毕业论文：高压送电线路驱鸟器的飞鸟光电探测方法

目录/提纲：……
一、介绍
1、使用光电转换方法从基站传输能量到设备上
2、添加作为辅助电源的太阳能电池板
3、直接从高压电线获取能量
二、驱鸟阻断
三、系统结构
四、感应电源
五、实验结果
六、结论
七、致谢
……
毕业论文：高压送电线路驱鸟器的飞鸟光电探测方法

摘 要
高压送电线路的鸟害事故是送电线路安全运行的一大隐患，如何找到较好的与鸟和谐共处的办法， 在不伤害鸟类的前提下，把鸟无论是飞行碰撞还是栖息筑巢对电力系统的影响减少到最低限度， 是国内外共同关注的问题。为此，介绍一种用于高压送电线路驱鸟器的飞鸟光电探测方法，并开发出一种驱鸟装置，利用超声波和强闪光驱鸟，具有低成本，免维护，可靠性高等特点。实际使用效果表明，此新型光电目标识别驱鸟器能效果良好，适合不同的驱鸟场所。

关键词：高压送电线；光电探测；单片机；超声波；大功率LED；太阳能

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 录
第一章 前言……………………………………………………………………4
第二章 驱鸟器系统的组成…………………………………………………5
第三章 光探测模块……………………………………………………………7
3.1 原理………………………………………………………………………7
3.2 探测方法…………………………………………………………………10
3.3 实验结果与分析…………………………………………………………11
3.4 结论………………………………………………………………………14
第四章 电源模块………………………………………………………………14
4.1 太阳能电池………………………………………………………………14
4.2 蓄电池……………………………………………………………………17
4.2.1 蓄电池的选择………………………………………………………17
4.2.2 蓄电池容量的计算…………………………………………………17
4.2.3 蓄电池充电的方法…………………………………………………18
4.2.4 温度补偿……………………………………………………………18
4.3 MPPT（最大功率点跟踪的实现）………………………………………19
4.4 基于UC3906的充电电路的设计………………………………………20
4.4.1 UC3906的内部结果及工作原理…………………………………21
4.4.2 UC3906的三种充电状态…………………………………………22
4.4.3 充电电路的设计……………………………………………………22
第五章 执行模块…………………………………………
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略3135字，正式会员可完整阅读）……　
（3.3）
当 、 不变时，探测器探测到的飞鸟信号宽度不但与距离和飞行速度有关，还与飞行角度有关。如果直接将两个探测器的信号进行相关运算，并不能获得目标信号的最大相关函数。解决此类问题的一个办法是通过时域缩放将两个探测器的目标信号调整成同样宽度，再进行相关运算。
探测器D2相对于D1的目标信号展宽系数定义为

由式（3.1）、（3.3）可得
（3.4）
式（3.4）表明信号展宽系数是飞行角度的函数，在短时间内可认为飞鸟直线飞行，因此每一次探测中 不变。图3.1.2为时域展宽系数 与飞鸟飞行角度 （与探测平面夹角）的关系曲线。从图中可以看到，目标信号宽度随飞行角度的变化很大，并且在-60~60度范围内展宽系数 为有限值。

图3.1.2 时域展宽系数 与飞鸟飞行角度（与探测平面夹角）的关系曲线

对D2的探测信号进行时域变换后，目标信号函数可表示为f ，于是两探测器的目标信号相关函数可写为
（3.5）
模拟计算了h＝0.15m， v=6m/s， l=5cm，L1分别为1m 、2m、4m、6m、10m和20m时两个探测器目标信号最大相关函数值与飞行角度关系如图3.1.3所示。


图3.1.3 目标信号相关函数与飞鸟飞行角度（与探测平面夹角）的关系
（其中a， L1＝1m b， L1＝2m c， L1＝4m d， L1＝6m e， L1＝10m f， L1＝20m）




图3.1.4 目标信号最大相关函数值随 变化曲线

图3.1.4为目标信号最大相关函数值与 的关系曲线。由图3.1.3、图3.1.4可知，飞鸟飞行角度（与探测平面夹角）θ≤60°，即信号展宽系数 大于0.35时，目标信号最大相关函数值都不为0，可以用于目标检测判断。

3.2 探测方法
采用上述飞鸟目标探测原理的关键问题是如何获得信号展宽系数 。当目标信号幅度远大于背景干扰信号时，通过直接测量目标信号脉冲宽度很容易得到 值，然而由于高压送电线路的背景光信号变化多样，干扰信号强度不可预计，很难获得单一的飞鸟目标光脉冲信号，无法直接获得信号展宽系数 值，为此我们采用 递增检测方法，即通过不断改变 值，通过信号相关处理依次检测最大相关函数值以确定飞鸟目标是否存在。探测方法和信号处理过程为：采用4*4光探测器阵列，16个光探测器信号经过模拟开关依次读入信号处理单元，形成一帧信号，帧频为2帧/秒，然后采集前后两帧信号进行时域变换相关处理。为了提高信号处理速度并获得双极性信号，首先对原始信号进行放大限幅，变为二电平信号后再经过微分电路，最后进行电子相关信号处理，如图3.2.1所示。图中时域变换器用于实现信号时域 倍展宽， 分别取值为0.5、0.6、0.8、1、1.2、1.5、2，对应飞行角度θ基本等间隔（见图4）；延时器用作相关运算的信号延时，延时量为50~500ms连续变化，这里避开0~50ms延时处理，是为了消除静态目标和外界背景光的变化影响。信号处理时对每一个 值都要进行一次相关运算，因此采用7路相关器并行处理，输出信号为7路信号的叠加。
图3.2.1 电子相关信号处理原理图

3.3 实验结果与分析
图3.3.1为实验测得飞鸟模型在5米远处以速度6米/秒、飞行角度分别为-30°、-45°和-60°（与探测平面夹角）时的相邻两帧信号限幅放大波形图。
θ＝-30° θ＝-45° θ＝-60°

图3.3.1 飞行角度分别为-30°、-45°和-60°时的相邻两帧信号限幅放大波形图

根据图3.1.2数据可得：θ＝-30°时，k=1.2； θ＝-45°时，k=1.5； θ＝-60°时，k=2。实验数据与图3.1.2理论曲线有较大差异，其原因是理论分析中忽略了探测器的面积，但不影响处理方法的正确性。
图3.3.2给出了微分整形电路输出信号的相关函数输出曲线


图3.3.2 时域展宽系数 与飞鸟飞行角度（与探测平面夹角）的关系曲线
将kt的值代入（3.5）式中，可得：θ＝30°时， ＝0.0774；θ＝45°时， ＝0.0710；θ＝60°时， ＝0.0633。由图3.3.3可知随着角度的增加， 的值是减小的。

图3.3.2 目标信号相关函数与飞鸟飞行角度（与探测平面夹角）的关系曲线

送电线路大多在户外，在对飞鸟进行光电探测的同时，也有其他因素会导致光强变化，如树叶的摆动、电线的摇晃及天气的明暗变化等。对于树叶的摆动和电线的摇晃，一般情况下，树叶摆动和电线的摇晃幅度相对于鸟类飞行的幅度都小得多（飞行角度（与探测平面夹角）可视为0），所以得到的信号宽度tb非常小，由式（3.5）可知，得到的信号相关函数 也非常小。此时，时域展宽系数kt＝1，所测得信号如图3.3.3所示，

图3.3.3 树叶扰动时所测信号
由上图可读出相应数据，经由（3.5）式计算可得： ＝5*10-5，知此时信号是不相关的，在本探测方法中，此类信号将会被视为无用信号，所以树叶的摆动和电线的摇晃不会对信号产生误扰。
对于天气的明暗变化，此时各个探测器所探测到的光强度变化是同步的，信号的时域展宽系数kt为1，且信号延时τ为零，可将这些信号视为是同一个信号。此时探测器所测得信号如图3.3.4所示，

图3.3.4 天气明暗变化时所测信号
由上图可读出相应数据，经由（3.5）式可知 ＝0，可知此时信号是不相关的，在本探测方法中，此类信号将会被视为无用信号，所以天气明暗的变化不会对信号产生误扰。
由上分析可知，树叶的扰动和天气的明暗变化所产生的信号，在本探测方法中都不会被采用，即不会产生误扰。

3.4 结论
上面讨论了一种对高压送电线路附近飞鸟进行光电探测的方法，应用信号相关技术对信号进行处理，最后对信号相关技术进行分析，得出最佳探测角度为0≤θ≤60°，并通过实验验证了该理论的可行性。实验结果表明，该方法可以有效地检测到高压送电线路附近飞过的飞鸟，对树叶的摆动，电线的摇晃及天气的明暗变化等所引起的误扰可以进行有效的屏蔽。


第四章 电源模块


图4.1 电源模块的构成框图

如图4.1所示为太阳能供电系统的构成框图。其中MCU控制器是系统的核心部分，系统工作时通过控制器实现对工作状态的控制和对蓄电池充放电过程的管理，以使系统在不同的工作状态下均能稳定地工作。备用电源是为了在连续长时间出现阴雨天时直接向负载提供电能，以保证驱鸟器的执行模块（超声波换能电路和强闪光模块）在蓄电池不能供电时也能正常工作。蓄电池供电与备用电源供电间的切换由控制器实现。

4.1 太阳能电池板
太阳能电池板同晶体管一样，由半导体组成的，主要材料是硅，也有一些其他合金。它的表面由两个性质各异的部分组成。当受到光的照射时，能够把光能转变为电能，使电流从一方流向另一方。太阳能电池板只要受到阳光或灯光的照射，一般就可发出相当于所接收光能1/10 的电能。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在上面蒙上了一层防止光反射的膜，使太阳能电池板的表面呈紫色。光伏组件在白天吸收光照，将太阳能转化为电能储存在太阳能电池内。一般晴天时，在理想的光照强度下，充满电只要4小时。本系统采用15 V太阳能电池板，实际测得电池板两端供电电压为17 V～20 V，充电电流为200 mA ~ 800 mA。





图4.1 太阳能电池的输出特性曲线

图4.1是在一定温度时， 不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线。由图4.1所示的功率电压曲线可以看到， 每条曲线都存在着一个最大功率输出点，并且这个最大功率点在当前的光照条件下是惟一的。
在太阳能供电系统中，太阳能电池的价格最高，是系统成本的最主要部分。欲使该太阳能供电系统得到推广应用，就必须降低系统的运行成本。在太阳电池价格居高不下的情况下，提高太阳电池的利用率就成了一种最有效的降低成本的方法。而要实现这一点，就需要对太阳电池进行MPPT（最大功率点跟踪控制）。

4.2 蓄电池
太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下， 其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配， 要求蓄电池工作寿命长且维护简单。

4.2.1 蓄电池的选择
能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多， 目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池， 因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点， 很适合用于性能可靠的太阳能电源系统， 特别是无人值守的工作站。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大， 所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能， 但由于其价格较高， 仅适用于较为特殊的场合。

4.2.2 蓄电池组容量的计算
蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内， 太阳能电池方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份， 要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份， 是靠蓄电池将多余的电能储存起来。方阵发电量的不足和过剩值， 是确定蓄电池容量的依据之一。所以，期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此， 蓄电池的容量Bc计算公式为:
Bc=A*Ql*Nl*To/Cc
式中: A 为安全系数， 取1.1～1.4 之间;
Ql 为负载日平均耗电量， 为工作电流乘以日工作小时数;
Nl 为最长连续阴雨天数;
To为温度修正系数， 一般在0℃以上取1， -10℃以上取1.1， - 10℃以下取1.2;
Cc 为蓄电池放电深度， 一般铅酸蓄电池取0.75， 碱性镍镉蓄电池取0.85。
根据本系统要求，通过计算，选用12V 7Ah 免维护铅酸蓄电池。

4.2.3 蓄电池充电的方法
蓄电池的使用， 归根结底是如何利用蓄电池的充放电特性。有效、科学地使用蓄电池， 对提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命， 十分关键。
对于一个蓄电池而言， 选择适当的充电方法， 不只可以延长蓄电池的使用寿命，而且还可以提高充电效率。这就需要准确判断蓄电池的充电状态从而选取充电电路的工作状态。控制器使用的充电电路采取了快充、过充、浮充3 个阶段的充电方法:
1) 快充阶段: 初充电时，蓄电池电量少，端压处于下限值，但电流接受能力较大。此阶段蓄电池的电流接受能力大于太阳能电池的输出能力，可以采取快充。此时，只需考虑如何实现太阳能电池的最大功率输出。控制器实现了太阳能电池最大功率点的一阶跟踪。充电过程中， 电路检测蓄电池端电压。当蓄电池端电压上升到转换门限值后， 充电电路转到过充阶段。
2) 过充阶段: 在过充阶段， 充电电路对蓄电池提供一个较高电压Voc，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值Ioct时， 认为蓄电池电量已充满， 充电电路转到浮充阶段。
3) 浮充阶段: 在浮充阶段， 电路给蓄电池提供一个精确的、带温度补偿功能的浮充电压Vf。

4.2.4 温度补偿
蓄电池在充满电后， 保持电量的最好方法就是加一个恒定电压到蓄电池上。这对充电电路提出了提供合适浮充电压的要求。浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电池的自放电电流; 又不能太大， 以免导致蓄电池内部因过充而发生化学成分的分解。在适当的浮充状态下， 全封闭免维护铅酸蓄电池能够稳定工作6～10a。而浮充电压即使只有5% 的偏差，也会使蓄电池的寿命减半。
必须考虑的是，铅酸蓄电池的电压特性具有明显的负温度系数， 2V的电池约为- 4.0mV/℃。也就是说， 一个在25℃能够正常工作的充电器， 在0℃时就不能提供和保持足够的电量；相对地，50℃时这个充电器会导致严重的过充。合理考虑温度变化范围，充电器应该根据蓄电池的温度系数给予某种形式的补偿。
实际应用中，利用负温度系数热敏电阻RT对蓄电池过充保护、浮充和恢复点电压进行自动温度补偿。通过不断检测其两端电压值，来判断当前的环境温度，对蓄电池过充保护、恢复点电压和浮充电压进行自动温度补偿，从而确定当前状态下蓄电池的过充点保护电压、恢复电压和浮充电压。在程序设计中通过调表程序来实现这一功能。采取式(7)确定浮充电压Vf， 其中Vfo和To分别为基准点的电压和温度值，C为电压温度系数
Vf= Vfo + (T – To)C. (4.2.1)
例如，本系统中，25℃时过充电压和浮充电压分别为15V、13.0V和14.5V，则
VP1=14.4- 0.0132( T- 25) (4.2.2)
VP2=13.6- 0.0132( T- 25) (4.2.3)
式中， VP1为当前温度下的过充电压；VP2为当前温度下的浮充电压；T为检测到的当前温度。

4.3 MPPT（最大功率点跟踪）的实现
扰动观察法是最常用、最经典的MPPT算法的实现方法。扰动观察法原则是电压的变化始终是让太阳能输出功率朝大的方向改变。在太阳电池正常工作时，通过调节控制器中DC-DC变换电路的PWM控制信号的占空比，使太阳电池的工作电压发生小幅度的扰动，在工作电压变化的同时，检测对应的太阳电池输出功率并与上一个扰动周期的输出功率进行比较，根据功率变化的方向确定下一个扰动周期扰动电压的变化方向。若输出功率增加，则下一个周期内扰动沿同一个方向进行；反之，则扰动沿相反的方向进行，最终使太阳电池工作在MPP 附近。扰动观察法具有算法简单，易于实现的优点。图4.3.1是上述过程的控制流程图。


图4.3.1 MPPT的控制流程图
采用其中单片机中两路A/ D 转换输入通道作为太阳能电池的输出电压和电流的采集通路，为了降低设计的费用，电流的传感器采用分流器，电压采用电阻分压。但是需要注意的是分流器和分压电阻要共地，最好它们的地就是太阳能电池的负极。电压、电流传感器的接线如图4.3.2 所示，其中的两个稳压管用来保护单片机，稳压值为5.1V。R3与C1、R5与C2作为抗干扰用。单片机根据功率的变化从它的PWM口输出一个PWM信号。


图4.3.2 电压、电流传感接线图

4.4 基于UC3906的充电电路的设计
4.4.1 UC3906的内部结构及工作原理
UC3906的内部结构如图4.4.1所示。该芯片内含有独立的电压控制电路和限流放大器，它可以控制芯片内的驱动器，驱动器提供的输出电流为25mA。可直接驱动外部串联的调整管，从而调整充电器的输出电压与电流。电压和电流检测比较器检测蓄电池的充电状态，并控制状态逻辑电路的输入信号。
当电池电压或电流过低时，充电起动比较器控制充电器进入涓流充电状态，当驱动器截止时，该比较器还能输出25mA涓流充电电流。这样，当电池短路或反接时，充电器只能以小电流充电，避免了因充电电流过大而损。
UC3906最重要的特性是具有精确的基准电压，其基准电压的大小随环境的温度而变化，且变化规律与铅酸蓄电池的温度特性一致，从而保证了蓄电池在较宽的温度范围内实现蓄电池的精确快速充电，且不会过充影响蓄电池寿命。同时芯片只需1.7mA的输入电流就可工作。这样可以尽量减小芯片的功耗，实现对环境温度的准确检测。在0℃~70℃温度范围可以保证电池既充足电又不会出现过充电现象，完全满足蓄电池充电需要。


图 4.4.1 UC3906的内部结构图

4.4.2 UC3906的三种充电状态

图 4.4.2 双电平浮充充电状态曲线
UC3906可构成双电平浮充充电 ……（未完，全文共48958字，当前仅显示8806字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：高压送电线路驱鸟器的飞鸟光电探测方法》）