一種基于單片機的智能型多波段LED誘殺蟲(chóng)系統設計

　　摘要 為開(kāi)發(fā)低成本的無(wú)公害滅蟲(chóng)技術(shù)，設計了一種基于單片機的智能型多波段LED誘殺蟲(chóng)系統。文中給出了單片機主控電路原理圖的引腳連接。設計了系統軟件，給出了主要程序流程圖，并對單片機進(jìn)行了軟硬件測試，結果表明系統實(shí)現了相應功能。

　　種植農作物或多或少都要受到蟲(chóng)害威脅，目前多數農戶(hù)都采用噴灑農藥的方式進(jìn)行防治，化學(xué)農藥在一定時(shí)期內能有效地控制農業(yè)害蟲(chóng)的危害，但同時(shí)也會(huì )使土壤和農產(chǎn)品中的農藥殘留超標，直接威脅人類(lèi)健康。根據趨光性害蟲(chóng)敏感波長(cháng)的不同，應用特定波長(cháng)的光源進(jìn)行誘殺，是一種物理防治措施。本文設計一種智能型多波段太陽(yáng)能LED誘殺蟲(chóng)系統，該系統采用太陽(yáng)能電池作為電源、高壓電網(wǎng)作為殺蟲(chóng)手段，通過(guò)單片機對系統進(jìn)行定時(shí)、頻閃、溫度及濕度檢測和高壓調節等智能控制，達到誘殺害蟲(chóng)的目的。該系統具有能源自給、節能環(huán)保、使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)，適合在農林行業(yè)的害蟲(chóng)防治。

　　1 多波段LED殺蟲(chóng)燈的硬件設計

　　多波段LED殺蟲(chóng)燈系統電路由太陽(yáng)能電源、高壓電網(wǎng)、多波段LED光源和單片機主控電路等部分組成，其單片機主控電路原理如圖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(chóng)的光源。不同種類(lèi)昆蟲(chóng)的趨光性也不同，與人類(lèi)的可見(jiàn)光區相比，昆蟲(chóng)的可見(jiàn)光區更偏向于短波段，只有少數蝶類(lèi)對紅色燈光敏感。因此文中選用白色、紫色、藍色和綠色4種顏色的LED等作為本系統的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，加強了對害蟲(chóng)的吸引能力。LED燈采用大功率驅動(dòng)芯片ULN2003驅動(dòng)，并按照一定時(shí)間間隔，實(shí)現“4色頻閃”。

　　1.2 系統電源

　　太陽(yáng)能供電系統由10 W太陽(yáng)能板、12 V7AH免維護鉛酸蓄電池、太陽(yáng)能10 A控制器組成。其中太陽(yáng)能電池采用單晶硅材料，由鋼化玻璃以及防水樹(shù)脂進(jìn)行封裝，效率最高可達24%，太陽(yáng)能控制器控制整個(gè)系統的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過(guò)充電保護、過(guò)放電保護的作用。從蓄電池輸出12 V直流電壓，利用LM317可調穩壓芯片及外圍電路，將12 V電壓調至5 V，供給單片機控制系統。

　　1.3 主控電路

　　系統由單片機實(shí)現智能控制，單片機選擇STC公司的STC12C5A60S2作為主控芯片，配以DS1302時(shí)鐘芯片使得計時(shí)更加可靠準確。下載模塊由MAX232構成，利用RS232接口，通過(guò)TXD、RXD端口及信號接地3個(gè)點(diǎn)與計算機相連，將控制程序下載到單片機中從而實(shí)現控制功能。溫濕度控制選用DHT11數字溫濕度傳感器，將溫度濕度集合在一個(gè)芯片上進(jìn)行采集，且無(wú)需數模轉換和濾波模塊，使得系統更加簡(jiǎn)潔、快速且穩定性更高。再利用光敏電阻，通過(guò)對光照強度、溫度、濕度3個(gè)信息的采集與分析，確定系統啟動(dòng)與關(guān)閉條件。通過(guò)7個(gè)硅NPN達林頓管組成的ULN2003驅動(dòng)器對5種波段范圍的LED誘蟲(chóng)燈板和繼電器實(shí)現驅動(dòng)。實(shí)時(shí)溫濕度和時(shí)間信息通過(guò)12864LCD液晶屏顯示出來(lái)。

　　1.4 逆變電路及高壓模塊

　　利用單片機通過(guò)ULN2003對繼電器進(jìn)行控制和驅動(dòng)，經(jīng)過(guò)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，達到700 V的高壓，通過(guò)對一個(gè)1μF的電容不斷地充放電，當害蟲(chóng)撲到電網(wǎng)上時(shí)，將會(huì )接通回路，使電路中電容中放電，達到捕殺害蟲(chóng)的效果。具體高壓實(shí)現電路如圖2所示。

　　如圖2所示，增加了兩個(gè)引導二極管，當該芯片內部放電管了截止時(shí)，電源通過(guò)Ra，D1對電容C充電，T導通時(shí)，電容通過(guò)D2、RB、T進(jìn)行放電。只要調節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(xiàn)圈匝數比為12：1 000，頻率為30 kHz。但實(shí)驗中發(fā)現，NE555芯片輸出的雖然為方波信號，但輸出波形只有正半周沒(méi)有負半周，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的獨石電容，使得當輸入為高電平時(shí)，給該電容充電，當輸入為低電平時(shí)，該電容放電，且與之前電壓方向相反，從而構成一個(gè)全波信號送入變壓器。

　　2 系統軟件設計

　　系統的控制功能主要由軟件實(shí)現，用C語(yǔ)言編程實(shí)現。根據DHT11的采集數據進(jìn)行判斷，定義LED燈的端口初始值為0，即為燈滅。當溫度檢測值>5 ℃，濕度檢測值<90 RH，光敏電阻測出為白天時(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(kāi)高壓電網(wǎng)。當溫度檢測值<5℃，濕度檢測值>90 RH時(shí)，所有輸出端口均置0，整個(gè)系統全部關(guān)閉，節約能源。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，將當前時(shí)間和溫濕度測量值顯示在128×64液晶屏上。

　　3 實(shí)驗測試

　　整個(gè)實(shí)驗裝置接通電源，可觀(guān)察到LCD液晶顯示屏上有實(shí)時(shí)顯示溫濕度信息以及當前的時(shí)間，如圖4所示。光敏電阻測出為天黑時(shí)，20個(gè)LZD燈交替閃亮，此時(shí)用電壓表測量電網(wǎng)兩端電壓，可得到示數約為350 V，因為NE555輸出的為方波信號，則實(shí)際電壓值約為700 V。當光敏電阻測出為白天時(shí)，20個(gè)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(méi)有發(fā)生變化。