基于單片機(jī)的智能型多波段LED誘殺蟲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為開發(fā)低成本的無公害滅蟲技術(shù)，設(shè)計(jì)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(jì)了系統(tǒng)軟件，給出了主要程序流程圖，并對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了軟硬件測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)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(shí)期內(nèi)能有效地控制農(nóng)業(yè)害蟲的危害，但同時(shí)也會(huì)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(zhǎng)的不同，應(yīng)用特定波長(zhǎng)的光源進(jìn)行誘殺，是一種物理防治措施。本文設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)、頻閃、溫度及濕度檢測(cè)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(zhǎng)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(jì)

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(duì)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(gè)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(duì)害蟲的吸引能力。LED燈采用大功率驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)，并按照一定時(shí)間間隔，實(shí)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(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)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(shí)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(shí)鐘芯片使得計(jì)時(shí)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(hào)接地3個(gè)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)相連，將控制程序下載到單片機(jī)中從而實(shí)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(gè)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(jiǎn)潔、快速且穩(wěn)定性更高。再利用光敏電阻，通過對(duì)光照強(qiáng)度、溫度、濕度3個(gè)信息的采集與分析，確定系統(tǒng)啟動(dòng)與關(guān)閉條件。通過7個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成的ULN2003驅(qū)動(dòng)器對(duì)5種波段范圍的LED誘蟲燈板和繼電器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。實(shí)時(shí)溫濕度和時(shí)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(duì)繼電器進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)，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(hào)逆變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，經(jīng)變壓器升壓，達(dá)到700 V的高壓，通過對(duì)一個(gè)1μF的電容不斷地充放電，當(dāng)害蟲撲到電網(wǎng)上時(shí)，將會(huì)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(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

如圖2所示，增加了兩個(gè)引導(dǎo)二極管，當(dāng)該芯片內(nèi)部放電管了截止時(shí)，電源通過Ra，D1對(duì)電容C充電，T導(dǎo)通時(shí)，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(hào)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，NE555芯片輸出的雖然為方波信號(hào)，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(shí)，給該電容充電，當(dāng)輸入為低電平時(shí)，該電容放電，且與之前電壓方向相反，從而構(gòu)成一個(gè)全波信號(hào)送入變壓器。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制功能主要由軟件實(shí)現(xiàn)，用C語言編程實(shí)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(cè)值>5 ℃，濕度檢測(cè)值90 RH，光敏電阻測(cè)出為白天時(shí)，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(cè)值5℃，濕度檢測(cè)值>90 RH時(shí)，所有輸出端口均置0，整個(gè)系統(tǒng)全部關(guān)閉，節(jié)約能源。讀取DS1302時(shí)鐘芯片的全局變量和溫濕度傳感器DHT11傳送的信號(hào)，將當(dāng)前時(shí)間和溫濕度測(cè)量值顯示在128×64液晶屏上。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置接通電源，可觀察到LCD液晶顯示屏上有實(shí)時(shí)顯示溫濕度信息以及當(dāng)前的時(shí)間，如圖4所示。光敏電阻測(cè)出為天黑時(shí)，20個(gè)LZD燈交替閃亮，此時(shí)用電壓表測(cè)量電網(wǎng)兩端電壓，可得到示數(shù)約為350 V，因?yàn)镹E555輸出的為方波信號(hào)，則實(shí)際電壓值約為700 V。當(dāng)光敏電阻測(cè)出為白天時(shí)，20個(gè)LED燈全部熄滅，再用電壓表測(cè)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(jì)了一個(gè)基于STC12C5A60S2型號(hào)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(dòng)4種不同波長(zhǎng)的LED進(jìn)行頻閃，可誘殺更多的害蟲，該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)溫濕度信息對(duì)整個(gè)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(zhǎng)，可應(yīng)用于農(nóng)田、茶園、果園等害蟲的撲殺。