太阳能农田虫害自动监控及诱蛾灭虫系统设计

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计太阳能农田虫害自动监控及诱蛾灭虫系统AUTOMATIC MONITORING OF THE SOLAR FARMLAND PEST MOTH PEST CONTROL SYSTEM学生姓名：周 卫 民学 号：200841930203年级专业及班级：2008级汽车服务（2）班指导老师及职称：康江 副教授学 部：理工学部湖南长沙提交日期：2012年月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录摘要1关键词11 前言12 系统设计与关键2 2.1 国内外灭虫技术现状2 2.1.1 灭虫灯2 2.1.2 传统杀虫剂32.2 太阳能供电系统32.3 免维护蓄电池42.4 逆变器工作原理43 电机选择53.1 交流电机53.2 步进电机53.3 有刷直流电机63.4 无刷直流电机64 系统硬件电路设计84.1 太阳能电池板充电电路84.2 电机驱动电路94.3 逆变器电路10 4.3.1 SG3525简介124.4 蓄电池给单片机供电电路134.5 脉冲次数采样电路设计144.6 无线通信模块电路设计145 处理器AVR单片机简介15 5.1 单片机AVR优势特征15 5.2 AVR单片机内核结构示意图17 5.3 AVR单片机引脚功能18 5.4 Atmege16封装186 系统软件设计196.1 无线模块串口通讯程序设计196.2 定时器程序设计216.3 模拟比较器程序设计236.4 步进电机控制程序设计257 单片机在线仿真278 结论27参考文献28致谢29附录30太阳能农田虫害自动监控及诱蛾灭虫系统 学 生：周卫民 指导老师：康 江 （湖南农业大学东方科技学院，长沙 410628）摘 要：本系统是基于湖南农业大学工学院康江副教授太阳能农业应用课题研究设计的系统。该系统采用太阳能为主要能源，具有自动诱蛾灭虫及对虫害自动监控双重功能。系统采用AVR单片机作为系统主机，并使用变频技术将太阳电池中的直流升压至1000伏后，将高压电输送至外围电网进行杀虫。系统配置有自动清扫结构，能够有效地清扫电网上害虫遗体。系统通过对电网中电流脉冲的变化进行统计，从而能够初略估计出虫害的严重程度。系统具有无线电远程通讯手段，能够向1000米外的中心控制室汇报工作情况及虫害情况。关键词：太阳能; 自动监控; 诱蛾灭虫Automatic monitoring of the solar farmland pest moth pest control systemAuthor：zhou wei-mingTutor: kang-jiang(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: The system is based on the Hunan Agricultural University Institute associate professor Kangjiang solar agricultural application research design system. It uses solar energy as the main energy, with automatic moth luring pest and the pest automatic monitoring function. The system adopts AVR chip as the system host, and the use of frequency conversion technology in the solar battery DC boost to 1000 volts, to high voltage electric delivery to peripheral grid insecticidal.System configuration having automatic cleaning structure, can effectively clean the grid of pest on body. System based on grid current pulse change statistics, which can estimate the insect pest of severity. System with radio remote communication means, to1000 meters outside the central control room and pest situation report.Key words: Solar； Automatic monitoring ；Moth pest1 前言 太阳能农田虫害自动监控及诱蛾灭虫系统是在太阳能农田灭虫灯的基础上研发的系统，但是由于太阳能农田灭虫灯的功效紧紧局限于杀虫，综合性价比不是很高。所以基于我校机器人小组的太阳能和逆变技术的研究相对成熟，所以采用逆变技术是本系统的亮点。将直流电池提高的低电压转变为高电压当诱蛾碰到网丝后即产生瞬时短路引起电路电压变化，将模拟电压装化为数字脉冲数，通过单片机计时器计数从而大致估计出害虫数量。系统的创新点在于可以对害虫数进行实时的统计从而可以为农户及农业科研提供实时快捷的数据。系统的网栏可以进行自动遗体清扫保证了系统的长期使用。农田地平开阔有充足的太阳能，且系统便与安装没有地形限制便于系统的广泛推广使用，本系统利用无线电通信进行数据的传输，有利于实现系统的远程操作，从而使农户可以足不出户边对农田的虫害情况了如指掌以便于把握好最佳的治虫时期提高作物的产量。总合本系统的所有功能模块，从供电系统、控制系统、显示系统、灭虫方式等环保、可循环利用优势都符合了我国可持续发展的发展战略。2 系统设计与创意2.1 国内外灭虫技术现状2.1.1 灭虫灯图1 太阳能灭虫灯Fig. 1 Solar pest control lights产品原理：首先它利用太阳能电池板将太阳光直接转换成电能， 提供能源给设备的日常使用， 然后利用 昆虫天生具有的趋光性、趋波性、趋色性的生理构造，辅以特定的光源和 36550nm 波长 而研制。 利用光谱变频技术突破了传统杀虫灯使用单一光波段的局限性， 使有效光波范围更 广，诱杀害虫种类及数量更多。夜晚害虫们被杀虫灯的特制灯光及波长所吸引，便会奋不顾 身的扑过来， 而在光源的外围 有一层高达三千五千伏的高压电网， 害虫们便会在飞往灯光 的过程中触电身亡，从而达到良好的杀虫效果。12.1.2 传统杀虫剂 杀虫剂：英文：Pesticide. Insecticide ，主要用于防治农业害虫和城市卫生害虫的药品使用历史长远、用量大、品种多。在二十世纪，农业的迅速发展，杀虫剂令农业产量大升。但是，几乎所有杀虫剂都会严重地改变生态系统，大部分对人体有害，其它的会被集中在食物链中。我们必须在农业发展与环境及健康中取得平衡。图2 常见杀虫用药Fig.2 Common insecticide medication2.2 太阳能供电系统太阳能电池是一种具有光伏效应的半导体器件。1839 年， 法国物理学家意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打 电池，受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现 象称为光生伏打效应。1883 年，有人在半导体硒和金属接触处发现 了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏打效应的器件称 为光伏器件。由于半导体PN 结器件在阳光下的光电转换效 率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光 电池或太阳电池。 半导体中的电子的运动状态，按能量可分为导带和价带，二 者之间的能量间隙称为禁带。处在导带中的电子，可在整块 半导体中自由运动，传导电流。处在价带中的电子，只能绕 原子核运动，不能传导电流。3半导体受到光能、热能或其他外来能量激发时，价带中的电 子会跃迁入导带，在价带中留下一个空穴。空穴带正电，也 可在整块半导体中自由运动，传导电流。能够传导电流的电 子和空穴称为载流子。电子和空穴都是成对出现、成对存在 的。受光激发产生电子、空穴对的过程，称为光激发。典型的太阳能电池结构是一片厚为 0.2-0.3 毫米、面积为5 厘米5 厘米或10厘米10 厘米的硅薄片，上部是掺有5 价元素磷、并依靠大量电子导电的N 型硅。 下部是掺有三价元素硼、并依靠空穴导电的P 型硅。 界面处即为刚结。N 型硅表面布有很细的金属栅线，另一面紧贴P 型硅。为了 减少反射，整个电池表面覆盖着一层透明的减反射膜。2图3 太阳能电池板结构示意Fig.3 Solar panel structure to indicate2.3 免维护蓄电池在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成内部动态平衡的化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，又叫做二次电池。 铅酸蓄电池反应化学方程式如下： 放电 PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4 （1）充电免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护(添加补充液)；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。22.4 逆变器工作原理逆变器是一种 DC to AC 的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。 转换器是将市电电网的交流电压转变为稳定的 12V 直流输出，而逆变器是将 Adapter 输出 的 12V 直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了目前用得比较多的脉宽 调制（PWM）技术。其核心部分都是一个 PWM 集成控制器，Adapter 用的是 UC3842， 逆变器则采用 TL5001 芯片。 TL5001 的工作电压范围 3.640V， 其内部设有一个误差放大 器，一个调节器、振荡器、有死区控制的 PWM 发生器、低压保护回路及短路保护回路等。 以下将对逆变器的工作原理进行简要介绍：输入部分有 3 个信号， 12V 直流输入 VIN、 工作使能电压 ENB 及 Panel 输入接口部分： 电流控制信号 DIM。VIN 由 Adapter 提供，ENB 电压由主板上的 MCU 提供，其值为 0 或 3V，当 ENB=0 时，逆变器不工作，而 ENB=3V 时，逆变器处于正常工作状态；而 DIM 电 压由主板提供，其变化范围在 05V 之间，将不同的 DIM 值反馈给 PWM 控制器反馈端， 逆变器向负载提供的电流也将不同，DIM 值越小，逆变器输出的电流就越大。 电压启动回路：ENB 为高电平时，输出高压去点亮 Panel 的背光灯灯管。 PWM 控制器：有以下几个功能组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和 PWM、 过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。 直流变换：由 MOS 开关管和储能电感组成电压变换电路，输入的脉冲经过推挽放大器 放大后驱动 MOS 管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能 得到交流电压。 LC 振荡及输出回路：保证灯管启动需要的 1600V 电压，并在灯管启动以后将电压降至 800V。22输出电压反馈：当负载工作时，反馈采样电压，起到稳定 I 逆变器电压输出的作用。63 电机选择电机的分类很多种，简单的分类有交流电机、步进电机、有刷直流、无刷电机等。3.1 交流电机交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等。3.2 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。3.3 有刷直流电机直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，是电机旋转。改变电机两端电压方向就改变电机的旋转方向。优点：直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。缺点：直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机有碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。3.4 无刷直流电机无刷直流电动机的学名叫“无换向器电机”或“无整流子电机”,是一种新型的无级变速电机,它由一台同步电机和一组逆变桥所组成。它具有直流电机那样良好的调速特性,但是没有换向器,因而可做成无接触式,具有结构简单,制造方便,不需要经常性维护等优点,是一种现想的变速电机。无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机，无刷直流电动机在先进国家已大量应用于军事、信息业(IT)、办公设备(OA)、家电业(HA)、DIY手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等;经过本公司十多年的研究开发,目前生产容量已经达75kW,设计容量可达315kW,可以满足产业自动化及流体机械、空调机械的节电驱动应用，无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。图4 电机效率的比较Fig .4 Compare of motor efficiency美国能源部对各种驱动电机效率的比较，无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流:Tm=KtIav(Nm (1)电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度:ELL=Ke(V) (2)所以电动机绕组中的平均电流为:Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A) (3)其中，Vm=VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩:Tm=（VDC、Kt/2Ra）Kt(Kew/2Ra) (4)Kt、Ke是电动机的结构常数，为电动机的角速度(rad/s)，所以，在一定的时，改变占空比，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速:Vc(max)nmax，那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止;反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流;由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针(cos)比同容量三相异步电动机高12%-20%。综合以上电机的各功能，本系统采用的是步进电机作为自动清扫装置的驱动装置，在电网的两端采用触电开关保证电机的自动来回走动。184 系统硬件电路设计4.1 太阳能电池板对免维护蓄电池充电电路由于电网是需要的负载较高，所以在设计系统电源电路时采用浮充的方式，当光线弱时，负载可以使用蓄电池的电量浮充是蓄电池组的一种供（放）电工作方式，系统将蓄电池组与电源线路并联连接到负载电路上，它的电压大体上是恒定的，仅略高于蓄电池组的端电压，由电源线路所供的少量电流来补偿蓄电池组局部作用的损耗，以使其能经常保持在充电满足状态而不致过充电。因此，蓄电池组可随电源线路电压上下波动而进行充放电。当负载较轻而电源线路电压较高时，蓄电池组即进行充电，当负载较重或电源发生意外中断时，蓄电池组则进行放电，分担部分或全部负载。这样，蓄电池组便起到稳压作用，并处于备用状态。下图为升压式变换器电路，用少量单片太阳能电池构成电池组件，去给铅酸电池充电。电路由IC1及少量元器件组成。IC1直接由铅酸电池供电，就算太阳能电池不供电，电路仍能工作。电路所需电流很小，铅酸电池不很快的放电完毕。 太阳能电池接到连接器K1。IC1使场效应管FET-T1导通，引起通过电感线圈L1的电流。在这里将电能转换成磁能，并贮存在电感里。当电流超过某一确定值时，IC1使FET截止。在那一瞬间，电感力图保持电流的流通。这样就感应了一个电压，使电流通过D1流进电池。这样又把磁能转换成电能。通过电感的电流不应上升太快. IC1提供一种限流作用制止这种的发生。通过电感的电流变换成在分流电阻R1上的小电压。IC1一旦截止FET，这电压很快上升达0.1V 电阻R2、P1和R3组成分压器。在滑动点P1上的电压正比于输出电压。 IC1设法保持这电压固定在1.5V。，P1可以用于调节最大输出电压。19图5 太阳能转12V内部结构示意Fig.5 Solar energy to 12 V internal structure indicateMAX1771 是MAXIM 公司出品的一种DC-DC 转换器控制芯片可用于多种不同形式的 DC-DC 转换电路它采用BiCMOS 工艺制造因此兼有低功耗与高开关频率的特点正常工 作电流不超过110 A 进入停机状态时功耗可降低至5 A 以内开关频率可高达300kHz 因此可采用体积很小的外部功率元件整个DC-DC转换器尺寸可以做得非常小，另外器件内部集成了多种DC-DC 转换器所需的功能单元外围电路非常简单可以很容易地用它设计 出满足不同需要的DC-DC 转换器。2图6 MAX1771封装图Fig6 MAX1771 package diagram4.2 电机驱动电路设计图7 电机驱动电路Fig.7 Motor drive circuit自动清扫装置采用的是步进电机作为动力源，自动化密集的的场合会有很多被控元件如继电器，微型电机，风机，电磁阀，空调，水处理等 元件及设备，这些设备通常由 CPU 所集中控制，由于控制系统不能直接驱动被控元件，这需要由功率电路 来扩展输出电流以满足被控元件的电流，电压。本系统的电机驱动芯片为ULN2003A。ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平，输入电压为5V，输出电压最高可以达到50V。工作环境温度可以-20至80以保证了在野外农田的使用。在ULN2003外部采用四个不同阻值的电阻进行分压限流防止电机烧坏，因为电动机是由电磁线圈所组成，为感性负载，在通电断开的瞬间会产生反向感生电动势，这个感生出的能量必然要释放掉，否则会产生极高的反向电压导致驱动芯片击穿。接入二极管即可平滑泄放掉电机线圈所产生的感生能量，同时有助于对电机的驾驭。在单片机中利用计数器与设置的参数自行比较溢出中断，达到比较值步进电机开始工作，为了防止步进电机的“丢步”当电机没有按规定走完步数时，通过单片机的中断设置了反馈调节，计数器自动加1直至完成步数，电机开始反转。34.3 逆变器电路逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。为了满足不同用电设备对交流电源性能参数的不同要求，已发展了多种逆变电路，并大致可按以下方式分类。按输出电能的去向分，可分为有源逆变电路和无源逆变电路。前者输出的电能不返回公共交流电网，后者输出的电能直接输向用电设备。按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电流型直流电源供电的电流型逆变电路。按主电路的器件分，可分为：由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变电路；由无关断能力的半控型器件（如普通晶闸管）组成的半控型逆变电路。半控型逆变电路必须利用换流电压以关断退出导通的器件。若换流电压取自逆变负载端，称为负载换流式逆变电路。这种电路仅适用于容性负载;对于非容性负载,换流电压必须由附设的专门换流电路产生，称自换流式逆变电路。按电流波形分，可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路。前者开关器件中的电流为正弦波，其开关损耗较小，宜工作于较高频率。后者开关器件电流为非正弦波，因其开关损耗较大，故工作频率较正弦逆变电路低。按输出相数可分为单相逆变电路和多相逆变电路。本系统采用的是电压逆变电路，用SG3525集成电路产生20khz可调占空比的pwm波形。用两个以上IR3205场效应管把pwm波进行功率放大。放大后的PWM信号接入变压器把电压升高，通常最高要能升高到1000V。升高后的电压经整流二极管给电容充电。从电容上用电阻采样电压值把采样的电压值与一个TL431集成电路进行比较，让电容上的电压等于1000V。如果低于1000V，就自动增加SG3525输出pwm波的占空比，高了就减小占空比，使得电容上的电压始终稳定在1000V上。 这当中还要识别输出电流，过载了就控制SG3525停止输出信号进行保护，这样不会烧毁东西，12V不足时也要控制停机，以免输出不够和损坏电池。在12V电压快耗尽前用蜂鸣器报警，让使用者知道快没电了。16图8 逆变电路Fig.8 Inverter circuit4.3.1 SG3525简介SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。管脚功能：直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率厂由外接电阻RT 和电容CT决定， 振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PwM脉冲送至三极管VT1 及 VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证 VT1 及VT2不同时导通。最后，VTl及VT2分别输出相位相差为 180的 PWM波。22图9 SG3525引脚功能与封装Fig.9 SG3525 pin functions and packaging4.4 蓄电池给单片机供电电路图10 单片机供电电路Fig.10 Single-chip power supply circuits4.5 脉冲次数采样电路设计目前估算短路大约在1A到5A。则通过一个10W，2欧姆的电泥电阻R10进行电流采样。然后再经过电位器R8进行分压，COMP的电压范围在1V到5V左右。COMP的电压进入单片机的AIN0引脚，AIN1和AIN0的电压进行比较。如果AIN0大于AIN1的电压，则计录一次短路。AIN1的电压可以通电位器进行调。20图11 脉冲采样电路Fig.11 Pulse sampling circuit4.6 无线通信模块电路及主要参数无线通信模块广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信。21 本系统采用的是CC1101作为无线通讯模块的芯片，CC1100E 是一款 Sub-GHz 高性能射频收发器，设计旨在用于极低功耗 RF应用。其主要针对工业、科研和医疗 (ISM) 以及 470-510 MHz 和 950-960MHz 频带的短距离无线通信设备 (SRD)。CC1100E 特别适合于那些针对日本ARIB STD-T96 标准和中国 470-510 MHz 短距离通信设备的无线应用。空旷传输距离500到1500米，高效的SPI串行编程接口，可用IO口模拟SPI时序，也可以用MCU的SPI口。工作温度范围为-40+85，工作电压为1.8-3.6 伏。模块采用晶振对芯片进行驱动。21图12 无线模块内部结构图Fig.12 The internal structure of the wireless module在系统的室外控制部和控制室部分各有一个无线模块接收，单片机通过SPI与无线模块连接进行通讯，然后控制室单片机对数据进行处理后通过1206进行显示，将室外的害虫的实际情况反映到控制室。2图13 无线通信模块Fig.11 Wireless communication module5 处理器AVR单片机简介：单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支,是简易机器人的核心元件。1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。155.1 AVR单片机的优势特征单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。单片机种类很多，在简易机器人制作和创新中，为什么选用AVR单片机呢。 1) 便易学，费用低廉 首先，对于非专业人员来说，选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。AVR单片机因此在业界号称“一线打天下”。 其次，AVR单片机便于升级。AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级。 再次，AVR单片机费用低廉。学习AVR单片机可使用ISP在线下载编程方式(即把PC机上编译好的程序写到单片机的程序存储器中)，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，即可进行所有AVR单片机的开发应用，这可节省很多开发费用。程序存储器擦写可达10000次以上，不会产生报废品。 152) 高速、低耗、保密 首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机： AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。 多累加器型，数据处理速度快。AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。 中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。 其次，AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 V即可工作。 再次，AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。 3) I/O口功能强,具有A/D转换等电路 AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流(灌电流)1040 mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器，节省了外围驱动器件。 AVR单片机内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。 部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。 AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。 4) 有功能强大的定时器/计数器及通讯接口 定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有34个PWM，是作电机无级调速的理想器件。17 AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。 5) 片内EEPROM EEPROM 数据存储器。它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以按字节读写。EEPROM 的寿命至少为100,000 次擦除周期。EEPROM 的访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定。 通过SPI和JTAG及并行电缆下载EEPROM数据的操作。5.2 AVR单片机内核结构示意图图14 AVR单片机内核结构示意Fig.14 AVR microcontroller core structure indicate5.3 AVR单片机引脚功能VCC 数字电路的电源；GND地； 端口 A(PA7.PA0) 端口 A 做为 A/D转换器的模拟输入端。端口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A处于高阻状态。 端口 B(PB7.PB0) 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B处于高阻状态。端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 C(PC7.PC0) 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能。端口 D(PD7.PD0) 端口 D 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能。RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端； XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接。 AREFA/D 的模拟基准输入引脚。175.4 Atmage16的封装图15 Atmage16引脚示意Fig.15 Atmage16 pin hands本系统采用AVR做为处理器，AVR单片机吸取了PIC及8051等单片机的优点，同时在内部结构上还作了一些重大改进，系统可以采用两个单片机作为处理器一个为主机，主要负责数据的处理和显示，一个为数据采集把电网上的电流的短路次数通过外部数模转换电路变为数字信号，单片机将数据有采用串口通讯方式以无线通信为渠道进行通讯将数字传给主机，主机单片机读取数据并显示，当数据信息表明电网中害虫两达到一定程度时，采用外部中断驱动步进电机执行自动清扫工作。6. 系统软件设计6.1 无线模块串口通讯程序设计串口通信 ATmega16 单片机带有一个全双工的通用同步/异步串行收发模块 USART， 该接口是一个高度灵活的串行 通讯设备。其主要特点如下：全双工操作，可同时进行收发操作；支持同步或异步操作；支持 5、6、7、8 和 9 位数据位，1 位或者 2 位停止位的串行数据帧结构； 三个完全独立的中断，TX 发送完成，TX 发送数据寄存器空，RX 接收完成；支持多机通讯模式；相关寄存器：USART 数据寄存器UDR； USART 控制和状态寄存器UCSRA，UCSRB，UCSRC； 波特率寄存器UBRRL 和 UBRRH；串行同步通讯容易理解，约定一个同步时钟，每一时刻传输线上的信息就是要传送的信息单元。串行异步通讯是把一个字符看作一个独立的信息单元，每一个字符中的各位是以固定的时间传送。因此，这种传送 方式在同一字节内部是同步的，而字符间是异步的。在异步通信中收发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位，而在字符结束时发送 12 个停止位。当接收器检测到起始位时，便能知道经接着的是有效的字符位，于是开始接收字符，检测到停止位时，就将接收到的有效字符装载到接收缓冲器中。最简单的串口通信使用 3 根线完成：（1）地线，（2）发送，（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能串口够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口 串口通信最重要 串口 的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：1) 波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的 bit 的个数。例如 300 波特表示每秒钟发 送 300 个 bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要 4800 波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口 串口通信在数据线上的采样率为 4800Hz。通常电话线的波特率为 14400，28800 和 串口 36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间 的通信，典型的例子就是 GPIB 设备的通信。2) 数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是 8 位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的 ASCII 码是 0127（7 位）。扩 展的 ASCII 码是 0255（8 位）。如果数据使用简单的文本（标准 ASCII 码），那么每个数据包使用 7 位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议 的选取，术语“包”指任何通信的情况。3) 停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为 1，1.5 和 2 位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表 示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程 度越大，但是数据传输率同时也越慢。4) 奇偶校验位：在串口 串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位 串口 也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口 串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数 串口 据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是 011，那