楊可林，馬佰超，陳聰

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤，274000）

1 總體方案設(shè)計

本設(shè)計分為機械部分、硬件部分、軟件部分，其中機械部分包括動力輸入部分、動力輸出部分，硬件部分包括有線外設(shè)部分、無線外設(shè)部分。

（1）有線外設(shè)部分包括太陽能電池板輸入、電源轉(zhuǎn)化模塊、光電開關(guān)輸入、電磁離合器的控制、藍光輸出、蜂鳴器輸出。無線外設(shè)部分采用4G模塊上傳至服務(wù)器，實時監(jiān)測鳥類聚集的情況，方便后期工作人員的調(diào)查和維護。

（2）動力輸入部分將風(fēng)能通過齒輪傳動、帶傳動、電磁離合器、棘輪機構(gòu)將能量存儲到發(fā)條中，動力輸出部分將發(fā)條的能量輸出到驅(qū)輸出軸上，因此該工作環(huán)境決定了工作載荷較小，精度要求較低。由此提出可選方案，如表1所示。

表1 動力輸入可選方案

（3）儲能裝置方案中，發(fā)條儲能是指將發(fā)條壓縮在一定空間內(nèi)之后后就可以利用其彈力逐漸松開時產(chǎn)生動力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是大小比齒輪和鋼片組成的個機械室。這種方式占用空間小，不會產(chǎn)生噪聲；而飛輪儲能系統(tǒng)則是一種機電能量轉(zhuǎn)換的儲能裝置，突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。在儲能時，電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪加速轉(zhuǎn)動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中；之后，電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出過程。雖然存儲能量強，但是占用空間大，且需要電機驅(qū)動，對于本設(shè)計來說，儲能機構(gòu)并不需要連續(xù)的儲存能量，且傳動機構(gòu)占地空間較小，故本設(shè)計選用發(fā)條儲能。

（4）傳動裝置方案中，平帶屬于摩擦型帶傳動，因此承載能力相對較低，容易引起打滑現(xiàn)象，傳動效率低于同步帶，傳動精度相對較低，故傳動比不精確；同步帶屬于嚙合型帶傳動，傳動比穩(wěn)定，承載能力較高，在垂直和傾斜的傳動中也能較好工作?？紤]到本設(shè)計的工作載荷較小的工作環(huán)境，需要垂直傳遞能量，且需要準(zhǔn)確的傳動比，因此選擇同步帶作為輸送帶型。

（5）能量來源方案中，電機需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)，且自身的重量與體積較大；另一方面，自然能源源于大自然，合理利用可以減少環(huán)境的污染，并且采集所需的裝置占用空間小，結(jié)構(gòu)眾多，可以選擇合適自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因為本產(chǎn)品需要架設(shè)在高空中，對于風(fēng)能和太陽能的利用率相對較多，所以可以采用采集風(fēng)能和太陽能的方式做能量來源。

2 機械部分

2.1 動力裝置的設(shè)計

動力裝置主要由齒輪傳動部分，同步帶傳動部分，棘輪裝置，發(fā)條蓄能部分，風(fēng)車驅(qū)鳥器分五個部分組成。

通過風(fēng)驅(qū)使著風(fēng)車驅(qū)鳥器的轉(zhuǎn)動，使得風(fēng)能經(jīng)過風(fēng)車驅(qū)鳥器的轉(zhuǎn)換變成能量通過其連接著的軸傳入齒輪系內(nèi)，并且經(jīng)過齒輪傳動以及同步帶傳動，傳入發(fā)條裝置中，經(jīng)過不斷的蓄能使得發(fā)條超過了限定的力矩時，電磁離合器此時斷開，棘輪裝置卡住，此時發(fā)條結(jié)束蓄能。此時風(fēng)車驅(qū)鳥器的能量輸入軸由于聯(lián)軸器斷開使得風(fēng)車驅(qū)鳥器可以繼續(xù)自由轉(zhuǎn)動，驅(qū)趕鳥類，等到有鳥類降落時，電磁離合器吸合，發(fā)條輸出能量帶動轉(zhuǎn)動架轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)對鳥類的驅(qū)趕。

動力裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 動力裝置整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 旋轉(zhuǎn)架的設(shè)計

轉(zhuǎn)動架的一端連接在動力裝置的輸出軸上，另一端通過軸承固定在右側(cè)機架。旋轉(zhuǎn)架上通過軸承固定有三個可旋轉(zhuǎn)的軸，當(dāng)有鳥類站上去的時候，中間的主軸會因為重力而旋轉(zhuǎn)。此時，電磁離合器吸合，發(fā)條逐漸釋放動能，使得主軸進行旋轉(zhuǎn)，從而達到驅(qū)趕鳥類的效果。

2.3 風(fēng)車驅(qū)鳥器的設(shè)計

風(fēng)車驅(qū)鳥器是由三個帶有勺狀捕風(fēng)碗的機構(gòu)組成，勺子的內(nèi)部涂有反光材料，可以通過反射太陽光來達到驅(qū)鳥目的。并且風(fēng)車驅(qū)鳥器下方通過聯(lián)軸器鏈接下面的動力輸入機構(gòu)，風(fēng)車驅(qū)鳥器可以利用風(fēng)能給發(fā)條提供能量。

圖2 風(fēng)車驅(qū)鳥器

2.4 機械結(jié)構(gòu)的裝配

將上述裝置以及裝料箱進行裝配，畫出驅(qū)鳥裝置三維圖，如圖 3所示。

圖3 驅(qū)鳥裝置軸側(cè)圖

2.5 工作原理

自然風(fēng)推動風(fēng)力采集桿1做單向轉(zhuǎn)動，進而帶動第一傳動軸2與第二傳動軸4實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動，進而帶動第一錐齒輪6實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動，從而使得第二錐齒7輪實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動，進而使得第一齒輪8實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動，進而帶動第二齒輪實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動，同時帶動第四傳動軸上的棘輪做回轉(zhuǎn)運動，同時棘爪與棘輪配合，從而保證運動的單向性。第四傳動軸的左側(cè)固定連接第一電磁離合器的右孔，第一電磁離合器的左孔與第五傳動軸15進行固定連接，當(dāng)?shù)谝浑姶烹x合器14處于閉合狀態(tài)時，使得兩個軸處于連軸狀態(tài)，會將第四傳動軸11的動力傳輸?shù)降谖鍌鲃虞S15，當(dāng)?shù)谝浑姶烹x合14器處于斷開狀態(tài)時，兩軸的回轉(zhuǎn)運動相互不會影響，若第五傳動軸15做單向轉(zhuǎn)動，則會帶動第一同步帶輪16做單向轉(zhuǎn)動，進而通過同步帶將動力輸送給第二同步帶輪18，進而帶動第六傳動軸17做單向轉(zhuǎn)動，同時使得發(fā)條19實現(xiàn)卷曲運動，從而達到儲能的目的，第六傳動軸17的右側(cè)與第二電磁離合器20的左孔進行固定連接，同時第二電磁離合器20的右孔與第七傳動軸進行固定連接，當(dāng)?shù)诙姶烹x合器20處于閉合狀態(tài)時，使得兩個軸處于連軸狀態(tài)，會將第六傳動軸的動力傳輸?shù)降谄邆鲃虞S，當(dāng)?shù)诙姶烹x合器處于斷開狀態(tài)時，兩軸的回轉(zhuǎn)運動相互不會影響，若第七傳動軸做單向轉(zhuǎn)動，則會帶動第四同步帶輪進行單向轉(zhuǎn)動，從而帶動第三錐齒輪25實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動，進而與第四錐齒輪26實現(xiàn)嚙合傳動，進而帶動第五同步帶輪27實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動，從而通過同步帶將動力傳輸?shù)降谑畟鲃虞S30。從而帶動支撐板31、光軸32做單向轉(zhuǎn)動。

圖4 整體示意圖

使用時，若沒有飛鳥落到光軸32上方，則光電開關(guān)36處于等待狀態(tài)，此時使得第一電磁離合器14閉合，實現(xiàn)將風(fēng)能存儲到發(fā)條19中，同時使得第二電磁離合器20處于斷開狀態(tài)，且藍光發(fā)射孔37處的藍光處于熄滅狀態(tài)。

圖5 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及A的局部放大圖

若有飛鳥落到光軸32上方，則光電開關(guān)36處于觸發(fā)狀態(tài)，此時先后控制第二電磁離合器20閉合、第一電磁離合器14斷開，實現(xiàn)將發(fā)條19內(nèi)部的能量間接傳輸給第十傳動軸33，同時藍光發(fā)射孔37處的藍光處

圖6 夾緊裝置及運動輸出裝置示意圖

3 硬件部分

3.1 鳥類檢測功能

在機架一側(cè)安裝光電傳感器，當(dāng)機器在運行過程中，光電檢測到有物體經(jīng)過時，此時蜂鳴器發(fā)聲，以做出提示，并且電磁離合器吸合，發(fā)條通過機械機構(gòu)釋放能量使得轉(zhuǎn)動架轉(zhuǎn)動。并且通過機載4G模塊傳輸?shù)椒?wù)器中，方便工作人員對數(shù)據(jù)進行分析，制定合適方案。

光電傳感器型號選擇 E3Z-D61，其額定電壓為12V，圖7為光電傳感器產(chǎn)品實物圖。

圖7 光電傳感器

3.2 太陽能發(fā)電板選型

根據(jù)實際電量需求以及蓄電池充電時的電量損耗，故選擇揚州東宇太陽能科技有限公司的12V光伏發(fā)電板。具體參數(shù)如表2所示。

表2 太陽能板參數(shù)

3.3 電池選型

考慮到戶外環(huán)境對太陽能的影響，以及在連續(xù)雷雨天氣下可能會出現(xiàn)太陽能板供電不足對系統(tǒng)正常運行的影響，故選擇VOLTA蓄電池，型號為VT1204，其浮充使用電壓為13.6V—13.8V；循環(huán)使用電壓為14.7—15.0V。初始電流1.2A。

3.4 無線傳輸模塊的選型

考慮到縮短開發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)成本，方便評估測試，采用了E200S4G通信模塊，引出通信引腳，可直接與MCU通信，方便開發(fā)。

該模塊QUECTEL 4G通信模組，其抗干擾性強，穩(wěn)定性強，符合實際使用需求。其電路圖如圖8所示。

圖8 EC20模塊

3.5 主控芯片選型

本文采用的STM32F103C8T6作為主控,工作電壓范圍2V-3.6V,64KbEEPRO存儲空間，三路串口，可掉電喚醒，集成高精度R/C時鐘，基于ARM Cortex-M內(nèi)核，工作溫度范圍廣，使用功耗低。滿足實際使用需求。其IO口分配如圖9所示。

圖9 IO口分配

3.6 整體電路及注意事項

（1）電源部分

4G模組為5v供電，且使用功率較大，采用MP2315芯片對12V鉛酸蓄電池進行降壓來滿足使用要求。其效率高，功率大，輸出波紋小，符合使用要求，使用LDO來滿足MCU的供電要求，電路如圖10所示。

圖10 電源設(shè)計

（2）傳感器輸入

由于光電傳感器的供電電壓較高，導(dǎo)致信號線和主控芯片電平不匹配，故通過電阻分壓輸入單片機。電路如圖11所示。

圖11 信號處理

（3）電磁離合器控制

電磁離合器為12V感性負載，主控芯片無法直接驅(qū)動，采用三極管或電機驅(qū)動芯片進行驅(qū)動，這里采用雙H橋電機驅(qū)動芯片TB6612對電磁閥進行驅(qū)動，如圖12所示。

圖12 TB6612電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電磁離合器

圖13 LED燈電路

圖14 蜂鳴器驅(qū)動電路

（4）LED及蜂鳴器控制

通過查理復(fù)用的方式來驅(qū)動LED，以節(jié)約微控制器的IO口資源，原理如圖15所示。

圖15 印制電路板

MCU同樣無法直接驅(qū)動蜂鳴器這樣的感性負載，這里采用三極管來驅(qū)動蜂鳴器。原理圖如圖16所示。

圖16 軟件流程圖

（5）EDA工具繪制印制電路板

使用Altium Designer等EDA工具繪制印制電路板。

4 軟件部分

4.1 軟件開發(fā)平臺

開發(fā)平臺選用Keil 5，是美國Keil Software公司出品的STM系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng),提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案,通過一個集成開發(fā)環(huán)境(μVision)將這些部分組合在一起，功能強大。

4.2 軟件流程圖

軟件流程圖如圖16所示。