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基于433MHz无线通信的机场遥控驱鸟系统设计毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

航空业是国家发展的重要基石,维护航空安全是航空业发展的重中之重。随着国家综合实力的提高以及人民生活条件的完善,航空业的发展也得到了迅速的发展。虽然航空业在运输载货、出行、救援等方面反应迅速,但也存在很多隐患,比如鸟撞事故。鸟撞事故造成飞机失事时有发生,对飞行安全带来巨大的损害。如何有效探鸟、驱鸟,防止鸟撞事件成为了航空安全亟需解决的难题。本文在综合现有的各类机场驱鸟系统的基础上,设计了一种基于433MHz无线通信的机场遥控驱鸟系统。系统以51单片机为主控模块,通过PCF8591芯片的A/D与D/A转化功能实现电子引信的发射与电压检测,再利用433MHz无线通信模块实现上位机与主控模块之间的通信,以C语言和高级编程语言Delphi 7.0,实现远距离驱鸟弹检测和遥控发射的目的。

关键词:驱鸟系统;51单片机;PCF8591芯片;电子引信发射;电压检测

Abstract

Aviation industry is an important cornerstone of national development, and maintaining aviation safety is the top priority in the development of aviation industry. With the improvement of the national comprehensive strength and the improvement of people's living conditions, the development of the aviation industry has also been rapidly developed. Although the aviation industry has responded quickly in terms of transportation, transportation and rescue, there are many hidden dangers, such as bird strike. The bird strike accident causes the airplane crash from time to time, brings the huge damage to the flight safety. How to effectively detect and drive birds and prevent bird collisions has become a problem that aviation safety urgently needs to solve. In this paper, based on the integration of various existing airport bird driving systems, a remote control bird driving system based on 433MHz wireless communication is designed. The system takes 51 single-chip microcomputer as the main control module, realizes the emission and voltage detection of electronic fuze through the A/D and D/A conversion function of PCF8591 chip, and then USES 433MHz wireless communication module to realize the communication between the upper computer and the main control module, and USES C language and high-level programming language Delphi 7.0 to realize the purpose of long-distance driving bird bomb detection and remote control transmission.

Key Words: bird driving system; 51 single chip microcomputer; PCF8591 chip; electronic fuze emission; voltage detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题来源 1

1.2 研究介绍、目的、意义 1

1.2.1 国内外现状 1

1.2.2 驱鸟原理 2

1.2.3 驱鸟方式的不足 2

1.2.4 驱鸟炮的优点 3

1.3 功能要求与设计简介 3

1.4 研究方法与时间安排 4

1.4.1 研究方法 4

1.4.2 时间安排 5

1.5 本文研究内容 5

1.5.1 研究主要内容 5

1.5.2 各章节内容分配 7

1.6 本章小结 7

第2章 软硬件理论知识学习 8

2.1 无线通信网络 8

2.1.1 无线通信网络的定义和分类 8

2.1.2 无线组网技术的简介 8

2.1.3 无线组网技术的应用 9

2.1.4 无线串口模块的介绍和工作原理 9

2.1.5 本设计所需通信协议介绍 11

2.2 USB通信原理  11

2.2.1 USB传输原理 11

2.2.2 USB转串口模块介绍 13

2.3 基于PCF8591的AD转换 14

2.3.1 A/D转换简介 14

2.3.2 PCF8591芯片的介绍和工作原理 14

2.4 51单片机串口中断 16

2.4.1 串口中断重要理论知识介绍 16

2.4.2 单片机串行口通信初始化设置 18

2.5 三极管与MOS管开关电路 19

2.5.1 开关电路原理 19

2.5.2 图腾柱驱动电路原理 21

2.6 本章小结 22

第3章 设计方案 23

3.1 总体构想 23

3.1.1 系统功能 23

3.1.2 系统组成 24

3.1.3 可行策略及方案选择 24

3.2 设计方案 27

3.2.1 硬件设计之驱鸟炮控制模块设计 27

3.2.2 硬件设计之上位机无线通信模块设计 27

3.2.3 软件设计之单片机软件设计 31

3.2.4 软件设计之上位机软件设计 34

3.2.5 软件设计之通信协议设计 36

3.2.6 系统配置方案 37

3.2.7 创新点 38

3.3 仿真试验 38

3.3.1 样机设计 38

3.3.2 试验 40

3.4 本章小结 43

第4章 总结与展望 45

4.1 总结 45

4.2 展望 46

参考文献 48

致 谢 49

第1章 绪论

1.1 课题来源

本设计来源于武汉天汉达科技发展有限公司和空军机场联合而研发的一种机场一键式无线驱鸟设备。一键式无线驱鸟设备的可靠性高、安全、反应速度快、误码率低、阻塞率小,是一种适用范围广、操作简易、快捷的驱鸟设备。本文将基于一键式驱鸟系统,从其硬件模块(发射电路和检测电路)和软件模块(单片机软件编程、上位机软件)出发,进行驱动和检测电路上的创新,以及软件编程的更新,利用本科阶段所学电路分析以及单片机编程的专业知识,从设计的角度出发,搭建出一台一键式驱鸟样机,完成一键式无线驱鸟设备的基础功能。

1.2 研究介绍、目的、意义

1.2.1 国内外现状

随着生活水平和经济条件的提高,航空安全问题逐渐成为整个民航业和公众关注的焦点,而“鸟击”问题则是长期困扰着航空界,威胁飞行安全的一个国际性的难题。随着飞机数量的逐渐增加,飞机类型的不断扩充,飞行航线的日益庞大,发生鸟击事件的概率也随之增大。媒体对于鸟击导致飞行事故的报道也越来越多,相关统计报告的出现也越来越频繁,飞行安全面临的威胁也越来越大。

根据国际民航组织统计,每年收到飞机撞鸟事件报告就高达5000-6000份,90年代以来,世界各国鸟撞事故大幅度增加。平均每年发生的鸟撞事故的次数也越来越多。时至今日,鸟击事件在美国空军中发生共约3000多起,在英国空军中发生共约850多起,在德国空军和民航发生共约1400多起。鸟撞事故给世界各国造成了巨大的财产损失和人员伤亡影响。随之,国际航空联合会已把鸟害升级为“A”类航空灾难。据统计,全世界范围内,每年大约发生1万次鸟撞飞机事件。

据《中国民航飞机鸟击事件统计分析与研究》[1]统计,2002年到2013年民航鸟撞次数从罕见上升到年1800起。从《2018年1-6月中国民航安全信息统计报告》[2]中可知,从2013到2018年对应月的鸟撞事故次数,总体上有一定程度的增加。尤其在航运旺季,发生事故次数较多。通过报告可知,2018年1-6月民航飞行事故征候主要类型中鸟撞事占比高达43.26%。

鸟类在生态系统和环境保护中有着重要的作用,许多鸟类已经濒临灭绝,我们应该在不伤害或尽可能不伤害鸟类的条件下去尽力解决机场鸟害。因此如何安全、合理、有效的防治鸟撞事件,为飞机起飞和降落提供一个净空状态已经是世界范围内航空界所共同面对的重大难题。

1.2.2 驱鸟原理

驱鸟工作是指军用或者民用机场通过各种驱鸟手段在飞行器起飞或者是着陆之前对机场内的鸟类进行驱赶,降低飞行器与鸟类发生碰撞的几率。很多专家都曾对目前机场中常用的驱鸟方式做出归纳和总结,查阅资料后,可从文中可以总结出驱鸟方式的主要原理有以下几点[10]

  1. 物理驱鸟:使用驱鸟网、捕杀和驱鸟剂等驱鸟。
  2. 视觉驱鸟:利用鸟类的视觉模糊特点,对鸟类造成视觉上的干扰。并且视觉驱鸟可通过与激光技术的结合形成了激光驱鸟。
  3. 声音驱鸟:鸟类对部分声音的敏感度,从而造成其惊恐而飞走的效果。目前机场上常用的声音驱鸟有煤气炮、二踢脚炮、钛镭炮驱鸟、超声波驱鸟等。
  4. 生物驱鸟:一种方式是破环机场鸟类适应的栖息环境;另一种方式是通过种绿引鸟。

1.2.3 驱鸟方式的不足

目前国内机场在选择用驱鸟技术的时候,主要是根据驱鸟效果以及驱鸟成本两项指标,虽然上文中对目前国内外用到的驱鸟技术进行了描述,但是目前机场最常用的驱鸟技术是声音驱鸟和视觉驱鸟,分析这两种技术的驱鸟设备或者驱鸟方式。他们的性价比较高,但是也存在以下不足之处:

  1. 为了不影响飞机起飞降落,驱鸟设备只能安装到距离跑道较远的位置,受驱鸟范围的限制,这就导致跑道上或者是跑道周围的区域得不到最佳驱鸟效果。
  2. 驱鸟设备长期安装在机场跑道之间,常年经受风吹日晒或者其他不利天气,导致设备的发射精确度和测量精度大大降低,并且有很大可能损坏设备,后期维护成本大大提高。
  3. 驱鸟设备大多比较独立,仅对机场局部驱鸟有效,没有从机场整体出发,无法形成高效的全局控制,且不同机场所处的环境气候,地理条件不同,很难达到因地适宜的地步。
  4. 驱鸟效果方面,由于缺乏对鸟类心理以及鸟类习性的研究,容易出现鸟类重返,鸟类产生适应性等现象,不能长期驱鸟,无法达到预防的效果。
  5. 部分驱鸟器利用声音刺激,但驱鸟器的存储器比较小,难以存储更多声音,且很难独立供电。甚至过大的声波会损害鸟类听觉系统,甚至对机场的乘客或者工作人员造成很大的影响。

以上问题的有效解决能够在一定程度上弥补目前机场驱鸟方面的不足,能够进一步提高机场驱鸟的效率。

1.2.4 驱鸟炮的优点

相比其他驱鸟手段,驱鸟炮有很多特点如下所述。

  1. 驱鸟炮的炮种有煤气炮、钛雷炮、二踢脚炮等。不同炮种有其发射高度,针对飞机起飞或者降落都有其保护方式,几乎不会出现超出驱鸟炮工作范围的鸟类存在区域。
  2. 驱鸟炮炮台体积较小,炮体设计精密,可在机场长年累月的暴晒或者阴雨天气下维持其工作能力,并且移动轻便,随着鸟类聚集地的改变可以做出炮台位置针对性的改变。
  3. 驱鸟炮在机场较为空旷,且空气流通的环境发射炮弹对环境和人体影响很小,较红外驱鸟、超声波驱鸟等方式,更加简单,隐藏危害较小。

针对环境保护问题,驱鸟炮并不会伤害鸟类,只是驱赶,这一点是很符合环保观念的。

1.3 功能要求与设计简介

本设计需通过硬件电路搭建和软件编程,在433MHz频率下,波特率可调,空中速率2048bps,最大反应时间为1秒等条件下,做出驱鸟样机实物样机,在实验室里,实现驱鸟系统和上位机两位置之间的数据收发、电子引信发射和电压检测。

国内外对于机场驱鸟的手段选用参差不齐,比如超声波驱鸟、红外驱鸟、异类声音驱鸟等等。本设计从保护环境已经保护鸟类的目的出发,以“驱鸟而不伤害鸟”为工作标准,设计出利用以电子引信作为驱动负载,使其到达熔点从而引燃炮弹的原则。本设计可利用的炮型有二踢脚炮、钛雷炮、煤气炮等,均可通过电子引信驱动其发射。

设计所用电子引信是一个3到5欧姆电阻的“升级版”,这种电阻质地良好,很难被熔断(即使在5V左右电压下)。经现场测试,在3-3.3V左右即可到达它的燃烧阈值,或者加入550mA电流时同样可到它的燃烧阈值。需要注意的一点就是它的阻值较小,一般需要在电路中利用继电器、MOS管或者三极管来完成过压保护。在电子引信的电阻丝外部包着一个耐高温的保护套,其目的是减缓驱鸟炮在外界长期风吹雨打条件下,电子引信电阻丝部分变锈或者氧化的速度。在保护套下从电阻两段引出两根线,这两根线可以插入驱鸟炮的引信插入端,为发射炮弹做好准备。经现场测试,在引信插入端可能会生锈,从而影响发射效果或控制效果,在实地操作的时候要注意这一点。

配有驱鸟设备的机场都有着属于自己的驱鸟手段。有些机场附近绿化情况较差,几乎没有鸟类,所以鸟类造成的鸟击事件发生概率很小,此类机场安装驱鸟设备的必要性不是太高。但有些机场周围绿化效果较好,且天气状况长期较好,这样自然就会有鸟类、蝙蝠等干扰飞机起飞、降落,在此类环境安装驱鸟炮是非常有必要的。但是驱鸟方式也得根据机场状况或者周围环境决定。

若机场接近居民区,这类机场就得考虑用超声波、次声波或者红外装置驱鸟是否会干扰到人类的正常生活。若机场的天气状况长期不佳,阴雨连绵,此时暴露在雨天的驱鸟炮的电子引信端则较容易生锈,若长期暴露在阳光下,则容易被氧化,大大影响发射和检测质量。针对这些种种外界影响,本设计的驱鸟炮炮体材料耐氧化、耐高温、较难生锈,且为电子引信包装了保护套。

虽然传统的炮击方式所发射的炮弹对环境不太友好,但通过完善炮筒的设计,可以减少这个方面的环境的影响,且炮击驱鸟不会像声波驱鸟那样对周围环境造成声波影响,或对鸟类听觉系统造成影响。也不会像异类声音驱鸟那样让鸟类产生适应,从而不能达到驱鸟的效果。另外,驱鸟炮驱鸟的方式较为简单,可利用远距离通信控制。若想更加精确地监察现场情况,可在机场安装视频监控设备,配合上位机的软件快捷地了解驱鸟炮电子引信情况。

当然,还可以通过遥控设备进行机场人工控制,遥控设备的好处就是工作人员可以身处现场,实地的检查驱鸟炮电子引信的状态,随时更换坏掉的引信,提高发射效率。

1.4 研究方法与时间安排

1.4.1 研究方法

本设计题为“基于433MHz无线通信的机场遥控驱鸟系统设计”,需要进行硬件电路设计与仿真,以及软件编程,最后需要做出驱鸟炮样机。针对此综合性较强的设计要求,我将通过以下研究方法来逐步完成毕业设计,图1.1为本研究的方法图。

第一个阶段是理论学习阶段,由于本设计综合性较强,所以需要充足的理论知识作为保障。在这个阶段需要明确设计中所需要的芯片(如89C51、PCF8591)的工作原理,对IIC总线的A/D转换原理、数据进制转换原理、无线串口通信原理、USB工作原理、通信协议设置原理、Delphi 7.0高级软件编程原理、单片机串口通信原理、开关与图腾电路工作原理等进行深入学习,为下一阶段的软硬件设计打下基础。这一阶段的学习是基于本科阶段的无线通信网络知识、模数电知识、电路分析知识、单片机编程知识,但还需要在此基础上作以扩展。

第二阶段是软硬件设计阶段。本阶段需要在Altium Designer软件中提前绘制好电路图,再将电路图展现在Proteus仿真软件上,随后利用Keil编程软件,基于整个设计模块,进行软件编程,最后将生成的Hex文件加载到Proteus中已绘制好的电路图中,开始模拟仿真。若仿真效果不佳,则需要考虑具体因素,若仿真效果较好,则可以通过完善电路,设计保护电路,随后焊接实物电路。

第三阶段是试验验证阶段,此阶段可在室内或者室外设定两个不同地点,一处安排上位机,另一处安排发射模块,通过为无线串口安装天线,来测试两者间的通信状况,并拍照纪录。

图1.1 研究方法图

1.4.2 时间安排

1. 利用试验板,搭建电子引信发射/检测电路。(三个工作日完成此项工作)

2. 熟悉433MHz无线模块通信原理,实现计算机和无线模块,与试验板和无线模块之间的通信。(七个工作日完成此项工作)

3. 设计通信协议,确保计算机与试验板之间能正常收发数据。主要为:计算机到试验板可发送控制命令;试验板到计算机可发送电子引信状态和电源电压。(三个工作日完成此项工作)

3. 两个工作日完成验试。

4. 七个工作日完成论文的撰写。

1.5 本文研究内容

1.5.1 研究主要内容

本文题为“基于433MHz无线通信的机场遥控驱鸟系统设计”,本设计主要针对飞机起飞或降落过程中受到的鸟撞事件,并做出必要的针对性措施,本文的主要研究内容如下所述。

第一,电子引信发射电路的设计和电子引信电压状态检测电路的设计。第二,无线通信网络的搭建以及无线通信模块间的串口通信。第三,模数转换电路的设计与扩展。这三点是本文的主要研究内容。

针对第一点主要研究内容,利用MOS管和三极管组成公共开关电路,当使用MOS管驱动电子引信负载时,三极管部分驱动电路不工作。电路的工作原理为利用MOS管和三极管的导通特性通过调节栅极与源极或基极与发射极的电压来控制“开关”的通断。针对第二点主要研究内容,利用RS485模块,结合无线串口实现上位机网络串口的搭建。利用单片机与无线串口模块的合理连接通信,实现远端发射端网络串口的搭建。通过串口通信和数据包的收发,可以完成此项工作。针对第三点主要研究内容,采用8位A/D转换芯片PCF8591进行远端实时测量数据的数字化,从而形成符合数据包发送的数据格式,发送给上位机。

上述三项工作是本设计的主要研究方面,当然还有部分软件的设计,也是为毕业设计添光加彩的部分。

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