prototype of the system was tested. The test results show that the prototype system is stable， reliable and has good working effect. It is portable， fast and efficient， and can reduce the damage of harmful organisms.

Key words：automatic capture; sound wave detection; weight measurement; portability