基于單片機的殺蟲燈智能控制器設計

陳世雄

摘要：為了解決傳統殺蟲燈自動化程度不高、人工計數勞動強度大等問題，利用單片機技術研制一種集電擊計數、電網清理、故障檢測保護于一體的殺蟲燈智能控制器。系統介紹了殺蟲燈系統結構、控制器電源電路、單片機主電路、低壓端電流采集電路、輸入/輸出（I/O）口的控制電路、電網清理狀態檢測電路、邏輯信號輸出電路等以及軟件設計。通過與物聯網技術相結合，利用高壓電網殺滅害蟲所產生的電流變化量進行滅蟲計數，在蟲害暴發時可以實現異常蟲情報警，為大田精準施藥、減少施藥提供數據參考和決策依據。

關鍵詞：單片機;殺蟲燈;電擊計數;電網清理;故障檢測;智能控制器

中圖分類號：S126;S477 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）13-0186-06

人們從“飛蛾撲火”的現象觀察到昆蟲具有對光線敏感性生理反應及趨光行為的習性，并漸漸地開始利用光源來誘殺害蟲[1]。殺蟲燈是利用害蟲具有較強的趨光、趨波特性，近距離用光、遠距離用波將害蟲成蟲吸引至光源附近，再以電擊、水淹、風吸等方式將害蟲殺滅[2-4]。隨著人們對綠色無公害農產品的日益增長需求，殺蟲燈成為防治農業、林業害蟲的重要手段[5]。電擊式殺蟲燈系統最重要的是高壓電網的控制器，控制器控制著電網電源和誘蟲燈的開關、自清潔裝置、電擊計數數據采集、故障檢測保護等工作。通過與物聯網技術相結合[6]，將高壓電網殺滅害蟲所產生的電流變化通過信號提取電路轉換成電壓信號給單片機進行計數，在蟲害暴發時可以實現異常蟲情報警，為大田的精準施藥、減少施藥提供數據參考和決策依據。

本研究設計了一款可自動誘捕與計數的農業害蟲自動監測控制器，單片機采用深圳市宏晶科技有限公司研發的STC12C2052AD單片機[7]。STC12C2052AD單片機是深圳市宏晶科技有限公司生產的單時鐘單片機，是運行速度高、功耗低、抗干擾強的更先進的8051單片機，程序指令完全兼容8051，但運行速度比以往8051快3～12倍;單片機內部已經集成專用復位電路，該設計外部使用10 MHz晶振，因此省去外部復位電路部分，STC12C2052AD單片機還具有8通道8位高速模/數（A/D）轉換器，硬件看門狗功能，全雙工異步串行口，兼容普通8051串口，先進的RISC精簡指令集結構，兼容普通8051指令集。STC12C2052AD單片機安全性好，單片機加密過的程序無法被破譯，并且用戶數據可直接保存在單片機的內部，就無法通過分析用戶數據的運行狀況來破譯程序。如果在以往8051單片機系統上已經調試好的程序，在STC12系列上可以直接使用，不需要重新編程編譯。

1 控制器設計思路

智能控制器結構框架見圖1?？刂破髦饕獔绦袡C構為高壓電網部分，其他系統都是為了更好地服務于高壓電網?？刂破髟谝巴馐褂?2 V太陽能系統供電。電擊殺害蟲計數原理是利用高壓電網殺滅害蟲所產生的電流變化量通過信號提取電路轉換成電壓變化量，送入單片機中通過A/D轉換器進行讀取和處理，單片機對滅蟲產生的信號進行計數，同時將其數據存入相應單元。工作時，在高壓電網中間放置誘芯或接入LED光源模塊[8]，誘引靶標害蟲觸碰電網被電擊，落入蟲體收集裝置。電擊產生的計數數據由數據傳輸單元（DTU）發送回數據庫[9]，做數據分析。在野外環境下，會有異物進入電網或蟲體卡在電網上，影響電網電擊效果，使用電網清理系統可以完全解決這一問題，電網清理系統由步進電機、清理盤、往復絲桿組成。在軟件程序的設計下，單片機自動控制器實時監測電網及步進電機通電狀態，收集有效電擊計數數據，智能開啟電網清理系統，故障關閉高壓電網供電和誘蟲燈。

智能控制器核心采用兼容8051內核單片機STC12C2052AD（芯片的內部功能結構見圖2），在通電狀態下即可實時監測高壓電網電路低壓端的電流數據;有蟲體觸網被電擊時，電流數據值瞬間升高大于預設值，且3 s內無重復大于預設值，為一次有效計數，輸出一個0邏輯信號給DTU單元，發送回數據庫;當蟲體或異物卡在電網上發生持續電擊時啟動電網清理信號，對電網進行清理，清理結束后恢復正常，當清理結束后依舊發生持續電擊時，認為電網故障，切斷電網低壓端，停止電網供電并關閉誘蟲燈，同時觸發DTU發送故障信號，需要人為修復。自動控制器單片機系統框架圖見圖3。

2 控制器系統硬件設計

2.1 控制器電源電路

控制器使用直流12 V轉直流5 V的電源電路，電路圖見圖4。由于野外監測使用12 V太陽能供電系統，電池在充放電過程中電壓有一定的變化幅度，所以選用LM2596S-5.0來制作電源電路。LM2596系列是德州儀器（TI）生產的降壓穩壓開關型芯片，輸出電流最大可達到3 A，片內集成有 150 kHz 的振蕩器和1.235 V的基準穩壓器，并具有電流限制、溫度限制等保護電路。LM2596S-5.0外圍電路簡單，利用效率高。LM2596S-5.0還提供了寬電壓（DC 4.5～40.0 V）輸入，更適合野外電源系統應用。

LM2596芯片內部框圖見圖5，LM2596片內包含150 kHz振蕩器、1.235 V基準穩壓器、溫度限制、電流限制、放大器、比較器、穩壓器等電路結構。其中r1=2.5 kΩ，r2分別為2.4 kΩ（3.3 V）、7.6 kΩ（5 V）、21.8 kΩ（12 V）、0 Ω（可調），構建不同的電壓系統輸出。LM2596芯片工作時，將反饋電壓的分壓值同基準電壓值1.235 V進行比較，如果產生偏差，利用放大器改變振蕩器的輸出占空比，讓輸出的電壓維持在一定的范圍內，從而達到穩壓的目的。

2.2 控制器單片機系統主電路

STC12C2052AD系列工作電壓：5.5～3.4 V（5 V 單片機），工作頻率：0～35 MHz，相當于普通8051的0～420 MHz，實際工作頻率可達48 MHz。工作溫度：0～75 ℃/-40～85 ℃。STC12C2052AD內部硬件看門狗和復位電路，外圍電路簡單，控制器主電路見圖6。晶振Z1選用10 MHz，能夠有效采集電流數據不遺漏?？刂破鱌CB實物見圖7。

2.3 控制器電流采集電路

高壓電網為低功耗系統，其低壓端為直流電壓12 V，靜態電流為50 mA，當有蟲體觸碰電網發生電擊時低壓端電流瞬時增大到200 mA以上。根據這一特性，可統計被電擊蟲體數量，如果連續電擊可判斷高壓電網有異物黏連。利用采集電路實時監測電網低壓端電流變化，判斷蟲體電擊數量及電網狀態?？刂破麟娏鞑杉娐芬妶D8，因為電流量是

模擬量，A/D轉換器對于電流量不能直接讀取，所以需要將電流量轉化為電壓量，通過A/D轉換器進行讀取和處理。R3為采樣電阻，將采樣電流轉換成電壓量輸入給單片機，C5為濾波電容，可降低信號干擾。STC12C2052AD帶A/D 轉換在P1口有8路8位高精度的高速A/D 轉換器，速度可達 100 kHz。通過軟件將P1.3設置為開漏模式作為A/D 轉換，其他口繼續作I/O口使用。A/D 轉換結果存儲在ADC_DATA（A/D 轉換結果特殊功能寄存器），A/D轉換計算公式：結果=256 ×VI/VCC，VI為采樣電阻的模擬電壓，VCC 為單片機的工作電壓。

2.4 控制器I/O口的控制電路

控制器控制電路見圖9，P1.0、P1.6為控制 I/O， 利用Q7、Q11共2個三極管作為隔離器， 分別控制K1、K2繼電器。K1控制直流5 V輸出，可啟動電網清理系統;K2以開關量輸出，對電網低壓端供電進行控制。

2.5 控制器電網清理狀態檢測電路

檢測電路見圖10，P3.2為檢測口，R20為上拉電阻，將P3.2輸出置1，收到置0信號單片機就可以檢測到。電網清理系統是以直流5 V電壓供電，可以用Q8三極管為反向器直接接收5 V信號，當有5 V信號輸入時，Q8直接將P3.2變為低電平，單片機就可以檢測到，確定為電網清理系統處在工作狀態。當電網清理系統停止工作時，無電壓信號輸入，由R27下拉置0，Q8阻斷導通，P3.2恢復置1。

2.6 控制器邏輯信號輸出電路

電路見圖11，P1.7口作為邏輯信號輸出，對接DTU信號輸入。R29為保護電阻，LED2為狀態指示燈。通過軟件將P1.7設置為開漏模式，當口線鎖存器為 0 時，開漏輸出關閉所有上拉晶體管。作為一個邏輯輸出時，可適配外部系統上拉電勢，即可兼容對接3.3 V系統和5 V系統。

3 控制器軟件設計

3.1 主程序流程

控制器程序設計成上電自動運行，包括A/d轉換程序、數據處理程序、控制輸出程序、邏輯輸出程序等。主程序流程見圖12。

3.2 A/D轉換子程序

GEI_ADC：

PUSH ACC

MOV 50H，#00H ;A/D轉換結果寄存器清零

MOV ADC_DATA，#00H ;A/D 轉換結果特殊功能寄存器清零

ORL ADC_CONTR，#08H ;啟動A/D轉換

LCALL DELAY? PRUN：

MOV A，#10H ;測試A/D轉換結束否

ANL A，ADC_CONTR

JZ PRUN

ANL ADC_CONTR，#63H ;停止A/D轉換

MOV A，ADC_DATA ;保存A/D轉換結果

MOV 50H，A

POP ACC

RETI

4 結論

本研究選用STC12C2052AD-5 V單片機研制的多功能智能控制器，實現了工作時段可調整機制、電網智能清理、高壓電網故障檢測保護、電擊蟲量自動計數等功能，控制器包括系統結構、控制器電源電路、單片機主電路、低壓端電流采集電路、I/O 口的控制電路、電網清理狀態檢測電路、邏輯信號輸出電路等以及軟件設計[10]。由于STC12C2052AD集成度高，先進的RISC精簡指令集與以往的單片機結構設計比較[11]，其結構更加簡潔，可大大降低研制成本。STC12C2052AD的運行速度比傳統單片機快3～12倍，響應速度快。智能控制器應用在物聯網殺蟲燈中，能提升裝備野外蟲情智能化監測水平，可為蟲情數據的預警分析提供有效依據和準確性，有利于降低害蟲防治成本，提高防治效果。

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