基于C52 單片機的履帶式節能驅鳥機器人設計

周桂宇ZHOU Gui-yu；石薇SHI Wei；楊凱YANG Kai；陳泓州CHEN Hong-zhou；夏瑞清XIA Rui-qing；胡思泓HU Si-hong；稅鈺凇SHUI Yu-song

（宜賓學院智能制造學部，宜賓644000）

1 背景

在機場，為了保證飛行器起降安全，避免飛機高速起降時鳥兒被吸入飛機的發動機，或者是撞擊到飛機機身、機翼、尾翼、起落裝置等部位，從而在機場關鍵飛行區域、特別是在飛機起落的跑道或滑行道上采用超聲波、仿生語音、視覺、生態或雷達等手段[1]。在農場、果園、菜地和機場等地，也采取一些驅鳥手段防止有害鳥類侵入自己的領地，危害到自己勞動成果或設備安全。

驅鳥裝置在國內農牧業的驅鳥設備上，有風力驅鳥機、智能語音驅鳥機、電力輸入線驅鳥器、智能超聲波驅鳥器等[2]。風力驅鳥機的就是利用風來提供動力再通過軸承轉動達到驅鳥的效果；智能語音驅鳥器則是實時控制語音裝置來達到驅鳥的目的；電力輸入線驅鳥器則是利用鳥類遭遇困境或垂死前的嗚叫等，在生物學上的應激反應來驅鳥的原理；智能超聲波驅鳥器則是根據超聲波的一些特點設計的一種智能超聲波驅鳥裝置[3]。

國外的一些農牧場上，使用最廣的是驅鳥車，它由圖像探測和聲波、激光組合而成，它是可以實現驅鳥車快速移動，它的驅鳥手段就達到了多樣化，現有驅鳥設備驅趕手段單一，無法對目標進行發現以及做出一系列反應達到驅鳥效果，而驅鳥車大大提高了驅鳥效果[4]。

鳥類的種類繁多，但大多數是以農作物為主食的。顧名思義，害鳥就是給農作物生產帶來損失的鳥類，這些鳥類會將農作物的果實當作食物。另外就是益鳥，是對人類有益的鳥類。農業生產當中，鳥類主要將作物的種子或者果實當作了食物，這樣不論哪種情況都會導致在莊稼的收獲季節收成并不如人意。此外有些鳥吃魚苗，也是害鳥。這兩類鳥都是比較常見的，且它們都主要以作物為食，它們適應環境能力和繁殖能力都很強，歷年來給農牧業作物生產帶來極大危害，造成這些作物的大量減產，所以解決鳥害是刻不容緩的，對提高農作物產量具有積極的意義。這些年來，由于人們環保意識的提高，大自然的生態也越來越適宜鳥類的生存以及繁衍生息，鳥類危害農作物這一問題也越來越嚴重，普通農家的田間是缺乏必要的柵欄等阻隔鳥類的阻攔物，鳥類危害作物的情況更是愈發明顯，這種情況會導致農作物大量減產。在這樣的問題驅使下，驅鳥機器人應運而生。

2 總體設計方案

2.1 總體框架和主要內容

本次設計的節能驅鳥機器人總體框架如圖1 所示，供電模塊由風力發電機和太陽能電池板構成，多種供電模塊相互補償，具有吸收、儲備、轉換、供應能量等模式。能夠及時監測太陽光照強度和風力大小，根據系統所需能量進行調整。鋰電池可以充電和供能，起到能源切換的作用，切實保證供電模塊的正常運行。前后兩個紅外傳感器探測360 度范圍內是否有鳥兒，通過探測裝置獲取的信息發送給C52，C52 分析數據智能的把信息傳送給驅鳥模塊，驅鳥模塊通過電機揮動手臂驅趕鳥類，同時啟動語音模塊和閃爍光模塊進行驅鳥。語音驅鳥模塊，會不斷更新恐鳥語音，每天隨機播放，達到驅除多種鳥類的效果。LCD 用于顯示每天驅趕鳥兒的情況。使用脈沖信號記錄每天成功驅趕鳥兒的個數，反饋回主控模塊進行統計，然后改進，最后投入生產。

圖1 驅鳥機器人總體框架

按鍵功能：復位，機器人的啟停，探測模塊的啟停，驅鳥模塊的啟停、切換。

主控芯片：STC89C52 單片機模塊。

輸入端：供電模塊、紅外傳感器、燈光閃爍模塊、按鍵。

輸出端：電機驅動、驅鳥機器人本體、語音模塊、LCD顯示。

2.2 研究思路和研究方法

節能驅鳥機器人是由聲音驅鳥，機械擺動驅鳥于一體的多功能節能驅鳥器。該機器人頭部安裝有太陽能電池板，臉部裝有燈。腹部安裝有LED 顯示屏，可以顯示驅鳥數據，以便觀察驅鳥效果。內部含供電板塊、紅外傳感器、按鍵、大容量可充電鋰電池等多個板塊。背部裝有風力發電裝置，手臂為機械臂，可360 度無死角轉動。底部安裝有履帶，方便機器人移動。其表面設有三個開關，一個為電源開關，一個開關控制聲音，一個控制燈光亮度。節能驅鳥機器人整體分為三個系統，分別為探測系統、驅鳥系統和供電系統。該機器人圖如圖2 所示。

節能驅鳥機器人三視圖如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 正視圖

圖4 側視圖

圖5 俯視圖

2.3 探測系統

紅外檢測板塊，能夠遠距離檢測鳥類釋放的紅外線，為了提高靈敏度以增大探測距離，內部有放大電路，可將信號放大。當鳥類進入紅外傳感器的探測范圍，傳感器向單片機輸入一高電平，單片機進入工作模式，驅動驅鳥系統工作[5]。工作原理圖如圖6、圖7 所示。

2.4 供電系統

供電系統由單片機電路、電源電路、太陽能電池板電路、風力發電電路、鋰電池充電保護電路、升壓電路、穩壓電路、光敏電阻電路等設計而成。采用鋼化玻璃及絕緣防水樹脂、TPT 耐老化材質進行封裝的單晶硅太陽能電池兩塊，堅固耐用，使用壽命可達25年。太陽能電池通過吸收太陽光，將太陽輻射通過光電效應或者光化學反應直接或間接轉化為電能，再由太陽能電池板給鋰電池充電，鋰電池有充放電保護電路和穩壓電路，升壓電路將鋰電池的電壓升到5V 給單片機和附屬電路供電。兩塊太陽能電池板并聯，經穩壓后輸出電壓為5V，輸出電流為2400mA，晴天天氣時，對兩節3200mA 的鋰電池充電，充滿大約需要3.2小時。充分利用了太陽能普遍、巨大、無害、長久等優點。

圖6 探測系統工作原理圖

圖7 探測系統工作原理圖

風力發電是自然風吹轉葉輪，帶動輪子轉動將風能轉變為機械能，再通過增速機將旋轉的速度提升，然后通過傳動機構將機械能送至發電機轉子，帶動轉子旋轉發電，實現由機械能向電能轉換。依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。充分利用了風能的清潔、環境效益好、可在生、永不枯竭等優點。

2.5 驅鳥系統

對于大部分農田的主要害鳥麻雀和灰喜鵲，我們選取害鳥的天敵蒼鷹和各類害鳥求救、恐懼、哀鳴等負面情緒的聲音以及獵槍、爆炸聲等刺激性高保真聲音，將各種音效存于存儲芯片中。播放的聲音可以根據實際害鳥的種類進行換，以確保驅鳥效果達到最優。音頻文件的播放方式可設置為隨機播放，以防止害鳥對驅鳥聲音產生適應。將鋰電池的電能轉化為機械能，帶動發動機，從而實現機械臂的轉動。

3 節能驅鳥機器人程序流程圖

節能驅鳥機器人開始工作后，整個系統將會由子程序接受中斷服務進行控制。當沒有偵查到鳥類時，系統會先初始化各個板塊，還會進入休眠模式節約整個系統的能源。當有鳥類進去紅外探測模的探測范圍時，微控制器會被一個中斷信號喚醒，讓STC89C52 啟動并且開始驅鳥工作。進而白天驅動聲音驅鳥模塊及機械臂擺動驅鳥模塊工作，晚上驅動燈光驅鳥模塊。當驅鳥成功后，系統將繼續工作30 秒，夜晚關閉燈光模塊，白天關閉機械擺動模塊和聲音模塊，然后系統進入低功耗模式，若驅鳥不成功，系統將會持續工作，當鳥類被驅趕走才停止。這樣既能保證實現驅鳥效果，又能最大程度上節省能源消耗。驅鳥流程如圖8 所示。

圖8 驅鳥流程圖

4 總結

這款設計主要針對于對鳥類的驅趕，最大的特點就是不對鳥類造成任何傷害，只是通過機械手臂的搖晃來恐嚇鳥類使它遠離這一片區域。不會像用超聲波驅鳥會對鳥類造成傷害，利用鳥類天敵的聲音來驅趕鳥類。使用多功能供電系統就避免了供電條件單一的情況。太陽能和風能這種可再生資源，還體現了本次設計最大的特點——節能。本系設計的方案能夠為系統節約資源，設計出來的電路更趨于簡單化，后期也會較方便地進行各類地形的安裝與便捷使用，具有廣泛的應用前景。