基于超聲波和微波技術(shù)的害蟲防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱詩(shī)雨，員玉良，馮 強(qiáng)

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109）

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)食品安全的要求也不斷提高，但在現(xiàn)今農(nóng)作物病蟲害問(wèn)題上，主流殺蟲方式依然是農(nóng)藥殺蟲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人們對(duì)農(nóng)作物綠色安全的要求，而且還會(huì)污染環(huán)境，因此能夠有效地防治害蟲成為農(nóng)作物是否健康成長(zhǎng)的關(guān)鍵因素?；谝陨显?，既要減少環(huán)境污染，又要害蟲防治有效，因此我們采用物理殺蟲技術(shù)，即超聲波驅(qū)蟲和微波殺蟲技術(shù)。目前的殺蟲方法一般分為兩大類，一是農(nóng)藥殺蟲，二是黑光燈誘捕害蟲，通過(guò)高壓電擊殺死[1]。農(nóng)藥殺蟲效果剛開始很好，隨著時(shí)間的推移，害蟲逐漸產(chǎn)生抗藥性，殺蟲效果降低，電擊殺蟲的殺蟲效果較前者有了很大的提升，但是容易受高電壓、惡劣環(huán)境等影響，容易給害蟲造成逃生的機(jī)會(huì)，針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種超聲波和微波技術(shù)相結(jié)合的害蟲防治系統(tǒng)。

利用超聲波刺激害蟲的神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致害蟲的生理紊亂，從而達(dá)到驅(qū)趕害蟲的目的，適用于農(nóng)田中。通過(guò)發(fā)射不同頻率的超聲波，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種害蟲的驅(qū)趕，減少害蟲對(duì)農(nóng)作物的傷害，此外超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，超過(guò)了人耳所能聽到的聽覺范圍，能夠減少對(duì)人類生活的影響[2]。微波殺蟲利用微波發(fā)生器產(chǎn)生微波，在微波電磁場(chǎng)的作用下，使害蟲體內(nèi)的蛋白質(zhì)失去活性而死亡[3]。在超聲波和微波的共同作用下，既保證了農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)，又提高了誘殺害蟲的效率。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由超聲波驅(qū)蟲系統(tǒng)和微波殺蟲系統(tǒng)兩大部分組成，通過(guò)結(jié)合語(yǔ)音指令和環(huán)境光線情況控制超聲波驅(qū)蟲系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)蟲，超聲波驅(qū)蟲系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，即定頻驅(qū)蟲和自動(dòng)掃頻驅(qū)蟲。定頻驅(qū)蟲是發(fā)射固定的超聲波頻率，主要針對(duì)某一種或某一類特定的害蟲，針對(duì)性較強(qiáng)，自動(dòng)掃頻驅(qū)蟲可以實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器的自動(dòng)調(diào)頻，發(fā)射連續(xù)變化的超聲波頻率，實(shí)現(xiàn)驅(qū)趕不同種類的害蟲，同時(shí)也可避免長(zhǎng)時(shí)間使用后害蟲對(duì)固定頻率產(chǎn)生適應(yīng)性，導(dǎo)致驅(qū)蟲效果下降[4]。微波殺蟲系統(tǒng)是通過(guò)光照傳感器實(shí)時(shí)感知光照強(qiáng)度，利用黑光燈誘捕害蟲，微波發(fā)生器將誘捕的害蟲殺死。整個(gè)裝置的工作狀態(tài)通過(guò)串口屏實(shí)時(shí)顯示，顯示模塊顯示的內(nèi)容為超聲波頻率、驅(qū)蟲的類型、殺蟲的結(jié)果，為了避免語(yǔ)音識(shí)別出現(xiàn)錯(cuò)誤，還可以通過(guò)串口屏觸摸進(jìn)行系統(tǒng)控制。系統(tǒng)方案示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Schematic diagram of system scheme

2 超聲波驅(qū)蟲系統(tǒng)

2.1 超聲波驅(qū)蟲原理

通過(guò)查閱大量資料顯示，大多數(shù)害蟲對(duì)20～60 kHz的超聲波產(chǎn)生厭惡感，使它們的聽覺神經(jīng)感到不適應(yīng)，根據(jù)害蟲的這一特性，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別指令驅(qū)動(dòng)單片機(jī)控制DDS模塊產(chǎn)生 25 kHz，30 kHz，40 kHz，50 kHz，60 kHz等一系列的頻率信號(hào)，通過(guò)功率放大電路對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行功率放大[5]，利用超聲波換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)開始驅(qū)蟲[6]。超聲波驅(qū)蟲的原理如圖2所示。

圖2 超聲波驅(qū)蟲原理Fig.2 Principle diagram of ultrasonic deworm

2.2 語(yǔ)音模塊

本設(shè)計(jì)采用的語(yǔ)音模塊是REC-V2，該語(yǔ)音模塊具有識(shí)別指令多、識(shí)別深度廣、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)上位機(jī)軟件New Way Speech對(duì)語(yǔ)音模塊創(chuàng)建識(shí)別關(guān)鍵詞，當(dāng)語(yǔ)音模塊識(shí)別到關(guān)鍵詞時(shí)，通過(guò)串口通信發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)指令控制DDS模塊執(zhí)行相應(yīng)的功能。語(yǔ)音模塊與單片機(jī)的引腳連接圖如圖3所示。

圖3 語(yǔ)音模塊原理Fig.3 Principle diagram of voice module

2.3 DDS模塊

本系統(tǒng)要求DDS模塊能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)頻率的輸出，有較高的分辨率和轉(zhuǎn)換速度[7]，因此采用的是AD9851模塊，AD9851模塊是ADI應(yīng)用最先進(jìn)的DDS技術(shù)制作的模塊之一，AD9851芯片有兩種工作模式，即串行模式和并行模式。由于并行模式占用的I/O口較多，所以采用串行模式，AD9851有40位控制字，單片機(jī)在WCLK上升沿時(shí)將D7引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，再將剩余的控制字依次移位到數(shù)據(jù)寄存器，移位結(jié)束后通過(guò)FQ_UP更新輸出的頻率和相位，通過(guò)OUT引腳輸出所需的正弦波[8]。AD9851的原理如圖4所示。

圖4 AD9851模塊原理Fig.4 Principle diagram of AD9851 module

2.4 功率放大電路

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路，主要是對(duì)電流信號(hào)的放大[9]，在本次設(shè)計(jì)中由于AD9851產(chǎn)生的頻率信號(hào)的電壓電流達(dá)不到驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的要求，因此需要將產(chǎn)生的頻率信號(hào)進(jìn)行功率放大，基本原則是輸出功率大、非線性失真小，因此選用TDA2030A功率放大芯片，功率放大電路如圖5所示[10]。

圖5 功率放大電路Fig.5 Power amplification circuit

2.5 超聲波換能器

圖6 超聲波換能器Fig.6 Ultrasonic transducer

超聲波換能器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)向四周發(fā)射出去的裝置。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選用的是PW5120系列超聲波喇叭作為超聲波換能器，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)功率大約在1 W左右，符合本系統(tǒng)節(jié)能的設(shè)計(jì)理念，超聲波換能器的實(shí)物如圖6所示。

3 微波殺蟲系統(tǒng)

3.1 微波系統(tǒng)電源控制電路

微波殺蟲電路設(shè)計(jì)中，采用的是HSTL-GZD光照度傳感器，將采集到的光照度模擬信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到光照度數(shù)值，利用SRD-12VDC-SL-C型號(hào)的繼電器控制微波系統(tǒng)的供電電源，采用高電平觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)黑光燈、微波發(fā)生裝置的開關(guān)控制[11]。微波殺蟲的電源控制電路如圖7所示。

圖7 電源控制電路Fig.7 Power supply control circuit

3.2 微波發(fā)生器

本系統(tǒng)采用一個(gè)集成的微波射頻發(fā)生器，頻率范圍 35 MHz～4.4 GHz，最小步進(jìn) 1 kHz，工作方式為單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)只需要3根數(shù)據(jù)線，通過(guò)單片機(jī)控制模塊的內(nèi)部寄存器，完成對(duì)寄存器控制字的寫入，使其輸出需要的微波頻率。微波發(fā)生器的工作原理如圖8所示。

圖8 微波發(fā)生器原理Fig.8 Principle diagram of microwave generator

3.3 微波殺蟲原理

微波殺蟲裝置由誘蟲燈部分、風(fēng)機(jī)部分、微波部分與支撐固定這四部分組成。誘蟲燈部分包括黑光燈和燈罩，風(fēng)機(jī)部分包括電機(jī)帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)形成的吸風(fēng)機(jī)和通氣孔，微波部分包括微波箱和微波發(fā)生器。微波殺蟲原理如圖9所示。

圖9 微波殺蟲裝置示意Fig.9 Device diagram of microwave pest-killing

微波殺蟲裝置根據(jù)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的光照度值，當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器開關(guān)K1閉合，打開黑光燈、風(fēng)機(jī)和微波裝置，利用害蟲的趨光性，黑光燈發(fā)出紫外線，將害蟲引誘聚集在一起，在風(fēng)機(jī)的作用的下，黑光燈附近形成一定的負(fù)壓，將害蟲吸進(jìn)微波箱，在微波發(fā)生器的作用下將害蟲殺死，殺死后的蟲子可通過(guò)開關(guān)門清理出來(lái)，這種方法既高效，又能夠保護(hù)環(huán)境，減少農(nóng)藥的使用量。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后完成系統(tǒng)初始化，語(yǔ)音模塊或光照度傳感器將外部信息或指令傳送給單片機(jī)，單片機(jī)識(shí)別信息后，如果光照度值大于設(shè)定值，開始進(jìn)行超聲波驅(qū)蟲，相反則進(jìn)行微波殺蟲，并將相應(yīng)結(jié)果顯示到串口屏上。軟件流程如圖10所示。

圖10 軟件流程Fig.10 Software flow chart

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波和微波技術(shù)的害蟲防治系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用AD9851模塊產(chǎn)生多種頻率信號(hào)，增加了驅(qū)蟲的種類，采用TDA2030A芯片搭建功率放大電路，輸出的功率非線性失真小，保證了超聲波換能器的正常工作[12]。采用黑光燈誘捕害蟲和微波殺蟲，提高了殺蟲效果，該系統(tǒng)具有殺蟲效果好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此具有一定的實(shí)用性和推廣意義。