智能捕鼠器.docx
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智能捕鼠器.docx
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智能捕鼠器
摘要
当今社会,人们的生活水平和生活方式都在不断的提高,智能化已经在我们生活中得到了实施。
随着科学技术的进步和人们生活条件的友好改善,各种智能设备在人们的生活中不断出现,使人们的生活越来越方便和舒适。
其中以单片机为核心实现的智能捕鼠器因功能强、可靠性强而得到应用,给我们带来了方便。
将计算机技术和信息技术结合起来,形成了智能捕鼠器的实现。
本论文主要设计研究新型的智能捕鼠器电路,其主要特点是以PIC12LF1501单片机为核心,实现一个自动感应老鼠进笼子系统的功能。
本文对每个电路逐一进行了研究,并对各种方案进行了全面的分析和论证,全面详细地论述了硬件电路的设计流程。
对本设计中红外检测电路、电机驱动电路等进行了详细的说明。
另外还介绍了PLC单片机软编写的流程,流程图编写的方法,以及开发MPLABXIDE环境的使用介绍,下载软件的操作方法,并演示了实物的操作。
本论文围绕单片机实现智能捕鼠展开了讨论,介绍了捕鼠器的相关技术及发展,如何通过单片机实现智能捕鼠,以达到捕鼠的目的。
关键词:
PLC单片机;超声波;智能;捕鼠器;电机;红外检测
Abstract
Intoday'ssociety,people'slivingstandardandlifestyleareconstantlyimproving,intelligencehasbeenimplementedinourlife.Withtheprogressofscienceandtechnologyandfriendlytoimprovepeople'slivingconditions,avarietyofintelligentdevicescontinuetoappearinpeople'slife,makepeople'slifemoreandmoreconvenientandcomfortable.Thesinglechipmicrocomputerasthecoreoftherealizationofthesmartmousetrapbecauseofstrongfunction,highreliabilityandapplication,bringsconveniencetous.Thecombinationofcomputertechnologyandinformationtechnology,theformationofintelligentmousetrap.Thisthesismainlystudiesthedesignofsmartmousetrapcircuitmodel,itsmaincharacteristicistoPIC12LF1501microcontrollerasthecore,toachieveanautomaticinductionofmiceintothecagesystem.Thispaperforeachcircuitarestudiedonebyone,andthevariousmethodsareanalyzedanddemonstratedcomprehensively,fullydiscussesindetailthedesignprocessofhardwarecircuit.Thedesignoftheinfrareddetectioncircuit,motordrivecircuitindetaildescription.ItalsointroducesPLCMCUsoftwarecompilationprocess,flowchartmethodpreparation,anduseMPLABtodevelopXIDEenvironment,theoperationmethodofdownloadingsoftware,anddemonstratetherealoperation.ThispaperdiscussedtheMCUintelligentmouseThispaperintroducestherelevanttechnologyanddevelopmentofthemousetrap,andhowtorealizetheintelligentratcatchingbythesinglechipmicrocomputerinordertoachievethepurposeofcatchingmice.
Keywords:
PLCMCU;ultrasonic;intelligence;mousetrap;motor;infrareddetection
1绪论
1.1本课题的研究目的及意义
捕鼠器是用来对付危害农、牧、林业,传播疾病,并对工交业(主要是破坏供电和通讯)实施破坏的老鼠。
智能捕鼠器是为了提高捕捉老鼠的机率,操作起来较安全且方便,以及对我们身边环境的保护。
开展基于单片机的智能捕鼠器的设计,对于学生学会利用单片机编程来控制捕鼠器来捕鼠并实现智能,掌握基于单片机的智能捕鼠器的设计思路,掌握智能捕鼠器的结构以及如何实现捕鼠。
随着电子技术的飞速发展,单片机已经成为科技领域的有力工具,人类生活的得力助手,它的应用遍及各个领域。
我国的单片机年容量己达2亿片,且每年以大约20%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到2%。
嵌入式计算机在应用数量上远远超过了电脑,一台通用计算机的外部设备中就包含了近个10嵌入式微处理器。
为适应不同的应用需求,一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器都是一样的,不同的是存储器和外设的配置及封装。
这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,像AT89S51和AT89S52就是一个很好的例子。
另一方面单片机应用的意义还在于,它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
以前都是由模拟或数字电路实现所需的大部分功能,现在己经可以通过单片机软件编程的方法来实现了。
可以说这是传统控制技术的一次飞跃性的革命。
本论文讨论了单片机在智能控制方面的一个重要应用。
捕鼠器是用来对付危害农、牧、林业,传播疾病,并对工交业(主要是破坏供电和通讯)实施破坏的老鼠。
智能捕鼠器是为了提高捕捉老鼠的机率,操作起来较安全且方便,以及对我们身边环境的保护。
开展基于单片机的智能捕鼠器的设计,对于学生学会利用单片机编程来控制捕鼠器来捕鼠并实现智能,掌握基于单片机的智能捕鼠器的设计思路,掌握智能捕鼠器的结构以及如何实现捕鼠。
本课题是基于单片机来设计一种智能型的捕鼠器,在我们人类日常的生活中,“智能”无处不在。
智能的路灯、智能的银行大门、智能的电脑、智能的手机等。
随着时代的进步、科技的发展,人们对身边的生活环境要求越来越高。
小区里,工厂里,都会发现有捕鼠器。
国内外,捕鼠器的存在可谓是家喻户晓。
1.2单片机在捕鼠器中的应用
目前有捕鼠器是单片机控制,采用单片机控制的捕鼠器,不仅安全,而且可靠性好,比之前的机械式控制更上一层楼。
本次课题研究的是基于单片机智能捕鼠器的设计,查阅了大量资料发现有使用51系列单片机作为捕鼠器的。
因此,本课题的采用PIC单片机研究作为一种新尝试,对于本身就是一种进步。
1.3国内外对本课题的研究现状
一种捕鼠笼的门锁装置,在下旋式门锁两臂与笼身之间有弹簧连接,防止当捕鼠笼翻倒时下旋式门锁因重力作用与笼门分离,从而放跑老鼠,同时,笼门或把手上有止动凸起,使得老鼠从笼内推动笼门时因下旋式门锁被止动凸起挡住而无法将笼门打开。
本实用新型结构简单并能有效防止捕获的老鼠利用各种方法逃脱[1]。
一种捕鼠笼的动作触动机构,笼体内铰接了前部略翘起的踏板,踏板上设有可插入悬杆下部尖端的凹台,笼体上壁网上铰接了悬杆,用定向弹簧作用于悬杆,使悬杆顶端的套环保持背离压杆方向运动的趋势,悬杆竖直时其下端就可插入踏板的凹台[2]。
一种诱鼠捕鼠笼,其包括鼠笼、设置在鼠笼一侧的可上下移动的笼门以及设置在鼠笼内的踏板和鼠饵挂钩,本实用新型通过设置在鼠笼底端的踏板的转动控制鼠笼门的关闭,由于踏板面积大,只要有老鼠进入鼠笼扑食诱饵必定会关闭在鼠笼内,达到捕鼠的目的[3]。
一种智能连续捕鼠器,包括车体、电磁探测线圈、控制板、控制器、电瓶、两个行走减速电机、翻转减速电机、翻转杆、两个霍尔开关、翻转杆定位磁铁、翻转杆定位板、翻板、电击板、称重传感器、诱饵支架、张力传感器、诱饵、线性霍尔传感器、无线发射模块、无线接收模块、至少两块导航定位磁铁、功率放大器和振荡器,本发明的智能连续捕鼠器,实现了自动连续捕鼠[4]。
【5】红外捕鼠器是涉及捕鼠器结构的改进。
一种诱饵可长时间使用、使用可靠的红外捕鼠器。
本实用新型包括箱体、单片机、电机、隔板、触碰开关和红外传感器,其结构要点箱体横向一端设置有内开门,箱体横向另一端的上部设置有饵料盒,红外传感器设置在箱体内下部,箱体内侧壁相应于红外传感器的位置设置有隔板滑槽,隔板设置在隔板滑槽的上部,隔板下端设置有挡板,挡板通过连接板与电机的转轴相连,触碰开关设置在隔板的下方;所述电机、隔板、触碰开关、红外传感器、隔板滑槽、挡板、连接板的组合为三组且沿箱体横向均布;所述各触碰开关、红外传感器、电机的控制部分均与单片机相连[5]。
一种捕鼠笼,笼体中设有诱捕仓、诱鼠爬梯、捕捉仓、储鼠仓和控制单元,诱捕仓的一侧设有总入口,诱捕仓的另一侧通过诱鼠爬梯与捕捉仓的第一入口连通,捕捉仓位于储鼠仓的上方,储鼠仓的一侧设有仓门,控制单元包括电源模块、行程开关、第一红外传感器、第二红外传感器、控制器、电磁锁、直线电机和枪锁电机;总入口的闸门通过拉缆与直线电机的伸缩杆相连,第一红外传感器装设于诱捕仓中;捕捉仓和储鼠仓之间设有跷板,第二红外传感器装设于捕捉仓中[6]。
一种老鼠笼的电连接,所述笼体中设有诱捕仓、诱鼠爬梯、捕捉仓、储鼠仓和控制单元,所述控制单元包括电源模块、行程开关、第一红外传感器、第二红外传感器、控制器、电磁锁、直线电机和枪锁电机,所述行程开关、第一红外传感器、第二红外传感器分别与控制器的输入端相连,所述控制器的输出端分别与电磁锁、直线电机和枪锁电机相连,所述电源模块分别与行程开关、第一红外传感器、第二红外传感器、控制器、电磁锁、直线电机、枪锁电机相连通[7]。
【8】一种超级灵敏捕鼠笼,包括捕鼠笼本体、第一复位弹簧、第二复位弹簧、第二鼠笼门、第一鼠笼门、连动压杆、摇摆轴、活动踏板、第一连杆、第二连杆、第二活动踏板和磁铁;所述第一鼠笼门与第二鼠笼门分别通过设置于捕鼠笼本体右顶端和左顶端的连接轴与捕鼠笼本体连接;该超级灵敏捕鼠笼,彻底改变了传统的单开门与双开门捕鼠笼基本结构的连接方式,使鼠笼门开启连动控制机构,与触发闭合机构相分离,独立设置互不衔接;此外,利用磁感激发弹射方式关闭笼门,使之真正达到了超级灵敏的性能[8]。
一种双开口的电控捕鼠笼,包括两侧设有开口的笼子本体,笼子本体的一侧壁中部固定有传感器,笼子本体的另一侧壁上固定有与传感器相对的传感器接收器;所述的笼子本体开口侧的两侧边上成型有凹字形的侧挡条,侧挡条上插接有闸门,闸门的上端面上固定有导柱,导柱插接在横杆的两端,横杆上固定有支柱,支柱固定在笼子本体上,所述的导柱上插套有压簧,压簧的两端分别压靠在闸门和横杆上,所述的闸门上成型有定位口[9]。
一种机器人连续捕鼠器,包括主机箱和网罩,所述主机箱通过自动合扣机构与网罩连接,所述主机箱连接过鼠道一端带有开口的存鼠笼,所述存鼠笼内部设有跳跃式捕鼠装置和折叠式捕鼠装置两种,所述主机箱外侧表面上设有充电器DC孔、电池仓、电源提示灯、电源开关、上挂扣和下挂扣,所述单片机控制器分别与感应器、电机、充电器DC孔、电池仓、电源提示灯和电源开关电性连接[10]。
一种磁力吸高灵敏灭鼠笼,它包括鼠笼本体、触发装置和压板装置,鼠笼本体的两端设置有卡槽,卡槽内设置有笼门,触发装置包括触发板、磁铁片、接触开关和永磁体,压板装置包括压板、以及与压板两侧面固定连接的挡杆、扭簧和挂钩,挂钩连接有杠杆A的一端,杠杆A的另一端连接有杠杆B,杠杆B的一端设置有与杠杆B端部垂直的挂杆,杠杆B的另一端设置有圆形铁片,圆形铁片的下部设置有电磁线圈,鼠笼本体另一侧侧面内部纵向设置有锁定条,锁定条表面设置为锯齿结构,锁定条的下端与鼠笼本体铰接连接,锁定条的上端通过弹片与鼠笼本体连接[11]。
一种组合踏板式捕鼠笼,它包括笼体、笼门和笼门控制装置,其特征在于:
所述笼体包括上笼体和下笼体,上笼体和下笼体为可拆装的分体式结构,上下笼体通过上笼体纵筋后侧和下笼体两侧的横筋的开口扣相互连接;所述笼门控制装置包括笼门把手、拉簧、门控杆、触发杆、悬杆和踏板。
该结构的捕鼠笼的笼体部分为可拆装的分体式结构,拆装方便,安装时无须任何工具,采用对扣方式即可完成组装[12]。
2单片机的概述
2.1PIC单片机技术的发展
PIC单片机是由美国微芯科技公司(MicrochipTechnologyInc.)开发、生产的微控制器系列产品,采用了RISC结构的嵌入式微控制器、运用了哈佛总线结构,高速度、精简指令技术等都体现出单片机产业的新趋势;加上低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力高运行率和成本低、90%良品率,得到了国际电子行业内普及、认可。
在短短几年时间里,PIC单片机的销售量迅速发展到世界前茅,显示PIC单片机产品的巨大优势,现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一[13]。
PIC系列单片机在1990年仅排名世界第20位,经过10余年的积极扩展,其8位单片机的业绩节节攀升。
据市场研究公司GartnerDataquest于2003年6月公布的“2002年单片机市场份额和单位出货量”报告,Microchip公司8位机已跃居全球“第一”,占到全球市场份额的16.1%。
来自信息产业部的数据表明,2002年我国电子制造业的销售额上升了17.8%,达1690亿美元[14]。
Microchip公司推出的PIC系列单片机由于采用精简指令集、哈佛总线结构、流水线取指的方式,抗干扰能力强,性能价格比高,深受国内客户的普遍欢迎。
2.2PIC单片机的技术特点
PIC是美国Microchip公司所生产你的单片机系列产品型号的前缀。
PIC系列单片机的硬件系统设计简洁,指令系统设计精炼。
在所有的单片机品种当中,它最容易学习,最容易应用的单片机品种之一。
PIC的精简指令使微处理器具有执行速度快等优点,其主要原因是PIC系列单片机在结构上与其他单片机不。
PIC系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构,这种结构与其他采用CISC(复杂指令集计算机)的单片机在结构上是有不同的。
双总线结构,又所谓的哈佛结构。
这种结构有两种总线,即程序总线和数据总线,相当于另外多开了一个车道,可以同时运输货物,且宽度不同,改良了运输能力。
这样做的好处是,便于实现指令提取的“流水作业”,也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作。
指令单字节化:
因为数据总线和指令总线是分离的,并采用了不同的宽度,所以程序存储器ROM和数据存储器RAM的寻址空间是相互独立的,而且两种存储器的宽度也不同,这样设计不仅可以确保数据的安全性,还能提高运行速度和实现全部指令的“单字节化”。
精简指令集(RISC)技术:
PIC系列单片机的指令系统(就是该单片机所能识别的全部指令集合,叫做指令系统或者指令集)只有35条指令。
PIC单片机不仅全部指令均为单字节指令,而且绝大多数指令为单周期指令,以利于提高执行速度。
寻址方式简单,寻址方式就是寻找操作数的方法。
PIC系列单片机只有4中寻址方式(即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址)。
代码压缩率高、运行速度高,由于采用了哈佛总线结构,以及指令的读取和执行采用了流水作业方式,使得运行速度大大提高、功耗低、驱动功能强[14]。
2.3PIC单片机基本结构
外表看去,单片机也是一个集成电路片,如有直插式、贴片式,与普通的集成块无异。
一般集成电路片按规定接上电路板就可以工作了,而单片机集成片则不同,还需要进过专业设备进行软件程序处理。
单片机不是一般的集成电路片,它的内部含有计算机最基本的部件:
CPU(进行处理数据、运算、逻辑控制)、RAM(数据存储)、ROM(程序存储)、I/O(输入/输出设备)等部分。
把计算机的基本部件缩小体积与规模,全部被压缩到一块集成电路芯片中了,构成了单片机型计算机(单芯片)。
可见单片机有计算机的基本功能,将其安装到电路中就可以控制电器按人的意愿运行。
只有注入程序,单片机才能发挥作用。
而程序是由指令有序组成的,涉及存放指令的存储体的地址,还有信息数据等,单片机的基本构成,不仅有硬件CPU、存储器、I/O口,而且还有程序的软件系统,而程序包含有指令、地址、数据等,通过数据传输执行指令、交换信息[13]。
2.4PIC12LF1501单片机介绍
PIC12LF1501是8引脚8位闪存单片机,如图2.1PIC12LF1501单片机引脚(PIC12LF1501)。
图2.1PIC12LF1501单片机引脚
Figure2.1PIC12LF1501microcontrollerpin
高性能RISCCPU:
优化的C编译器架构、仅需49条指令、可寻址1K字的线性数据存储空间、可寻址64字节的线性数据存储空间;工作速度,DC–20MHz时钟输入、DC–200ns指令周期、带有自动现场保护的中断功能、带有可选上溢/下溢复位的16级深硬件堆栈;直接、间接和相对寻址模式,两个完全16位文件选择寄存器(FileSelectRegister,FSR)、FSR可以读取程序和数据存储器;
灵活的振荡器结构:
16MHz内部振荡器模块,出厂时精度已校准到±1%(典型值)、可通过软件选择频率范围:
31kHz至16MHz、31kHz低功耗内部振荡器、三种外部时钟模式,频率最高为20MHz;
单片机特性:
工作电压范围,1.8V至3.6V(PIC12LF1501)、可编程周期从1ms至256s、低功耗休眠模式、128字节高耐用性闪存、低功耗特性(待机电流:
1.8V时,典型值为20nA
看门狗定时器电流:
1.8V时,典型值为200nA工作电流:
1.8V时,典型值为30A/MHz),如表1.18位8引脚分配表(PIC12LF1501)。
表1.18引脚分配表PIC12LF1501
3智能捕鼠器系统总体设计方案
3.1设计思路
电路总体上分为单片机最小系统、超声波发射电路、红外监测电路、报警电路、电机驱动电路和电源电路组成。
使用了超声波发射电路发出和老鼠相近频率的声波,引诱老鼠进笼子,以PIC12LF1501单片机最小系统作为核心控制电路,完成红外监测电路的控制,通过软件实现电机的控制,从而驱动电机带动智能捕鼠器笼子的关闭,报警电路发出鸣叫。
3.2总体设计框图
本设计以PIC12LF1501单片机作为主控制芯片,1.8V至3.6V;单片机工作电压为1.8V至3.6V,另外使用了超声波发射器。
本设计目的是便于智能的捕鼠,使用户使用更为方便,整个电路可分为:
超声波发射电路(发出频率吸引老鼠),红外监测电路(接受到老鼠进到笼子的信号),主控模块(由PIC12LF1501芯片和电路板线路组成接受老鼠感应发出的信号,并做出相应的动作),电机驱动电路(通过向电机发送不同宽度的脉冲信号从而达到控制的效果),最后通过软件编程合理有序的控制模块,控制报警器鸣叫,实现相应功能。
其系统框图由图3.1所示。
整个系统结构简单、稳定可靠、具有一定的实用价值。
图3.1系统框图
Figure3.1systemblockdiagram
4智能捕鼠器的硬件设计
4.1概述
本设计系统硬件电路比较简单,主要有单片机最小系统、超声波发射电路、红外检测电路和报警电路、电机驱动电路构成。
其中主控芯片、超声波发射电路、电机驱动电路是此次设计的核心模块。
主控芯片PIC12LF1501控制整个系统的运行,利用它的各个接口将其他模块连接成一个整体,通过MPLABXIDE编程让它完成对整个硬件系统的逻辑控制,使系统具有自动控制捕鼠器的功能。
整机工作原理如下所示。
老鼠对声音很明感,在特定的超声波频率下回诱惑老鼠来觅食;所以超声波发射器在本设计中是必然物件。
超声波可以通过频率的振荡产生电信号,再经过电声转换器件发生超声波。
传统做法是运用555时基振荡器产生矩形波,通过外围器件调节振荡频率,再转换发射的超声波。
因为本设计会运用到单片机的信息采集与信息的处理,所以在此处运用了PWM产生不同频率的矩形波,通过按键来调节PWM的占空比,从而实现输出的电平信号的变化;超声波人耳无法分辨,设计中通过LED的亮度来观察其变化。
其次是红外检测器,检测老鼠是否进入捕鼠盒子中,一旦检测有物体进入盒中,单片机会触发电机关闭盒子的门,让老鼠无法逃脱;同时蜂鸣器动作,通知用户有老鼠进入了盒中。
4.2核心处理器PIC12LF1501
单片机实训考核装置中的主机模块采用的是PIC12LF1501单片机。
如图4.1所示。
该图为核心处理器,型号PIC12LF1501,这款芯片是美国Microchip公司的工业级芯片之一。
其优点是:
体积小、功耗低等,除了供电引脚外只有六个引脚,其中RA0/RA1/RA2/RA4都可以作为PWM输出,每个引脚都有多个复用功能,通过芯片内部寄存器设置。
本设计中,RA0为电机的正转;RA1为电机的反转;RA2为蜂鸣器控制引脚;RA3为红外检测引脚,相当于按键一样,都是低电平触发;RA4为超声波控制引脚,输出矩形波;RA5为按键输入引脚。
芯片外围不需要其他元件,该芯片内部自带31KHZ-16MHZ的时钟,无需外部晶振;正常工作电压为3.3V,范围在1.8-3.6V。
调节芯片的时钟频率等可以让该芯片正常工作下功耗达到5uA,进入掉电模式可达到0.1uA以下。
图4.1主控芯片
Figure4.1mastercontrolchip
4.3超声波发射电路
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的,各行各业都有使用的通用技术。
超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面,并取得了很好的社会效益和经济效益。
因此,我国对超声波技术及其传感器的研究十分重视。
超声技术是通过超声波产生、传播及接受的物理过程完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性[15]。
如图4.2所示。
标有T字样的器件为超声波发射头,它可以把电信号转换位声信号,一般的喇叭无法达到20KHZ以上的频率,容易被烧毁。
Q13为超声波发射头的驱动三极管,通过RA4电平信号控制Q13的开关状态,从而实现超声波的频率变化。
Q1是驱动LED指示灯的,方便观察超声波的变化情况。
K2为轻触按键,具有回弹的功能,不会自锁;其RA5接芯片输入引脚,用来调节RA4输出的波形。
具体实现见程序代码。
图4.2超声波发射电路
Figure4.2ultrasonictransmittercircuit
4.4红外检测电路
如下图4.3所示。
该图为初步设计的检测电路,因为太复杂了,可以省略Q4和Q5,简化后的电路如下图4.4
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