基于紅外傳感器的智能大棚內(nèi)的田鼠捕獲裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李浩偉，吳立哲，吳修權(quán)*，金 航，高樹(shù)偉，張遠(yuǎn)軍

（1.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山東 淄博 255000；2.聊城大學(xué),山東 聊城 252000；3.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250000；4.臨沂大學(xué),山東 臨沂 276000）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)備整體設(shè)計(jì)思路框圖見(jiàn)圖1。

基于紅外傳感器的智能大棚內(nèi)的田鼠捕獲裝置主要是由觸發(fā)器功能電路,紅外傳感模塊,警示燈處理模塊,電源模塊等組成。電源模塊[1]由電池組進(jìn)行供電,成本低,效率高。紅外測(cè)距模塊通過(guò)檢測(cè)田鼠等生物的進(jìn)入并作出響應(yīng),通過(guò)繼電器模塊閉合閘門,完成捕獲田鼠的操作。通過(guò)零件之間相互配合,完成裝置的閘門開(kāi)合過(guò)程,觸發(fā)器信號(hào)電路接收來(lái)自紅外處理模塊所給予的信號(hào),通過(guò)雙J-K 觸發(fā)器負(fù)邊沿觸發(fā),通過(guò)邏輯電路控制閘門的開(kāi)合,最后完成捕獲鼠類的工作,警示燈提醒說(shuō)明操作完成。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 紅外線測(cè)距感應(yīng)裝置

AS312 型號(hào)智能紅外傳感器模塊能通過(guò)檢測(cè)生物的進(jìn)入,同時(shí)給予中央處理器信號(hào),通過(guò)信號(hào)的反饋,控制鐵籠的上升和下降,用來(lái)達(dá)到捕鼠的效果。原理是通過(guò)局部的信號(hào)作用,通過(guò)紅外線測(cè)距模塊發(fā)出測(cè)距信號(hào),使用3 mm 紅外線發(fā)射管,最大正向電流為30 mA,反向耐壓值為6 V,最大功耗可到達(dá)80 mW,最大工作溫度在-25 ℃到70℃,通過(guò)采用三極管放大電路以及運(yùn)算放大器的配合電路設(shè)計(jì),是該模塊的可檢測(cè)波長(zhǎng)在大大提高,通過(guò)配置電位器來(lái)時(shí)模塊具有數(shù)字和模擬輸出信號(hào)。

2.2 電池放電模塊

電池放電模塊[2]由單排電池組構(gòu)成,配有電池充電保護(hù)模塊,電池組放電迅速,便于回收。背部的電池保護(hù)模塊能夠防止電流過(guò)載,電池組充電完成自動(dòng)斷電,電壓穩(wěn)定在5 v 左右,性能穩(wěn)定,成本較低,對(duì)于機(jī)械設(shè)施控制系統(tǒng)的電壓容錯(cuò)率較高,能夠獨(dú)立完成機(jī)械結(jié)構(gòu)與觸發(fā)器的分別供電[3]。

2.3 特殊類型的機(jī)械結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用了舵機(jī)聯(lián)合伸縮桿進(jìn)行開(kāi)關(guān)閘門的機(jī)械結(jié)構(gòu),對(duì)于閘門的開(kāi)關(guān)閉合可以通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)以及觸發(fā)傳感器的方式進(jìn)行控制,當(dāng)觸發(fā)器發(fā)出高電平信號(hào)時(shí),舵機(jī)啟動(dòng)控制連軸底座旋轉(zhuǎn),進(jìn)而調(diào)整伸縮桿方向的變化,伸縮桿末端連有閘門頂端,通過(guò)不同方向的伸縮桿平移變化,帶動(dòng)閘門進(jìn)行上升和下降。舵機(jī)選型為180°旋轉(zhuǎn)45 kg 的同軸機(jī)型,對(duì)機(jī)體本身容錯(cuò)率較高,帶動(dòng)重物時(shí)震蕩率低,能夠穩(wěn)定的發(fā)揮其效能,帶動(dòng)閘門穩(wěn)定開(kāi)啟和關(guān)閉。

2.4 控制模塊

2.4.1 觸發(fā)器功能和特點(diǎn)[4]

觸發(fā)器是能夠記憶一位二進(jìn)制信號(hào)0 或1 的基本邏輯器件,把若干個(gè)觸發(fā)器組合在一起便可以記憶多位二進(jìn)制信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)這種記憶的功能,觸發(fā)器應(yīng)具有兩種能自保持的穩(wěn)定狀態(tài)來(lái)記憶0 或1 兩種邏輯狀態(tài)。如Q=0、Q=1 表示0 狀態(tài),記作Q=0、Q=1、Q=0 表示1 狀態(tài),記作Q=1。

所有觸發(fā)器都具備以下兩個(gè)工作特性：

（1） 具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)（1 態(tài)或0 態(tài)）,在一定的條件下,可保持在一個(gè)狀態(tài)下不變。

（2） 在一定的外加信號(hào)作用下,觸發(fā)器可從一種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)態(tài)。

根據(jù)功能不同,觸發(fā)器可分為：基本RS 觸發(fā)器；RS 觸發(fā)器；JK 觸發(fā)器；D 觸發(fā)器；T 觸發(fā)器；T 觸發(fā)器。根據(jù)觸發(fā)方式不同,觸發(fā)器可分為：電平觸發(fā)器；主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同,觸發(fā)器可分為：基本RS 觸發(fā)器；同步觸發(fā)器；主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。

2.4.2 觸發(fā)器功能選擇以及原理介紹

采用雙J-K 負(fù)邊沿觸發(fā)型芯片74LS112 功能芯片,在輸入信號(hào)為雙端的情況下,JK 觸發(fā)器是功能完善、使用靈活和通用性較強(qiáng)的一種觸發(fā)器。

（1） 當(dāng)J=0,K=0 時(shí),觸發(fā)器維持原狀態(tài),Qn+ 1=Dn。

（2） 當(dāng)J=0,K=1 時(shí),不管觸發(fā)器的原狀態(tài)如何,CP 作用（下降沿）后,觸發(fā)器總是處于“0”狀態(tài),Qn+1=0 。

（3） 當(dāng)J=1,K=0 時(shí),不管觸發(fā)器原狀態(tài)如何,CP作用后,觸發(fā)器總是處于“1”狀態(tài),Qn+1=1。

（4） 當(dāng)J=1,K=1 時(shí),不管觸發(fā)器原狀態(tài)如何,CP作用后,觸發(fā)器的狀態(tài)都要翻轉(zhuǎn),Qn+1=Qn。

本系統(tǒng)選用雙J-K 負(fù)邊沿觸發(fā)器74LS112 芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì),其邏輯符號(hào)見(jiàn)圖2,芯片功能原理圖見(jiàn)圖3。

圖2 74LS112 邏輯符號(hào)圖

圖3 74LS112 芯片功能原理圖

具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 效果展示圖1

圖5 效果展示圖2

當(dāng)田鼠[5]看到籠中的食物,會(huì)試探性地對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行危害性檢測(cè),田鼠在進(jìn)入籠中初,觸碰到紅外測(cè)距感應(yīng)開(kāi)關(guān),系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送給中央處理器,但并不執(zhí)行關(guān)籠操作,當(dāng)田鼠放松警惕,進(jìn)入籠中覓食時(shí),觸碰到靠近食物近端的紅外傳感器模塊,中央處理器會(huì)發(fā)出信號(hào),控制籠子關(guān)閉,從而束縛住田鼠,完成捕鼠操作。

如上圖所示在捕鼠器內(nèi)放置誘餌,P1、P2 為兩個(gè)紅外檢測(cè)傳感器,S 為閘門。當(dāng)老鼠進(jìn)入捕鼠器進(jìn)食時(shí)通過(guò)P1 閘門不動(dòng)作,當(dāng)?shù)竭_(dá)P2 位置時(shí)閘門S 關(guān)閉。當(dāng)紅外檢測(cè)到老鼠時(shí)P1、P2 輸出高電平,沒(méi)有老鼠時(shí)保持低電平。閘門開(kāi)關(guān)S 默認(rèn)輸出低電平,閘門不閉合。當(dāng)S 輸出高電平時(shí)閘門閉合。

即：

（1） 當(dāng)P1、P2 都為低電平時(shí),說(shuō)明沒(méi)有老鼠,輸出S 為低電平,閘門不關(guān)閉。

（2） 當(dāng)P1 為高電平,P2 為低電平時(shí),說(shuō)明老鼠進(jìn)入閘門,此時(shí)輸出S 為低電平,閘門不關(guān)閉。

（3） 當(dāng)P1 為低電平、P2 為高電平時(shí),說(shuō)明老鼠已經(jīng)進(jìn)入正在覓食,此時(shí)輸出S 為高電平,閘門關(guān)閉。

（4） 當(dāng)P1、P2 都為高電平時(shí),說(shuō)明有多只老鼠同時(shí)進(jìn)入,此時(shí)輸出S 為高電平,閘門關(guān)閉。

其程序流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 程序流程

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以得到大棚多點(diǎn)溫度采集溫控系統(tǒng)的真值表（見(jiàn)表1）、卡諾圖表（見(jiàn)表2）。

表1 系統(tǒng)真值表

表2 系統(tǒng)卡諾圖表

如圖7 所示,將電路中的SD 與RD 接口置1,同時(shí)CP 為下降沿有效,設(shè)A 為第一個(gè)紅外傳感器的傳輸信號(hào)（默認(rèn)狀態(tài)為低電平）,B 為第二個(gè)傳感器的傳輸信號(hào)（默認(rèn)狀態(tài)低電平）,將A、B 分別接入到K、J 觸發(fā)器上,當(dāng)老鼠觸碰到第一個(gè)傳感器時(shí)轉(zhuǎn)換為高電平,如果不再繼續(xù)前行則保持閘門開(kāi)啟,如果觸碰到第二個(gè)傳感器則B 信號(hào)為高電平,閘門關(guān)閉,完成捕捉動(dòng)作。

圖7 邏輯電路圖

根據(jù)圖8 的波形實(shí)現(xiàn)圖所示,在SLK/CP 時(shí)鐘的映射下,觸發(fā)器下降沿有效,在J 觸發(fā)/K 觸發(fā)關(guān)閉的情況下置一,在單獨(dú)K 觸發(fā)的情況下輸出并不發(fā)生變化,而雙觸發(fā)器同時(shí)工作的情況下輸出會(huì)在原來(lái)的狀態(tài)下進(jìn)入反轉(zhuǎn),改變?cè)瓉?lái)的輸出狀態(tài),本產(chǎn)品利用雙JK 觸發(fā)器的原理進(jìn)行捕鼠操作,在與或門的配合下完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合,從而實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)距的實(shí)現(xiàn)和籠門關(guān)閉。

圖8 電路波形實(shí)現(xiàn)圖

3 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)對(duì)比

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研,我們從市場(chǎng)上了解到了幾種現(xiàn)有的智能捕鼠設(shè)施,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)捕鼠設(shè)施多采用單片機(jī)控制,將其與我們的產(chǎn)品進(jìn)行了性能與產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)上的對(duì)比,見(jiàn)表3。

如表3 所示,各類捕鼠設(shè)施在產(chǎn)品特性方面大相庭徑,但在基礎(chǔ)功能的實(shí)施上并不存在過(guò)多的差異,較單片機(jī)型捕鼠器,雙JK 觸發(fā)器型捕鼠設(shè)施在靈活性和適用度方面較為親民,能夠大面積普遍推廣,經(jīng)濟(jì)適用度較高,能夠在糧食生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

表3 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)對(duì)比

在未來(lái)設(shè)想上,我們計(jì)劃用JK 觸發(fā)器以及D 觸發(fā)器聯(lián)合使用,同時(shí)使用三個(gè)紅外傳感器,相互配合完成捕捉多只老鼠的工作。其概念圖見(jiàn)圖10。

圖10 概念圖

4 產(chǎn)品概念模型

該系統(tǒng)采用反饋控制的基本控制方式,類似于龍門刨床速度檢測(cè)的自動(dòng)控制過(guò)程（系統(tǒng)控制方塊圖如圖9 所示）,在基本組成上分為測(cè)量元件、給定元件、比較元件以及放大元件。

圖9 龍門刨床系統(tǒng)控制圖

在系統(tǒng)控制圖的前向通路部分,由觸發(fā)電路、放大器、觸發(fā)器等控制元件對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行對(duì)被測(cè)量的變化負(fù)責(zé),而主反饋通路用于測(cè)量被控量的“偏差”作用,對(duì)偏移量直接測(cè)量并返回給比較電路,由被測(cè)量初始值和偏差值進(jìn)行對(duì)比,返回偏移量作用于被控對(duì)象上,進(jìn)行實(shí)時(shí)更新被控量。

當(dāng)然,我們應(yīng)該指出,本系統(tǒng)和龍門刨床系統(tǒng)在原理上也類似,都屬于有靜差系統(tǒng),在系統(tǒng)正常運(yùn)作的前提下,允許紅外檢測(cè)裝置的速度反饋存在穩(wěn)態(tài)誤差。

按反饋控制方式進(jìn)行的組成的反饋控制系統(tǒng),能夠抑制內(nèi)外擾動(dòng)對(duì)被控量影響的能力,有較高的控制精度。但是此類系統(tǒng)采用的元件多,控制復(fù)雜,特別是系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也較為麻煩。

5 實(shí)際產(chǎn)品模型

由于龍門刨床系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)采用單次反饋,并不能很好的實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的功能。所以在實(shí)際的大棚捕鼠系統(tǒng)采用了內(nèi)回路和主反饋通路并行的結(jié)構(gòu),在測(cè)量元件（紅外傳感裝置）檢測(cè)到有老鼠通過(guò)時(shí),會(huì)傳輸單次偏移量給予與門存儲(chǔ),當(dāng)接近食物或者多只老鼠進(jìn)入籠中時(shí),第二觸發(fā)器發(fā)揮作用,閘門關(guān)閉,完成捕捉。龍門創(chuàng)床與大棚捕鼠裝置適用性對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 龍門創(chuàng)床與大棚捕鼠裝置適用性對(duì)比

圖10 中的A、B、C 分別對(duì)應(yīng)著紅外傳感器的位置關(guān)系（由外向內(nèi)）,當(dāng)有多只老鼠進(jìn)入時(shí),機(jī)器閘門并不會(huì)關(guān)閉,當(dāng)老鼠吃完奶酪進(jìn)行回程時(shí),閘門關(guān)閉,封鎖住了老鼠的路線,最終捕捉到多只老鼠。

6 產(chǎn)品未來(lái)展望

6.1 控制方式精準(zhǔn)化

在閉環(huán)反饋控制方式的基礎(chǔ)上,加上基于電流擾動(dòng)測(cè)量的開(kāi)環(huán)測(cè)量,且保證電路有且僅有單個(gè)擾動(dòng)因素作為補(bǔ)償,對(duì)其他擾動(dòng)均不起補(bǔ)償作用,在此情況下,系統(tǒng)中的主要擾動(dòng)已被補(bǔ)償,其余的反饋控制部分也比較容易設(shè)計(jì)；復(fù)合控制方式的精度高且穩(wěn)態(tài)誤差小,適合用于高精度檢測(cè)儀器中的反饋。

6.2 控制智能化

在現(xiàn)有電路的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)以STM32F4XX 為內(nèi)核的單片機(jī)控制系統(tǒng),采用TCR 系列紅外對(duì)管檢測(cè)模塊,遵循IIC 協(xié)議,可以主動(dòng)發(fā)射紅外線探測(cè),因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測(cè)距離的關(guān)鍵。其中黑色探測(cè)距離最小,白色最大;小面積物體距離小,大面積距離大。(反射面平整、顏色淺的物體反射距離遠(yuǎn),感應(yīng)的靈敏度也高;反射面凹凸不平,顏色越深的物體反射感應(yīng)距離和靈敏度會(huì)下降)；同時(shí)設(shè)置看門狗和低功耗,使設(shè)備在沒(méi)有外部中斷的作用時(shí)處于睡眠狀態(tài),看門狗用于防止設(shè)備在中斷內(nèi)部運(yùn)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤,迅速重啟設(shè)備不影響消費(fèi)者使用。

6.3 后備電力能源供應(yīng)

光伏發(fā)電板效率低下,成本高且穩(wěn)定性差,受天氣影響較大。在光伏電池板電力即將耗盡時(shí),迅速切換到帶有電池保護(hù)功能的蓄電池組,代替光伏供電版進(jìn)行供電。蓄電池組容量?jī)?chǔ)備較大,能幫助設(shè)備更好的匹配環(huán)境。