一种自动捕捉器设计研究

倪笑宇　王雪凡　曹帅　解卫杰

摘   要：为了减少有害生物对农产品和工业设施产生的破坏，文章设计了一种应用于社会生活的自动捕捉器，首先介绍了其结构组成，部分电路设计和软件设计具有测重、自动感应和自动捕捉等功能;其次，对原理样机进行了测试。测试结果表明，样机系统稳定，性能可靠，工作效果良好，具有轻便、快捷、高效的特点，可减少有害生物的破坏。

关键词：自动捕捉;声波探测;测重;便携式

1    自动捕捉器研发背景

据调查，在广大农村地区害虫种类和数量较多，家鼠身上携带多种病菌，严重影响人类的身体健康。另外，家鼠是住宅区害鼠优势种，繁殖能力强，占总鼠数的44.63%，然而捕获率仅为5.21%。现在常用防治家鼠的方法有：常规器械灭鼠和毒饵杀灭，常规器械灭鼠完全采用机械结构，不具备自动化功效，很难抓住老鼠;毒饵杀灭利用投毒的方法虽然可以有效杀死老鼠，但是老鼠死在哪却很难发现。本文设计了一种自动捕捉器，在功能上可以实现多样化、自动化，当遇到有害生物时可以用其捕获，还可以驱赶鸟类，科研需要时还可以完成对某些生物的探索、捕捉和追踪等任务，以收集相关科学数据，对我国生物科学领域的研究有一定的帮助作用。

2    功能结构组成

自动捕捉器由电源、监测装置、测重装置、声波装置、红外线探测装置、磁铁及简单的机械零件等组成[1]，如图1所示。电源部分由两节18650电池串联提供能量;控制部分由一块STM32的32位单片机芯片来提供控制;信号采集部分包括光照传感器、超声波传感器、红外传感器，当任何一感應部分感知到信号时磁铁就会断电自由下落使箱体闭合。整个过程大体为“通电准备—信号感应—断电捕捉”，其中包括电磁控制系统、通信系统、数据收集系统、远程控制系统、报警系统;数据收集系统可以和手机相连将数据传输到手机，远程控制系统则可以实现对系统的远程控制与监控。

3    电路设计

3.1  电磁铁控制电路

通过一个稳压模块和电磁铁及电源相连，将电压控制在12～24 V，保证电磁铁的正常吸合及断开。

3.2  声波传感器电路

超声波传感器由发送传感器（或称波发送器）、接收传感器（或称波接收器）、控制部分与电源部分组成[2]。发送器传感器由发送器与使用直径为15 mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出对发送进行检测。实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用于接收，控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制[3]。

3.3  主控电路设计

本设计选用STC公司生产的STC89C52RC单片机，适用范围广泛、工作电压稳定，为自动捕捉器的工作提供了有效的保障。该控制元件在工作过程中产生固定时序信号并形成该时刻所需的控制信号，从而控制电磁铁、声波传感器、红外线传感器、测重模块以及显示器正常工作。

4    软件设计

软件设计部分主要由下位机程序构成，主控制器采用STM32F103单片机作为控制芯片，通过Keil Vision5平台进行程序开发，并利用C语言编写各功能模块子函数，整个设计由主控程序将各子程序融合，实现了对电磁铁的吸合控制、液晶显示、数据分析及处理。利用C语言程序来驱动单片机内部的中断、定时器和多路PWM波输出，程序主要由电磁铁通断部分、液晶屏显示部分、超声波智能探测部分、红外监测及报警等部分构成，程序流程如图2所示。

5    自动捕捉器测试

通过测量与结合实际使用情况，做出了最初的样机模型，包括基本功能和报警系统，装置样本如图3所示。

第一次测试：首先，进行了侧重模块的反应测试，将程序输入到单片机中;其次，将电磁铁和测重模块相连，用手轻轻按压，当数值到设定的值后磁铁断电，圆柱壳体进行自由落体运动，测试的反应时间约为0.5 s，在允许的时间范围内。

第二次测试：对报警装置进行了检测，重复测试一的动作，将报警程序以及硬件连接进去，当壳体落下5 s会发出报警声，持续时间为5 min。

第三次测试：同样是在此前的基础上增加了红外线与液晶显示装置，当物体接触到红外线时电磁铁立刻断电，此时红外线系统关闭，液晶显示系统显示出此时的时间、温度以及物体重量。

经过重复试验得出该装置的硬件和软件系统一切正常，并对一些对实验有影响的不利因素进行了排除和改进。

6    结语

自动捕捉器是一种用来捕获反应灵敏、难以捕获、体积较小的、给人们生活带来不便的生物，或是捕捉野生动物用以科学研究的多功能简易捕捉器。本文主要对自动捕捉器及其相关系统进行分析、研究，实地测试后的结果达到了预期的效果，后期将对各个方面的装置进行优化设计，从而满足本产品的实际需求。

[参考文献]

[1]徐爱钧.KeilC51单片机高级语言应用编程技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]芮延年.机电一体化系统设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]王士宝.昆虫自动捕捉器[J].电工技术，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