一種自動捕捉器設計研究

倪笑宇　王雪凡　曹帥　解衛杰

摘? ?要：為了減少有害生物對農產品和工業設施產生的破壞，文章設計了一種應用于社會生活的自動捕捉器，首先介紹了其結構組成，部分電路設計和軟件設計具有測重、自動感應和自動捕捉等功能;其次，對原理樣機進行了測試。測試結果表明，樣機系統穩定，性能可靠，工作效果良好，具有輕便、快捷、高效的特點，可減少有害生物的破壞。

關鍵詞：自動捕捉;聲波探測;測重;便攜式

1? ? 自動捕捉器研發背景

據調查，在廣大農村地區害蟲種類和數量較多，家鼠身上攜帶多種病菌，嚴重影響人類的身體健康。另外，家鼠是住宅區害鼠優勢種，繁殖能力強，占總鼠數的44.63%，然而捕獲率僅為5.21%。現在常用防治家鼠的方法有：常規器械滅鼠和毒餌殺滅，常規器械滅鼠完全采用機械結構，不具備自動化功效，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現。本文設計了一種自動捕捉器，在功能上可以實現多樣化、自動化，當遇到有害生物時可以用其捕獲，還可以驅趕鳥類，科研需要時還可以完成對某些生物的探索、捕捉和追蹤等任務，以收集相關科學數據，對我國生物科學領域的研究有一定的幫助作用。

2? ? 功能結構組成

自動捕捉器由電源、監測裝置、測重裝置、聲波裝置、紅外線探測裝置、磁鐵及簡單的機械零件等組成[1]，如圖1所示。電源部分由兩節18650電池串聯提供能量;控制部分由一塊STM32的32位單片機芯片來提供控制;信號采集部分包括光照傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器，當任何一感應部分感知到信號時磁鐵就會斷電自由下落使箱體閉合。整個過程大體為“通電準備—信號感應—斷電捕捉”，其中包括電磁控制系統、通信系統、數據收集系統、遠程控制系統、報警系統;數據收集系統可以和手機相連將數據傳輸到手機，遠程控制系統則可以實現對系統的遠程控制與監控。

3? ? 電路設計

3.1? 電磁鐵控制電路

通過一個穩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。

3.2? 聲波傳感器電路

超聲波傳感器由發送傳感器（或稱波發送器）、接收傳感器（或稱波接收器）、控制部分與電源部分組成[2]。發送器傳感器由發送器與使用直徑為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能量轉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，換能器接收波產生機械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出對發送進行檢測。實際使用中，用作發送傳感器的陶瓷振子也可以用于接收，控制部分主要對發送器發出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進行控制[3]。

3.3? 主控電路設計

本設計選用STC公司生產的STC89C52RC單片機，適用范圍廣泛、工作電壓穩定，為自動捕捉器的工作提供了有效的保障。該控制元件在工作過程中產生固定時序信號并形成該時刻所需的控制信號，從而控制電磁鐵、聲波傳感器、紅外線傳感器、測重模塊以及顯示器正常工作。

4? ? 軟件設計

軟件設計部分主要由下位機程序構成，主控制器采用STM32F103單片機作為控制芯片，通過Keil Vision5平臺進行程序開發，并利用C語言編寫各功能模塊子函數，整個設計由主控程序將各子程序融合，實現了對電磁鐵的吸合控制、液晶顯示、數據分析及處理。利用C語言程序來驅動單片機內部的中斷、定時器和多路PWM波輸出，程序主要由電磁鐵通斷部分、液晶屏顯示部分、超聲波智能探測部分、紅外監測及報警等部分構成，程序流程如圖2所示。

5? ? 自動捕捉器測試

通過測量與結合實際使用情況，做出了最初的樣機模型，包括基本功能和報警系統，裝置樣本如圖3所示。

第一次測試：首先，進行了側重模塊的反應測試，將程序輸入到單片機中;其次，將電磁鐵和測重模塊相連，用手輕輕按壓，當數值到設定的值后磁鐵斷電，圓柱殼體進行自由落體運動，測試的反應時間約為0.5 s，在允許的時間范圍內。

第二次測試：對報警裝置進行了檢測，重復測試一的動作，將報警程序以及硬件連接進去，當殼體落下5 s會發出報警聲，持續時間為5 min。

第三次測試：同樣是在此前的基礎上增加了紅外線與液晶顯示裝置，當物體接觸到紅外線時電磁鐵立刻斷電，此時紅外線系統關閉，液晶顯示系統顯示出此時的時間、溫度以及物體重量。

經過重復試驗得出該裝置的硬件和軟件系統一切正常，并對一些對實驗有影響的不利因素進行了排除和改進。

6? ? 結語

自動捕捉器是一種用來捕獲反應靈敏、難以捕獲、體積較小的、給人們生活帶來不便的生物，或是捕捉野生動物用以科學研究的多功能簡易捕捉器。本文主要對自動捕捉器及其相關系統進行分析、研究，實地測試后的結果達到了預期的效果，后期將對各個方面的裝置進行優化設計，從而滿足本產品的實際需求。

[參考文獻]

[1]徐愛鈞.KeilC51單片機高級語言應用編程技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]芮延年.機電一體化系統設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]王士寶.昆蟲自動捕捉器[J].電工技術，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