基于液电效应的智能驱鸟炮设计与试验

2022-12-23张晓胡少兵杨德宽王军民

电子设计工程 2022年24期

张晓，胡少兵，杨德宽，陈华，王军民

（1.长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 430100；2.中石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司，山东东营 257086；3.武汉长大物探科技有限公司，湖北武汉 430100）

近年来，随着我国自然环境不断改善，鸟类的数量日益增加，破坏农作物的事情也日益增多。因此，有必要在农作物即将成熟阶段，采取非捕杀式驱鸟措施，以保障农作物收成[1]。

目前，常用的驱鸟方式包括煤气炮驱鸟、语音驱鸟、超声波驱鸟、无人机驱鸟等。但这些驱鸟方式都有各自的缺陷或特定的使用环境，比如煤气炮爆破声大，驱鸟效果较好，但却要携带煤气罐，不够安全和环保；语音驱鸟和超声波驱鸟智能化程度高，在开始使用时驱鸟效果也不错，但时间长了，鸟类容易适应，使用效果会显著变差；无人机驱鸟只适合在中、高空使用，在果园中受到环境限制，且成本和能耗都较高[2-4]。

鉴于此，针对农田和果园的低空环境，设计了基于液电效应的驱鸟炮。该驱鸟炮可产生不低于煤气炮的爆鸣声，具有良好的驱鸟效果和较大的驱鸟范围，而且比煤气炮更为安全环保。

1 液电效应的基本原理

当给放置于液体中的正负电极施加脉冲高压时，电极间液体被瞬间击穿，形成放电通道，放电通道中的电流可达几十千安至几百千安，温度可达几千开尔文，在高温作用下，通道内的液体汽化并迅速膨胀，产生强大的冲击波和爆鸣声，如同炸药爆炸[5-8]。文中驱鸟炮即利用了液电效应将电能转化为声能的原理。

2 智能驱鸟炮设计

2.1 驱鸟炮整体设计

驱鸟炮系统整体设计如图1 所示。

图1 驱鸟炮系统整体设计

该驱鸟炮系统主要由四个部分组成：智能充放电控制单元（虚线框内部分）、12 V（50 Ah）锂电池、脉冲电容器、放电电极[9]。仪器工作时，智能充放电控制单元联通充电系统，断开放电开关，由12 V 锂电池给脉冲电容充电，直至脉冲电容达到额定电压值；然后断开充电系统，并导通放电开关，脉冲电容的储能会瞬间通过放电电极释放，产生爆鸣声。

2.2 智能充放电控制单元

智能充放电控制单元是该仪器的核心，包含遥控器、MCU主控单元、光电隔离、充电系统、放电开关。

2.2.1 遥控器设计

遥控器面板有两个功能键，若A 键持续按下超过5 s，驱鸟炮进入自动工作模式，将按照MCU 主控单元预置程序自动充放电；否则为手动模式，按下A键给脉冲电容充电，若想停止充电，只需再次按下A键，电能储存于脉冲电容，按下B 键即放电。

遥控器无线信号发送采用的是灵T3A 芯片，MCU 主控单元无线信号接收则采用的是灵R1L 芯片，这两款芯片是蜂鸟科技开发的配对收发芯片，最大收发距离为100 m。

2.2.2 MCU主控单元设计

采用STM32F103 作为主控单片机，这是当前最常用的单片机类型，文中省略其介绍[10-12]。其主要作用是接收遥控器发来的控制命令，按照命令选择不同的工作方式，并控制充电和放电系统的工作状态。

MCU 主控单元程序流程如图2 所示。

图2 MCU主控单元流程图

采用中断方式响应遥控按键。设置了两个状态标志，m 状态标志区分自动模式和手动模式，初始状态为0，当m=1 时为自动模式，驱鸟炮每隔5 min 自动充放电一次，m=0 时为手动模式，A 键控制充电，B 键控制放电；s 状态标志区分A 键是否已经被按下过一次，初始状态为0，s=1 表示A 键被按下过一次。

若有键按下，MCU 进入中断服务程序，首先判断目前是否在自动模式，若在自动模式，则判断是A键还是B 键按下，若是A 键按下，直接返回；若是B 键按下，接着判断是否持续按键超过5 s，如果没有直接返回，如果超过了5 s，立刻放掉已充的电，停止自动充放电状态，并将m 置零，然后返回。若在手动模式，则判断是A 键还是B 键按下，若是B 键按下，直接放电；若是A 键按下，判断A 键按下持续时间超过5 s否，不超过5 s，则认为是充电或停止充电命令，超过5 s 则进入自动充放电模式。

2.2.3 光电隔离电路设计

光电隔离电路采用的是HCNR201 芯片，电路图如图3 所示，该电路的主要作用就是防止充、放电系统的强电流影响MCU 主控单元[13]。

图3 光电隔离电路图

2.2.4 充电系统设计

充电系统框图如图4 所示，其主要包括固频变压器、三相变压器、三相整流器。

图4 充电系统电路框图

SPWM 固频变压器将12 V 直流电逆变为电压从0 V 到220 V 线性升压的400 Hz 三相交流电，线性升压的斜率受MCU 中的脉宽编码控制；从固频变压器出来的400 Hz 三相交流电经过三相变压器和三相整流器升压成0～10 kV 线性变化的直流电压给脉冲电容充电[14]。

2.2.5 放电开关设计

放电开关采用真空断路器结构，真空断路器在导通时，由于大电流以及横向磁场的影响，其触头会急剧发热，当触头接触时，其金属分子互相渗透，放电结束后，金属又会迅速冷却，导致两个触头就如同焊接在一块，不能弹开。因此，选择放电开关时，从两个方面进行了定制加工：第一，与材料商合作，在触头原有材料中加入稀土元素，使其保持良好导电性的同时，金属分子不易互相渗透；第二，改变触头接触面的面积大小、切口形状，增强其灭弧效果。

2.3 脉冲电容器

脉冲电容器属于金属化膜电容器的一种，也被称作储能电容器，其特点是能够较长时间持续充电，而在极短时间内放电，从而形成一个巨大的脉冲功率[15-16]。脉冲电容器充电后的总储能公式为：

式中，C为电容；U为电容的储能电压。

文中所用脉冲电容器额定电压为10 kV，电容为60 μF，理论储能3 kJ。

2.4 锂电池电源

该设计采用12 V、30 Ah 锂电池作为工作电源。经过现场测试，锂电池满电的状态下，可以支持驱鸟炮充电600 次以上。

假如驱鸟炮采用自动工作模式，每3 min 充放电一次，则每小时20次，以夏日白天14 h 工作时间算，总共需充放电280 次。因此，锂电池充满电可以工作两天。

2.5 放电电极设计与优选

放电电极俗称炮头，即使脉冲电容储能一样，不同类型的炮头发出的声音大小也有很大的区别。该设计中，制作了长短不一的两种炮头，并通过试验对比，加以优选。

炮头的主体是同轴放电电极，其轴心是由钨铜合金制作的正极，外壳是不锈钢负极，正负极之间是尼龙绝缘胶；长炮头则是在同轴放电电极的基础上焊接了加长外壳而制成的，因为液电效应需要正负极之间有水，加长外壳后可在炮管内盛水；短炮头则是在同轴电极上焊接了很短的一圈外壳。

采用同样的主机，脉冲电容充电至7 kV，分别对两种炮头进行放电试验，将分贝仪放在距离炮头5 mL处检测声压。试验数据如表1，观察试验现象发现，长炮头激发的声压比短炮头的低，但水花喷射得却更高，考虑到该设计的主要目的是发声驱鸟，因此优选短炮头。

表1 长短驱鸟炮头声压试验数据

由于液电效应需要炮头的正负电极被水淹没，当把短炮头垂直向上放置时，其筒内可装入50 mL水，根据自动放炮间隔时间，控制补水装置的给水量，每次在放炮间隔时间自动补满50 mL 水。

3 现场试验与分析

为了验证驱鸟炮的实际使用效果，在长江大学武汉校区附近的姚家岭生态园进行了现场试验，该生态园有一万平米左右的果园。

该次试验主要是为了测试驱鸟炮的有效范围。采用的是手动放炮方式，每次电容充电至7 kV；采用短炮头，放炮后手动补水；设计了等间距的10 个测量点，最近的测量点距离炮头5 m，最远的50 m，每个测量点利用分贝仪测5 次声压，对5 次测量结果取平均作为该测量点的声压，试验数据如表2 所示。

表2 驱鸟炮果园现场声压试验数据

与表2 对应的声波衰减曲线如图5 所示。

图5 声波衰减曲线

其拟合公式为：

果园试验结果表明，在距离炮头25 m 范围以内，声压超过100 dB，现场试验人员感觉有巨大声响，观察周遭鸟类反应，都直接飞走，说明25 m 内驱鸟效果为100%；在距离炮头50 m内，声压依然超过90 dB，现场试验人员感觉有较大声响，周遭鸟类部分飞走，还有少部分左右观察，在连续几次爆炸过后，也全部飞走，根据观察统计，在距离炮头50 m处，单炮驱鸟效果约为80%，而多次放炮的驱鸟效果为100%。因此，认为该驱鸟炮在果园中的有效驱鸟半径约为50 m，守护面积接近10 000 m2。