基于单片机的智能型多波段LED诱杀虫系统设计

消费电子 时间:2018-09-04来源:网络

摘要 为开发低成本的无公害灭虫技术,设计了一种基于单片机的智能型多波段LED诱杀虫系统。文中给出了单片机主控电路原理图的引脚连接。设计了系统软件,给出了主要程序流程图,并对单片机进行了软硬件测试,结果表明系统实现了相应功能。

种植农作物或多或少都要受到虫害威胁,目前多数农户都采用喷洒农药的方式进行防治,化学农药在一定时期内能有效地控制农业害虫的危害,但同时也会使土壤和农产品中的农药残留超标,直接威胁人类健康。根据趋光性害虫敏感波长的不同,应用特定波长的光源进行诱杀,是一种物理防治措施。本文设计一种智能型多波段太阳能LED诱杀虫系统,该系统采用太阳能电池作为电源、高压电网作为杀虫手段,通过单片机对系统进行定时、频闪、温度及湿度检测和高压调节等智能控制,达到诱杀害虫的目的。该系统具有能源自给、节能环保、使用寿命长等特点,适合在农林行业的害虫防治。

1 多波段LED杀虫灯的硬件设计

多波段LED杀虫灯系统电路由太阳能电源、高压电网、多波段LED光源和单片机主控电路等部分组成,其单片机主控电路原理如图1所示。

1.1 LED光源选择

LED发光二极管具有节能、光效高、体积小、高频率闪烁不易损坏等特点,适合作为诱杀昆虫的光源。不同种类昆虫的趋光性也不同,与人类的可见光区相比,昆虫的可见光区更偏向于短波段,只有少数蝶类对红色灯光敏感。因此文中选用白色、紫色、蓝色和绿色4种颜色的LED等作为本系统的LED光源。每组LED光源由20个不同颜色的灯组成,共两组,每1 s两组灯轮流闪烁,加强了对害虫的吸引能力。LED灯采用大功率驱动芯片ULN2003驱动,并按照一定时间间隔,实现“4色频闪”。

1.2 系统电源

太阳能供电系统由10 W太阳能板、12 V7AH免维护铅酸蓄电池、太阳能10 A控制器组成。其中太阳能电池采用单晶硅材料,由钢化玻璃以及防水树脂进行封装,效率最高可达24%,太阳能控制器控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。从蓄电池输出12 V直流电压,利用LM317可调稳压芯片及外围电路,将12 V电压调至5 V,供给单片机控制系统。

1.3 主控电路

系统由单片机实现智能控制,单片机选择STC公司的STC12C5A60S2作为主控芯片,配以DS1302时钟芯片使得计时更加可靠准确。下载模块由MAX232构成,利用RS232接口,通过TXD、RXD端口及信号接地3个点与计算机相连,将控制程序下载到单片机中从而实现控制功能。温湿度控制选用DHT11数字温湿度传感器,将温度湿度集合在一个芯片上进行采集,且无需数模转换和滤波模块,使得系统更加简洁、快速且稳定性更高。再利用光敏电阻,通过对光照强度、温度、湿度3个信息的采集与分析,确定系统启动与关闭条件。通过7个硅NPN达林顿管组成的ULN2003驱动器对5种波段范围的LED诱虫灯板和继电器实现驱动。实时温湿度和时间信息通过12864LCD液晶屏显示出来。

1.4 逆变电路及高压模块

利用单片机通过ULN2003对继电器进行控制和驱动,经过由NE555芯片组成的占空比为50%的多谐振荡电路,将5 V的直流信号逆变为方波信号,经变压器升压,达到700 V的高压,通过对一个1μF的电容不断地充放电,当害虫扑到电网上时,将会接通回路,使电路中电容中放电,达到捕杀害虫的效果。具体高压实现电路如图2所示。

如图2所示,增加了两个引导二极管,当该芯片内部放电管了截止时,电源通过Ra,D1对电容C充电,T导通时,电容通过D2、RB、T进行放电。只要调节Ra和Rb的值,就能改变输出方波信号的占空比。图中T1=0.693RA+C,T2=0.693RBC,因此输出脉冲的占空比为

由于所需占空比为50%,由此便可得出各电阻阻值。其中变压器原、副线圈匝数比为12:1 000,频率为30 kHz。但实验中发现,NE555芯片输出的虽然为方波信号,但输出波形只有正半周没有负半周,这样直接使得变压器输出电压比理想值低50%。于是在NE555芯片输出OUT引脚后加上10 μF的独石电容,使得当输入为高电平时,给该电容充电,当输入为低电平时,该电容放电,且与之前电压方向相反,从而构成一个全波信号送入变压器。

2 系统软件设计

系统的控制功能主要由软件实现,用C语言编程实现。根据DHT11的采集数据进行判断,定义LED灯的端口初始值为0,即为灯灭。当温度检测值>5 ℃,湿度检测值90 RH,光敏电阻测出为白天时,将LED端口置为1,利用delay()延迟程序,完成两组灯轮流闪烁的效果。反之则置0。继电器端口初始值为1,即为打开高压电网。当温度检测值5℃,湿度检测值>90 RH时,所有输出端口均置0,整个系统全部关闭,节约能源。读取DS1302时钟芯片的全局变量和温湿度传感器DHT11传送的信号,将当前时间和温湿度测量值显示在128×64液晶屏上。

3 实验测试

整个实验装置接通电源,可观察到LCD液晶显示屏上有实时显示温湿度信息以及当前的时间,如图4所示。光敏电阻测出为天黑时,20个LZD灯交替闪亮,此时用电压表测量电网两端电压,可得到示数约为350 V,因为NE555输出的为方波信号,则实际电压值约为700 V。当光敏电阻测出为白天时,20个LED灯全部熄灭,再用电压表测量电网两端电压,电压值仍约为350 V,没有发生变化。

4 结束语

本文设计了一个基于STC12C5A60S2型号单片机的多波段LED诱杀虫系统,该系统采用太阳能电池作为电源,高压电网作为捕杀工具,通过单片机驱动4种不同波长的LED进行频闪,可诱杀更多的害虫,该系统根据实时温湿度信息对整个系统进行智能控制,不仅节约了能源,也使系统器件的使用寿命延长,可应用于农田、茶园、果园等害虫的扑杀。

关键词: 太阳能 单片机 LED杀虫灯 高压扑杀网

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