基于單片機(jī)的智能型多波段LED誘殺蟲系統(tǒng)設(shè)計

摘要 為開發(fā)低成本的無公害滅蟲技術(shù)，設(shè)計了一種基于單片機(jī)的智能型多波段LED誘殺蟲系統(tǒng)。文中給出了單片機(jī)主控電路原理圖的引腳連接。設(shè)計了系統(tǒng)軟件，給出了主要程序流程圖，并對單片機(jī)進(jìn)行了軟硬件測試，結(jié)果表明系統(tǒng)實現(xiàn)了相應(yīng)功能。

種植農(nóng)作物或多或少都要受到蟲害威脅，目前多數(shù)農(nóng)戶都采用噴灑農(nóng)藥的方式進(jìn)行防治，化學(xué)農(nóng)藥在一定時期內(nèi)能有效地控制農(nóng)業(yè)害蟲的危害，但同時也會使土壤和農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留超標(biāo)，直接威脅人類健康。根據(jù)趨光性害蟲敏感波長的不同，應(yīng)用特定波長的光源進(jìn)行誘殺，是一種物理防治措施。本文設(shè)計一種智能型多波段太陽能LED誘殺蟲系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽能電池作為電源、高壓電網(wǎng)作為殺蟲手段，通過單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行定時、頻閃、溫度及濕度檢測和高壓調(diào)節(jié)等智能控制，達(dá)到誘殺害蟲的目的。該系統(tǒng)具有能源自給、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長等特點(diǎn)，適合在農(nóng)林行業(yè)的害蟲防治。

1 多波段LED殺蟲燈的硬件設(shè)計

多波段LED殺蟲燈系統(tǒng)電路由太陽能電源、高壓電網(wǎng)、多波段LED光源和單片機(jī)主控電路等部分組成，其單片機(jī)主控電路原理如圖1所示。

1.1 LED光源選擇

LED發(fā)光二極管具有節(jié)能、光效高、體積小、高頻率閃爍不易損壞等特點(diǎn)，適合作為誘殺昆蟲的光源。不同種類昆蟲的趨光性也不同，與人類的可見光區(qū)相比，昆蟲的可見光區(qū)更偏向于短波段，只有少數(shù)蝶類對紅色燈光敏感。因此文中選用白色、紫色、藍(lán)色和綠色4種顏色的LED等作為本系統(tǒng)的LED光源。每組LED光源由20個不同顏色的燈組成，共兩組，每1 s兩組燈輪流閃爍，加強(qiáng)了對害蟲的吸引能力。LED燈采用大功率驅(qū)動芯片ULN2003驅(qū)動，并按照一定時間間隔，實現(xiàn)“4色頻閃”。

1.2 系統(tǒng)電源

太陽能供電系統(tǒng)由10 W太陽能板、12 V7AH免維護(hù)鉛酸蓄電池、太陽能10 A控制器組成。其中太陽能電池采用單晶硅材料，由鋼化玻璃以及防水樹脂進(jìn)行封裝，效率最高可達(dá)24%，太陽能控制器控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。從蓄電池輸出12 V直流電壓，利用LM317可調(diào)穩(wěn)壓芯片及外圍電路，將12 V電壓調(diào)至5 V，供給單片機(jī)控制系統(tǒng)。

1.3 主控電路

系統(tǒng)由單片機(jī)實現(xiàn)智能控制，單片機(jī)選擇STC公司的STC12C5A60S2作為主控芯片，配以DS1302時鐘芯片使得計時更加可靠準(zhǔn)確。下載模塊由MAX232構(gòu)成，利用RS232接口，通過TXD、RXD端口及信號接地3個點(diǎn)與計算機(jī)相連，將控制程序下載到單片機(jī)中從而實現(xiàn)控制功能。溫濕度控制選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，將溫度濕度集合在一個芯片上進(jìn)行采集，且無需數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波模塊，使得系統(tǒng)更加簡潔、快速且穩(wěn)定性更高。再利用光敏電阻，通過對光照強(qiáng)度、溫度、濕度3個信息的采集與分析，確定系統(tǒng)啟動與關(guān)閉條件。通過7個硅NPN達(dá)林頓管組成的ULN2003驅(qū)動器對5種波段范圍的LED誘蟲燈板和繼電器實現(xiàn)驅(qū)動。實時溫濕度和時間信息通過12864LCD液晶屏顯示出來。

1.4 逆變電路及高壓模塊

利用單片機(jī)通過ULN2003對繼電器進(jìn)行控制和驅(qū)動，經(jīng)過由NE555芯片組成的占空比為50%的多諧振蕩電路，將5 V的直流信號逆變?yōu)榉讲ㄐ盘?，?jīng)變壓器升壓，達(dá)到700 V的高壓，通過對一個1μF的電容不斷地充放電，當(dāng)害蟲撲到電網(wǎng)上時，將會接通回路，使電路中電容中放電，達(dá)到捕殺害蟲的效果。具體高壓實現(xiàn)電路如圖2所示。

如圖2所示，增加了兩個引導(dǎo)二極管，當(dāng)該芯片內(nèi)部放電管了截止時，電源通過Ra，D1對電容C充電，T導(dǎo)通時，電容通過D2、RB、T進(jìn)行放電。只要調(diào)節(jié)Ra和Rb的值，就能改變輸出方波信號的占空比。圖中T1=0.693RA+C，T2=0.693RBC，因此輸出脈沖的占空比為

由于所需占空比為50%，由此便可得出各電阻阻值。其中變壓器原、副線圈匝數(shù)比為12：1 000，頻率為30 kHz。但實驗中發(fā)現(xiàn)，NE555芯片輸出的雖然為方波信號，但輸出波形只有正半周沒有負(fù)半周，這樣直接使得變壓器輸出電壓比理想值低50%。于是在NE555芯片輸出OUT引腳后加上10 μF的獨(dú)石電容，使得當(dāng)輸入為高電平時，給該電容充電，當(dāng)輸入為低電平時，該電容放電，且與之前電壓方向相反，從而構(gòu)成一個全波信號送入變壓器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的控制功能主要由軟件實現(xiàn)，用C語言編程實現(xiàn)。根據(jù)DHT11的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，定義LED燈的端口初始值為0，即為燈滅。當(dāng)溫度檢測值>5 ℃，濕度檢測值90 RH，光敏電阻測出為白天時，將LED端口置為1，利用delay()延遲程序，完成兩組燈輪流閃爍的效果。反之則置0。繼電器端口初始值為1，即為打開高壓電網(wǎng)。當(dāng)溫度檢測值5℃，濕度檢測值>90 RH時，所有輸出端口均置0，整個系統(tǒng)全部關(guān)閉，節(jié)約能源。讀取DS1302時鐘芯片的全局變量和溫濕度傳感器DHT11傳送的信號，將當(dāng)前時間和溫濕度測量值顯示在128×64液晶屏上。

3 實驗測試

整個實驗裝置接通電源，可觀察到LCD液晶顯示屏上有實時顯示溫濕度信息以及當(dāng)前的時間，如圖4所示。光敏電阻測出為天黑時，20個LZD燈交替閃亮，此時用電壓表測量電網(wǎng)兩端電壓，可得到示數(shù)約為350 V，因為NE555輸出的為方波信號，則實際電壓值約為700 V。當(dāng)光敏電阻測出為白天時，20個LED燈全部熄滅，再用電壓表測量電網(wǎng)兩端電壓，電壓值仍約為350 V，沒有發(fā)生變化。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個基于STC12C5A60S2型號單片機(jī)的多波段LED誘殺蟲系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽能電池作為電源，高壓電網(wǎng)作為捕殺工具，通過單片機(jī)驅(qū)動4種不同波長的LED進(jìn)行頻閃，可誘殺更多的害蟲，該系統(tǒng)根據(jù)實時溫濕度信息對整個系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，不僅節(jié)約了能源，也使系統(tǒng)器件的使用壽命延長，可應(yīng)用于農(nóng)田、茶園、果園等害蟲的撲殺。