1 引 言

飞机在起飞、飞行时与鸟类相撞的事故属于航空灾难。目前，国际航空联合会已经把鸟害升级为A类航空灾难。鸟害作为一种多发性、危险性事件，不仅会造成巨大的人员伤亡，也会给航空部门带来巨大的经济损失^[1]。现在大部分机场都是采用“吓唬类”的驱鸟方式，如车载煤气炮、恐怖眼、强声驱鸟、驱鸟钛镭弹^[2]。实际上单一形式的驱鸟方式在初期时都很有效，但时间一长鸟类对这种单一“吓唬式”的驱赶方式很快就能适应，驱鸟效果就会大打折扣。因此，鸟害的防治需要综合多种方式，尽可能综合使用视觉威慑、声响惊吓、捕捉猎杀手段，使各种方式在驱鸟空间、驱鸟时间、驱鸟方式等方面互为补充，最大程度降低机场鸟类对驱赶防治措施的适应性^[3]。

1 声光驱鸟原理

超声波驱鸟是基于鸟类听到一定强度的超声波时，会明显表现出烦躁不安这一生理特性。这是由于超声波可以干扰、刺激、破坏鸟类的神经系统、听觉系统^[4,5]。光驱鸟是利用光线刺激鸟类的视觉神经，使鸟类受到惊吓飞离亮光区域，达到驱鸟的目的。有研究表明，光的闪烁频率在5~10 Hz，光通量在200 Lx以上时驱鸟效果明显^[6]。

文章提出了一种基于超高亮LED的驱鸟控制系统，该系统利用超高亮LED作为光源、超声波模块作为声源，同时使用声音刺激和视觉恐吓两种驱鸟方式，达到长期驱鸟的效果。

2 系统硬件方案设计

基于超高亮LED驱鸟控制系统的总体结构如图1所示。整个系统主要包括主控制器模块，LED恒流驱动模块，通讯接口模块，设地址码模块、超声波模块和电源模块等部分。

图 1. 基于超高亮LED驱鸟控制系统的总体框图

Fig. 1. The block diagram of bird repellent control system based on ultra-bright LED

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2.1　主控制器模块

主控制器模块采用STM32F103RCT6微处理器进行设计。STM32F103RCT6采用32位ARM Cortex⁃M3 CPU，最高运行主频可达72 MHz。STM32F103RCT6具有丰富的通用I/O，且集成PWM功能及其他丰富的外设资源，非常适合本系统的设计^[7]。

STM32F103RCT6通过按键或485指令，触发产生两路PWM。一路PWM驱动LED恒流驱动模块，点亮LED；另外一路PWM驱动超声波模块，发出高频率的声波信号，达到声光驱鸟的目的。同时，通过地址码模块的设定，可以完成对485地址码的设定。

2.2　LED恒流驱动模块

LED本质上是一个二极管，其特性曲线和普通二极管基本相同。当外加电压达到二极管导通电压后，外加电压的微变会引起二极管电流的巨变。此外，LED具有温度效应。当LED温度升高时，其结电阻减小，导致导通电压减小，即在相同电压下，温度升高将促使LED电流增大，电流增大又使温度进一步提高，恶性循环将会导致LED烧毁^[8]。因此，为了保证LED的驱动效果及寿命，LED必须采用恒流驱动方式。

恒流驱动模块采用TI公司的LED恒流驱动芯片LM3409。LM3409是一款P沟道、工作在开关降压模式，可用于驱动大功率LED的控制芯片。其最大工作电压可达75 V（LM3409HV/LM3409QHV），LED最大工作电流可达5 A。

LED恒流驱动模块的电路设计如图2所示。图中，LM3409、采样电阻R_SNS、P⁃MOS管Q₁、续流二极管D₁和电感L₁组成恒流驱动回路。LM3409使用芯片内部的COFT逻辑结构来控制LED电流。在刚开始工作的时候，LM3409驱动PMOS管Q₁打开，电感L₁充电，流过电感L₁上的电流I_L逐渐增加，此时二极管D₁被反偏截止；随着I_L的增加，采样电阻R_SNS上的压降V_SNS也逐渐变大，当V_SNS超过芯片内部的门限电压V_CST时，LM3409驱动Q₁关断，电感L₁上的能量释放，电感L₁通过二极管D₁续流，I_LED又逐渐减小；I_LED减小，V_SNS也减小，芯片又驱动Q₁打开。

图 2. LED恒流驱动电路

Fig. 2. LED constant current drive circuit

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图3说明了电感上电流的变化情况。电感上的平均电流I_L等于LED上的平均电流，因此只要I_L被控制，I_LED也就被控制了。当输入电压或输出电压变化时，占空比D随着I_L（I_LED）的变化而变化。对于任何BUCK电路来说，D是输出电压和输入电压之间的比值。

图 3. 电感电流变化示意图

Fig. 3. The diagram of inductance current variation

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LM3409提供三种方法设置门槛电压V_CST：

（1）I_ADJ引脚悬空：芯片内部5 μA的电流使稳压二极管工作在反偏状态，将I_ADJ引脚的电压V_ADJ钳制在1.24 V，由此V_CST可由下式确定。

（2）I_ADJ引脚上加电压：在I_ADJ引脚上加电压，使V_CST在0~248 mV之间变化。如果V_ADJ可以调节，那么就可以实现模拟方式调光。

（3）在地与I_ADJ引脚之间加一个电阻：V_CST的电压可由下式确定。

2.3　通讯接口模块

考虑到通信距离、传输速度、支持的节点数、抗干扰等问题，通讯接口模块采用485协议进行通讯。485通讯的接口电平低，不易损坏芯片；传输距离远，最大传输距离可达1200 m；差分通讯抗干扰能力强；支持级联，一般最大支持32个节点的级联^[9,10]。

RS485通信推荐在点对点网络实现，如线性、总线型，不能是星型、环形网络。理想情况下RS485需要2个匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗（一般为120 Ω）。如果没有特性阻抗匹配，那么会使得较快速的发送端产生多个数据信号的边沿，导致数据传输出错。485级联推荐的方式如图4所示。

图 4. 485级联推荐方式

Fig. 4. 485 cascade recommended mode

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本系统中，485通讯接口芯片采用SP3485作为收发器。SP3485接口芯片的电路设计如图5所示。图中JP1为总线接口，用于连接485总线，RO是接收输出端，与STM32的PA3(USART2_RX)脚相连，DI是数据输入端，与STM32的PA2(USART2_TX)脚相连，RE是接收使能信号（低电平有效），DE是发送使能信号（高电平有效），这两个引脚都与STM32的PA1脚相连，通过PA1来控制SP3485的收发。当PA1=0时，为接收模式；当PA1=1时，为发送模式。另外，图中的R6和R7是偏置电阻，用来保证总线空闲时，A、B之间的电压差都会大于200 mV（逻辑1），从而避免总线空闲时，A、B压差不定，出现乱码。

图 5. SP3485外围电路

Fig. 5. The peripheral circuit of SP3485

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2.4　设地址码模块

设地址码模块采用1个5位的拨码开关，最多可支持32个地址码（0~0x1f）的设定。设地址码模块的电路设计如图6所示。SET_ADDR0⁃SET_ADDR4与STM32的PC4⁃PC8脚相连。当拨码开关的某位打开或关闭，STM32检测到该位是1或0，则可以确定当前系统的地址码。如5位拨码开关依次被设置为“关关关关开”，则相应的地址码为0x01。

图 6. 设地址码模块电路

Fig. 6. The circuit of set address module

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2.5　超声波模块

超声波模块采用市面上常见的5120超声波喇叭，它与传统的超声波发声器件相比，声压分贝更高、作用范围更广，因此驱鸟效果更好。

超声波喇叭由STM32内部定时计数器产生的方波信号驱动发声，但由于STM32输出的方波信号驱动能力较弱，不能直接驱动超声波喇叭发声，因此需要对该方波信号进行功率放大。超声波喇叭的驱动电路如图7所示。该电路采用NPN三极管进行电流放大。当三极管基极的控制信号为高电平时，三极管导通，超声波喇叭发声，低电平时三极管关断，由于驱动电压V_CC是12 V，因此在超声波喇叭两端产生幅值为12 V的方波信号，且该信号频率与控制信号的频率相同。图中二极管D₁起到续流作用，由于超声波喇叭是感性负载，在关断瞬间会产生很高的电压，如果没有D₁的续流，三极管将烧毁。

图 7. 超声波喇叭驱动电路

Fig. 7. The drive circuit of ultrasonic speaker

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2.6　电源模块

电源模块采用英飞凌公司的TLE4266⁃3.3线性稳压芯片。TLE4266支持宽电压输入，最大输入电压可达45 V，最大可提供150 mA的负载电流，完全能满足整个系统的电源负载要求。电源模块的电路设计如图8所示。电源输入电压V_PP经过线性稳压芯片的降压和滤波，输出3.3 V稳压，供系统中的其他模块使用。D₃是发光二极管，当D₃亮起时，表示系统供电情况正常。

图 8. 电源电路

Fig. 8. The power supply circuit

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3 系统软件方案设计

考虑到鸟类极强的适应能力，固定模式的声音驱赶或视觉驱赶会影响驱鸟效果，因此本系统设计有五档控制功能，分为弱、中、强、爆闪、关。不同的档位分别对应不同亮度的LED和不同频率的超声波。档位区分可以利用STM32内部的定时计数器产生PWM，通过调节PWM的占空比和频率实现。系统的控制可通过外部按键触发，也可以通过485总线发送指令实现。需要注意的是，在设计485总线指令时，应包含系统的地址码。只有当485指令中的地址码与本系统的地址码相符时，本系统才会响应485总线上的指令。

系统软件的工作流程如图9所示。系统上电后，对各个功能模块进行初始化。初始化完毕后，程序进入大循环等待按键触发和485指令触发。这里按键触发是通过不断查询主控制器对应的I/O口状态实现；485指令触发是通过串口中断实现：当485总线上发送完一串固定格式的指令后，触发STM32的串口中断，判断指令地址码。若总线上的地址码与本系统的地址码相符，则执行相应功能；若不符合本系统地址码，则不响应当前指令。

图 9. 系统工作流程图

Fig. 9. The flow chart of system

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4 实验结果与分析

基于超高亮LED驱鸟控制系统的光源采用COB封装的大功率LED模组。每个大功率LED模组采用8颗LED芯片串联的方式。当系统工作时，在距离系统100 m的地方，使用CL⁃500A照度计测量光照度。为了保证测量数据的准确性，将测量区域划分为9宫格，如图10所示。实际测量时分别记录9点照度的最大值和最小值。测量数据如表1所示。

图 10. 测量光斑照度区域划分示意图

Fig. 10. The partition diagram of measuring spot illumination area

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从表1数据可以看出，光斑区域的照度并不一致，呈现出照度中心强、边缘弱的特点，这是由于光学设计时未匀光导致的，但这并不会影响驱鸟的效果。相关文献表明，只要当光强超过200 Lx时，就能达到一定的驱鸟效果。

5 结束语

本设计将大功率LED模组作为光源，以超声波模块作为声源，所设计的驱鸟系统与传统的驱鸟器相比，具有驱鸟长期效果好、易操作、稳定性高等优点。控制系统以STM32 微处理器为核心，给出了硬件系统的设计方案和具体的电路。通过不同档位的切换，改进了固定模式驱鸟导致鸟类适应性的问题。最后，对LED光的照度进行了测试。结果表明：所设计的驱鸟系统光照照度达到驱鸟要求，能够满足实际使用。这为设计一种新型的驱鸟系统提供了参考。