畢業(yè)論文：高壓送電線路驅(qū)鳥器的飛鳥光電探測方法

目錄/提綱：……
一、介紹
1、使用光電轉(zhuǎn)換方法從基站傳輸能量到設(shè)備上
2、添加作為輔助電源的太陽能電池板
3、直接從高壓電線獲取能量
二、驅(qū)鳥阻斷
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
四、感應(yīng)電源
五、實驗結(jié)果
六、結(jié)論
七、致謝
……
畢業(yè)論文：高壓送電線路驅(qū)鳥器的飛鳥光電探測方法

摘 要
高壓送電線路的鳥害事故是送電線路安全運行的一大隱患，如何找到較好的與鳥和諧共處的辦法， 在不傷害鳥類的前提下，把鳥無論是飛行碰撞還是棲息筑巢對電力系統(tǒng)的影響減少到最低限度， 是國內(nèi)外共同關(guān)注的問題。為此，介紹一種用于高壓送電線路驅(qū)鳥器的飛鳥光電探測方法，并開發(fā)出一種驅(qū)鳥裝置，利用超聲波和強(qiáng)閃光驅(qū)鳥，具有低成本，免維護(hù)，可靠性高等特點。實際使用效果表明，此新型光電目標(biāo)識別驅(qū)鳥器能效果良好，適合不同的驅(qū)鳥場所。

關(guān)鍵詞：高壓送電線；光電探測；單片機(jī)；超聲波；大功率LED；太陽能

ABSTRACT
The bird damage incidents of the high-voltage power transmission sequence have been the serious hidden danger to the safe operation of the transmission line. We should not harm birds，in the conte*t，how to find a better way to live in harmony with the birds and minimize the impact of nesting birds or flight collision on the power system is the domestic and international issues of common concern.A new photoelectric detection method for the birds nearby the high-voltage power transmission sequence is proposed and a bird repellent device is developed. We use ultrasonic wave and strong flash light to drive birds. The device has the characteristics of low-cost，maintenance-free and high reliability. The result shows that we can probe the birds efficiently and the device is suit for different places.
Keywords: high-voltage power transmission sequence；photo-detection；Micro Controller Unit；ultrasonic wave；high-power LED；solar energy



目 錄
第一章 前言……………………………………………………………………4
第二章 驅(qū)鳥器系統(tǒng)的組成…………………………………………………5
第三章 光探測模塊……………………………………………………………7
3.1 原理………………………………………………………………………7
3.2 探測方法…………………………………………………………………10
3.3 實驗結(jié)果與分析…………………………………………………………11
3.4 結(jié)論………………………………………………………………………14
第四章 電源模塊………………………………………………………………14
4.1 太陽能電池………………………………………………………………14
4.2 蓄電池……………………………………………………………………17
4.2.1 蓄電池的選擇………………………………………………………17
4.2.2 蓄電池容量的計算…………………………………………………17
4.2.3 蓄電池充電的方法…………………………………………………18
4.2.4 溫度補(bǔ)償……………………………………………………………18
4.3 MPPT（最大功率點跟蹤的實現(xiàn)）………………………………………19
4.4 基于UC3906的充電電路的設(shè)計………………………………………20
4.4.1 UC3906的內(nèi)部結(jié)果及工作原理…………………………………21
4.4.2 UC3906的三種充電狀態(tài)…………………………………………22
4.4.3 充電電路的設(shè)計……………………………………………………22
第五章 執(zhí)行模塊…………………………………………
……（新文秘網(wǎng)http://www.120pk.cn省略3135字，正式會員可完整閱讀）……　
（3.3）
當(dāng) 、 不變時，探測器探測到的飛鳥信號寬度不但與距離和飛行速度有關(guān)，還與飛行角度有關(guān)。如果直接將兩個探測器的信號進(jìn)行相關(guān)運算，并不能獲得目標(biāo)信號的最大相關(guān)函數(shù)。解決此類問題的一個辦法是通過時域縮放將兩個探測器的目標(biāo)信號調(diào)整成同樣寬度，再進(jìn)行相關(guān)運算。
探測器D2相對于D1的目標(biāo)信號展寬系數(shù)定義為

由式（3.1）、（3.3）可得
（3.4）
式（3.4）表明信號展寬系數(shù)是飛行角度的函數(shù)，在短時間內(nèi)可認(rèn)為飛鳥直線飛行，因此每一次探測中 不變。圖3.1.2為時域展寬系數(shù) 與飛鳥飛行角度 （與探測平面夾角）的關(guān)系曲線。從圖中可以看到，目標(biāo)信號寬度隨飛行角度的變化很大，并且在-60~60度范圍內(nèi)展寬系數(shù) 為有限值。

圖3.1.2 時域展寬系數(shù) 與飛鳥飛行角度（與探測平面夾角）的關(guān)系曲線

對D2的探測信號進(jìn)行時域變換后，目標(biāo)信號函數(shù)可表示為f ，于是兩探測器的目標(biāo)信號相關(guān)函數(shù)可寫為
（3.5）
模擬計算了h＝0.15m， v=6m/s， l=5cm，L1分別為1m 、2m、4m、6m、10m和20m時兩個探測器目標(biāo)信號最大相關(guān)函數(shù)值與飛行角度關(guān)系如圖3.1.3所示。


圖3.1.3 目標(biāo)信號相關(guān)函數(shù)與飛鳥飛行角度（與探測平面夾角）的關(guān)系
（其中a， L1＝1m b， L1＝2m c， L1＝4m d， L1＝6m e， L1＝10m f， L1＝20m）




圖3.1.4 目標(biāo)信號最大相關(guān)函數(shù)值隨 變化曲線

圖3.1.4為目標(biāo)信號最大相關(guān)函數(shù)值與 的關(guān)系曲線。由圖3.1.3、圖3.1.4可知，飛鳥飛行角度（與探測平面夾角）θ≤60°，即信號展寬系數(shù) 大于0.35時，目標(biāo)信號最大相關(guān)函數(shù)值都不為0，可以用于目標(biāo)檢測判斷。

3.2 探測方法
采用上述飛鳥目標(biāo)探測原理的關(guān)鍵問題是如何獲得信號展寬系數(shù) 。當(dāng)目標(biāo)信號幅度遠(yuǎn)大于背景干擾信號時，通過直接測量目標(biāo)信號脈沖寬度很容易得到 值，然而由于高壓送電線路的背景光信號變化多樣，干擾信號強(qiáng)度不可預(yù)計，很難獲得單一的飛鳥目標(biāo)光脈沖信號，無法直接獲得信號展寬系數(shù) 值，為此我們采用 遞增檢測方法，即通過不斷改變 值，通過信號相關(guān)處理依次檢測最大相關(guān)函數(shù)值以確定飛鳥目標(biāo)是否存在。探測方法和信號處理過程為：采用4*4光探測器陣列，16個光探測器信號經(jīng)過模擬開關(guān)依次讀入信號處理單元，形成一幀信號，幀頻為2幀/秒，然后采集前后兩幀信號進(jìn)行時域變換相關(guān)處理。為了提高信號處理速度并獲得雙極性信號，首先對原始信號進(jìn)行放大限幅，變?yōu)槎娖叫盘柡笤俳?jīng)過微分電路，最后進(jìn)行電子相關(guān)信號處理，如圖3.2.1所示。圖中時域變換器用于實現(xiàn)信號時域 倍展寬， 分別取值為0.5、0.6、0.8、1、1.2、1.5、2，對應(yīng)飛行角度θ基本等間隔（見圖4）；延時器用作相關(guān)運算的信號延時，延時量為50~500ms連續(xù)變化，這里避開0~50ms延時處理，是為了消除靜態(tài)目標(biāo)和外界背景光的變化影響。信號處理時對每一個 值都要進(jìn)行一次相關(guān)運算，因此采用7路相關(guān)器并行處理，輸出信號為7路信號的疊加。
圖3.2.1 電子相關(guān)信號處理原理圖

3.3 實驗結(jié)果與分析
圖3.3.1為實驗測得飛鳥模型在5米遠(yuǎn)處以速度6米/秒、飛行角度分別為-30°、-45°和-60°（與探測平面夾角）時的相鄰兩幀信號限幅放大波形圖。
θ＝-30° θ＝-45° θ＝-60°

圖3.3.1 飛行角度分別為-30°、-45°和-60°時的相鄰兩幀信號限幅放大波形圖

根據(jù)圖3.1.2數(shù)據(jù)可得：θ＝-30°時，k=1.2； θ＝-45°時，k=1.5； θ＝-60°時，k=2。實驗數(shù)據(jù)與圖3.1.2理論曲線有較大差異，其原因是理論分析中忽略了探測器的面積，但不影響處理方法的正確性。
圖3.3.2給出了微分整形電路輸出信號的相關(guān)函數(shù)輸出曲線


圖3.3.2 時域展寬系數(shù) 與飛鳥飛行角度（與探測平面夾角）的關(guān)系曲線
將kt的值代入（3.5）式中，可得：θ＝30°時， ＝0.0774；θ＝45°時， ＝0.0710；θ＝60°時， ＝0.0633。由圖3.3.3可知隨著角度的增加， 的值是減小的。

圖3.3.2 目標(biāo)信號相關(guān)函數(shù)與飛鳥飛行角度（與探測平面夾角）的關(guān)系曲線

送電線路大多在戶外，在對飛鳥進(jìn)行光電探測的同時，也有其他因素會導(dǎo)致光強(qiáng)變化，如樹葉的擺動、電線的搖晃及天氣的明暗變化等。對于樹葉的擺動和電線的搖晃，一般情況下，樹葉擺動和電線的搖晃幅度相對于鳥類飛行的幅度都小得多（飛行角度（與探測平面夾角）可視為0），所以得到的信號寬度tb非常小，由式（3.5）可知，得到的信號相關(guān)函數(shù) 也非常小。此時，時域展寬系數(shù)kt＝1，所測得信號如圖3.3.3所示，

圖3.3.3 樹葉擾動時所測信號
由上圖可讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)由（3.5）式計算可得： ＝5*10-5，知此時信號是不相關(guān)的，在本探測方法中，此類信號將會被視為無用信號，所以樹葉的擺動和電線的搖晃不會對信號產(chǎn)生誤擾。
對于天氣的明暗變化，此時各個探測器所探測到的光強(qiáng)度變化是同步的，信號的時域展寬系數(shù)kt為1，且信號延時τ為零，可將這些信號視為是同一個信號。此時探測器所測得信號如圖3.3.4所示，

圖3.3.4 天氣明暗變化時所測信號
由上圖可讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)由（3.5）式可知 ＝0，可知此時信號是不相關(guān)的，在本探測方法中，此類信號將會被視為無用信號，所以天氣明暗的變化不會對信號產(chǎn)生誤擾。
由上分析可知，樹葉的擾動和天氣的明暗變化所產(chǎn)生的信號，在本探測方法中都不會被采用，即不會產(chǎn)生誤擾。

3.4 結(jié)論
上面討論了一種對高壓送電線路附近飛鳥進(jìn)行光電探測的方法，應(yīng)用信號相關(guān)技術(shù)對信號進(jìn)行處理，最后對信號相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析，得出最佳探測角度為0≤θ≤60°，并通過實驗驗證了該理論的可行性。實驗結(jié)果表明，該方法可以有效地檢測到高壓送電線路附近飛過的飛鳥，對樹葉的擺動，電線的搖晃及天氣的明暗變化等所引起的誤擾可以進(jìn)行有效的屏蔽。


第四章 電源模塊


圖4.1 電源模塊的構(gòu)成框圖

如圖4.1所示為太陽能供電系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。其中MCU控制器是系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)工作時通過控制器實現(xiàn)對工作狀態(tài)的控制和對蓄電池充放電過程的管理，以使系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下均能穩(wěn)定地工作。備用電源是為了在連續(xù)長時間出現(xiàn)陰雨天時直接向負(fù)載提供電能，以保證驅(qū)鳥器的執(zhí)行模塊（超聲波換能電路和強(qiáng)閃光模塊）在蓄電池不能供電時也能正常工作。蓄電池供電與備用電源供電間的切換由控制器實現(xiàn)。

4.1 太陽能電池板
太陽能電池板同晶體管一樣，由半導(dǎo)體組成的，主要材料是硅，也有一些其他合金。它的表面由兩個性質(zhì)各異的部分組成。當(dāng)受到光的照射時，能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽闺娏鲝囊环搅飨蛄硪环�。太陽能電池板只要受到陽光或燈光的照射，一般就可發(fā)出相當(dāng)于所接收光能1/10 的電能。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，一般在上面蒙上了一層防止光反射的膜，使太陽能電池板的表面呈紫色。光伏組件在白天吸收光照，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存在太陽能電池內(nèi)。一般晴天時，在理想的光照強(qiáng)度下，充滿電只要4小時。本系統(tǒng)采用15 V太陽能電池板，實際測得電池板兩端供電電壓為17 V～20 V，充電電流為200 mA ~ 800 mA。





圖4.1 太陽能電池的輸出特性曲線

圖4.1是在一定溫度時， 不同光照強(qiáng)度下太陽能電池的輸出特性曲線。由圖4.1所示的功率電壓曲線可以看到， 每條曲線都存在著一個最大功率輸出點，并且這個最大功率點在當(dāng)前的光照條件下是惟一的。
在太陽能供電系統(tǒng)中，太陽能電池的價格最高，是系統(tǒng)成本的最主要部分。欲使該太陽能供電系統(tǒng)得到推廣應(yīng)用，就必須降低系統(tǒng)的運行成本。在太陽電池價格居高不下的情況下，提高太陽電池的利用率就成了一種最有效的降低成本的方法。而要實現(xiàn)這一點，就需要對太陽電池進(jìn)行MPPT（最大功率點跟蹤控制）。

4.2 蓄電池
太陽能電池電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池。與太陽能電池方陣配套的蓄電池通常工作在浮充狀態(tài)下， 其電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化。它的容量比負(fù)載所需的電量大得多。蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響。為了與太陽能電池匹配， 要求蓄電池工作壽命長且維護(hù)簡單。

4.2.1 蓄電池的選擇
能夠和太陽能電池配套使用的蓄電池種類很多， 目前廣泛采用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池三種。國內(nèi)目前主要使用鉛酸免維護(hù)蓄電池， 因為其固有的“免”維護(hù)特性及對環(huán)境較少污染的特點， 很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng)， 特別是無人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要經(jīng)常維護(hù)及其環(huán)境污染較大， 所以主要適于有維護(hù)能力或低檔場合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能， 但由于其價格較高， 僅適用于較為特殊的場合。

4.2.2 蓄電池組容量的計算
蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的。在一年內(nèi)， 太陽能電池方陣發(fā)電量各月份有很大差別。方陣的發(fā)電量在不能滿足用電需要的月份， 要靠蓄電池的電能給以補(bǔ)足；在超過用電需要的月份， 是靠蓄電池將多余的電能儲存起來。方陣發(fā)電量的不足和過剩值， 是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。所以，期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。因此， 蓄電池的容量Bc計算公式為:
Bc=A*Ql*Nl*To/Cc
式中: A 為安全系數(shù)， 取1.1～1.4 之間;
Ql 為負(fù)載日平均耗電量， 為工作電流乘以日工作小時數(shù);
Nl 為最長連續(xù)陰雨天數(shù);
To為溫度修正系數(shù)， 一般在0℃以上取1， -10℃以上取1.1， - 10℃以下取1.2;
Cc 為蓄電池放電深度， 一般鉛酸蓄電池取0.75， 堿性鎳鎘蓄電池取0.85。
根據(jù)本系統(tǒng)要求，通過計算，選用12V 7Ah 免維護(hù)鉛酸蓄電池。

4.2.3 蓄電池充電的方法
蓄電池的使用， 歸根結(jié)底是如何利用蓄電池的充放電特性。有效、科學(xué)地使用蓄電池， 對提高蓄電池的使用效率、延長蓄電池的使用壽命， 十分關(guān)鍵。
對于一個蓄電池而言， 選擇適當(dāng)?shù)某潆姺椒ǎ?不只可以延長蓄電池的使用壽命，而且還可以提高充電效率。這就需要準(zhǔn)確判斷蓄電池的充電狀態(tài)從而選取充電電路的工作狀態(tài)�？刂破魇褂玫某潆婋娐凡扇×丝斐洹⑦^充、浮充3 個階段的充電方法:
1) 快充階段: 初充電時，蓄電池電量少，端壓處于下限值，但電流接受能力較大。此階段蓄電池的電流接受能力大于太陽能電池的輸出能力，可以采取快充。此時，只需考慮如何實現(xiàn)太陽能電池的最大功率輸出�？刂破鲗崿F(xiàn)了太陽能電池最大功率點的一階跟蹤。充電過程中， 電路檢測蓄電池端電壓。當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限值后， 充電電路轉(zhuǎn)到過充階段。
2) 過充階段: 在過充階段， 充電電路對蓄電池提供一個較高電壓Voc，同時檢測充電電流。當(dāng)充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值Ioct時， 認(rèn)為蓄電池電量已充滿， 充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。
3) 浮充階段: 在浮充階段， 電路給蓄電池提供一個精確的、帶溫度補(bǔ)償功能的浮充電壓Vf。

4.2.4 溫度補(bǔ)償
蓄電池在充滿電后， 保持電量的最好方法就是加一個恒定電壓到蓄電池上。這對充電電路提出了提供合適浮充電壓的要求。浮充電壓值既要足夠大，能補(bǔ)償蓄電池的自放電電流; 又不能太大， 以免導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部因過充而發(fā)生化學(xué)成分的分解。在適當(dāng)?shù)母〕錉顟B(tài)下， 全封閉免維護(hù)鉛酸蓄電池能夠穩(wěn)定工作6～10a。而浮充電壓即使只有5% 的偏差，也會使蓄電池的壽命減半。
必須考慮的是，鉛酸蓄電池的電壓特性具有明顯的負(fù)溫度系數(shù)， 2V的電池約為- 4.0mV/℃。也就是說， 一個在25℃能夠正常工作的充電器， 在0℃時就不能提供和保持足夠的電量；相對地，50℃時這個充電器會導(dǎo)致嚴(yán)重的過充。合理考慮溫度變化范圍，充電器應(yīng)該根據(jù)蓄電池的溫度系數(shù)給予某種形式的補(bǔ)償。
實際應(yīng)用中，利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻RT對蓄電池過充保護(hù)、浮充和恢復(fù)點電壓進(jìn)行自動溫度補(bǔ)償。通過不斷檢測其兩端電壓值，來判斷當(dāng)前的環(huán)境溫度，對蓄電池過充保護(hù)、恢復(fù)點電壓和浮充電壓進(jìn)行自動溫度補(bǔ)償，從而確定當(dāng)前狀態(tài)下蓄電池的過充點保護(hù)電壓、恢復(fù)電壓和浮充電壓。在程序設(shè)計中通過調(diào)表程序來實現(xiàn)這一功能。采取式(7)確定浮充電壓Vf， 其中Vfo和To分別為基準(zhǔn)點的電壓和溫度值，C為電壓溫度系數(shù)
Vf= Vfo + (T – To)C. (4.2.1)
例如，本系統(tǒng)中，25℃時過充電壓和浮充電壓分別為15V、13.0V和14.5V，則
VP1=14.4- 0.0132( T- 25) (4.2.2)
VP2=13.6- 0.0132( T- 25) (4.2.3)
式中， VP1為當(dāng)前溫度下的過充電壓；VP2為當(dāng)前溫度下的浮充電壓；T為檢測到的當(dāng)前溫度。

4.3 MPPT（最大功率點跟蹤）的實現(xiàn)
擾動觀察法是最常用、最經(jīng)典的MPPT算法的實現(xiàn)方法。擾動觀察法原則是電壓的變化始終是讓太陽能輸出功率朝大的方向改變。在太陽電池正常工作時，通過調(diào)節(jié)控制器中DC-DC變換電路的PWM控制信號的占空比，使太陽電池的工作電壓發(fā)生小幅度的擾動，在工作電壓變化的同時，檢測對應(yīng)的太陽電池輸出功率并與上一個擾動周期的輸出功率進(jìn)行比較，根據(jù)功率變化的方向確定下一個擾動周期擾動電壓的變化方向。若輸出功率增加，則下一個周期內(nèi)擾動沿同一個方向進(jìn)行；反之，則擾動沿相反的方向進(jìn)行，最終使太陽電池工作在MPP 附近。擾動觀察法具有算法簡單，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。圖4.3.1是上述過程的控制流程圖。


圖4.3.1 MPPT的控制流程圖
采用其中單片機(jī)中兩路A/ D 轉(zhuǎn)換輸入通道作為太陽能電池的輸出電壓和電流的采集通路，為了降低設(shè)計的費用，電流的傳感器采用分流器，電壓采用電阻分壓。但是需要注意的是分流器和分壓電阻要共地，最好它們的地就是太陽能電池的負(fù)極。電壓、電流傳感器的接線如圖4.3.2 所示，其中的兩個穩(wěn)壓管用來保護(hù)單片機(jī)，穩(wěn)壓值為5.1V。R3與C1、R5與C2作為抗干擾用。單片機(jī)根據(jù)功率的變化從它的PWM口輸出一個PWM信號。


圖4.3.2 電壓、電流傳感接線圖

4.4 基于UC3906的充電電路的設(shè)計
4.4.1 UC3906的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
UC3906的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.4.1所示。該芯片內(nèi)含有獨立的電壓控制電路和限流放大器，它可以控制芯片內(nèi)的驅(qū)動器，驅(qū)動器提供的輸出電流為25mA�？芍苯域�(qū)動外部串聯(lián)的調(diào)整管，從而調(diào)整充電器的輸出電壓與電流。電壓和電流檢測比較器檢測蓄電池的充電狀態(tài)，并控制狀態(tài)邏輯電路的輸入信號。
當(dāng)電池電壓或電流過低時，充電起動比較器控制充電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動器截止時，該比較器還能輸出25mA涓流充電電流。這樣，當(dāng)電池短路或反接時，充電器只能以小電流充電，避免了因充電電流過大而損。
UC3906最重要的特性是具有精確的基準(zhǔn)電壓，其基準(zhǔn)電壓的大小隨環(huán)境的溫度而變化，且變化規(guī)律與鉛酸蓄電池的溫度特性一致，從而保證了蓄電池在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)蓄電池的精確快速充電，且不會過充影響蓄電池壽命。同時芯片只需1.7mA的輸入電流就可工作。這樣可以盡量減小芯片的功耗，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的準(zhǔn)確檢測。在0℃~70℃溫度范圍可以保證電池既充足電又不會出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，完全滿足蓄電池充電需要。


圖 4.4.1 UC3906的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4.4.2 UC3906的三種充電狀態(tài)

圖 4.4.2 雙電平浮充充電狀態(tài)曲線
UC3906可構(gòu)成雙電平浮充充電 ……（未完，全文共48958字，當(dāng)前僅顯示8806字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：高壓送電線路驅(qū)鳥器的飛鳥光電探測方法》）