基于單片機的殺蟲燈智能控制器設(shè)計

陳世雄

摘要：為了解決傳統(tǒng)殺蟲燈自動化程度不高、人工計數(shù)勞動強度大等問題，利用單片機技術(shù)研制一種集電擊計數(shù)、電網(wǎng)清理、故障檢測保護于一體的殺蟲燈智能控制器。系統(tǒng)介紹了殺蟲燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(wǎng)清理狀態(tài)檢測電路、邏輯信號輸出電路等以及軟件設(shè)計。通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，利用高壓電網(wǎng)殺滅害蟲所產(chǎn)生的電流變化量進行滅蟲計數(shù)，在蟲害暴發(fā)時可以實現(xiàn)異常蟲情報警，為大田精準施藥、減少施藥提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單片機;殺蟲燈;電擊計數(shù);電網(wǎng)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(xiàn)象觀察到昆蟲具有對光線敏感性生理反應(yīng)及趨光行為的習(xí)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(fēng)吸等方式將害蟲殺滅[2-4]。隨著人們對綠色無公害農(nóng)產(chǎn)品的日益增長需求，殺蟲燈成為防治農(nóng)業(yè)、林業(yè)害蟲的重要手段[5]。電擊式殺蟲燈系統(tǒng)最重要的是高壓電網(wǎng)的控制器，控制器控制著電網(wǎng)電源和誘蟲燈的開關(guān)、自清潔裝置、電擊計數(shù)數(shù)據(jù)采集、故障檢測保護等工作。通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合[6]，將高壓電網(wǎng)殺滅害蟲所產(chǎn)生的電流變化通過信號提取電路轉(zhuǎn)換成電壓信號給單片機進行計數(shù)，在蟲害暴發(fā)時可以實現(xiàn)異常蟲情報警，為大田的精準施藥、減少施藥提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。

本研究設(shè)計了一款可自動誘捕與計數(shù)的農(nóng)業(yè)害蟲自動監(jiān)測控制器，單片機采用深圳市宏晶科技有限公司研發(fā)的STC12C2052AD單片機[7]。STC12C2052AD單片機是深圳市宏晶科技有限公司生產(chǎn)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(nèi)部已經(jīng)集成專用復(fù)位電路，該設(shè)計外部使用10 MHz晶振，因此省去外部復(fù)位電路部分，STC12C2052AD單片機還具有8通道8位高速模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)可直接保存在單片機的內(nèi)部，就無法通過分析用戶數(shù)據(jù)的運行狀況來破譯程序。如果在以往8051單片機系統(tǒng)上已經(jīng)調(diào)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(shè)計思路

智能控制器結(jié)構(gòu)框架見圖1?？刂破髦饕獔?zhí)行機構(gòu)為高壓電網(wǎng)部分，其他系統(tǒng)都是為了更好地服務(wù)于高壓電網(wǎng)?？刂破髟谝巴馐褂?2 V太陽能系統(tǒng)供電。電擊殺害蟲計數(shù)原理是利用高壓電網(wǎng)殺滅害蟲所產(chǎn)生的電流變化量通過信號提取電路轉(zhuǎn)換成電壓變化量，送入單片機中通過A/D轉(zhuǎn)換器進行讀取和處理，單片機對滅蟲產(chǎn)生的信號進行計數(shù)，同時將其數(shù)據(jù)存入相應(yīng)單元。工作時，在高壓電網(wǎng)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(wǎng)被電擊，落入蟲體收集裝置。電擊產(chǎn)生的計數(shù)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）發(fā)送回數(shù)據(jù)庫[9]，做數(shù)據(jù)分析。在野外環(huán)境下，會有異物進入電網(wǎng)或蟲體卡在電網(wǎng)上，影響電網(wǎng)電擊效果，使用電網(wǎng)清理系統(tǒng)可以完全解決這一問題，電網(wǎng)清理系統(tǒng)由步進電機、清理盤、往復(fù)絲桿組成。在軟件程序的設(shè)計下，單片機自動控制器實時監(jiān)測電網(wǎng)及步進電機通電狀態(tài)，收集有效電擊計數(shù)數(shù)據(jù)，智能開啟電網(wǎng)清理系統(tǒng)，故障關(guān)閉高壓電網(wǎng)供電和誘蟲燈。

智能控制器核心采用兼容8051內(nèi)核單片機STC12C2052AD（芯片的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)見圖2），在通電狀態(tài)下即可實時監(jiān)測高壓電網(wǎng)電路低壓端的電流數(shù)據(jù);有蟲體觸網(wǎng)被電擊時，電流數(shù)據(jù)值瞬間升高大于預(yù)設(shè)值，且3 s內(nèi)無重復(fù)大于預(yù)設(shè)值，為一次有效計數(shù)，輸出一個0邏輯信號給DTU單元，發(fā)送回數(shù)據(jù)庫;當(dāng)蟲體或異物卡在電網(wǎng)上發(fā)生持續(xù)電擊時啟動電網(wǎng)清理信號，對電網(wǎng)進行清理，清理結(jié)束后恢復(fù)正常，當(dāng)清理結(jié)束后依舊發(fā)生持續(xù)電擊時，認為電網(wǎng)故障，切斷電網(wǎng)低壓端，停止電網(wǎng)供電并關(guān)閉誘蟲燈，同時觸發(fā)DTU發(fā)送故障信號，需要人為修復(fù)。自動控制器單片機系統(tǒng)框架圖見圖3。

2 控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制器電源電路

控制器使用直流12 V轉(zhuǎn)直流5 V的電源電路，電路圖見圖4。由于野外監(jiān)測使用12 V太陽能供電系統(tǒng)，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(chǎn)的降壓穩(wěn)壓開關(guān)型芯片，輸出電流最大可達到3 A，片內(nèi)集成有 150 kHz 的振蕩器和1.235 V的基準穩(wěn)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(tǒng)應(yīng)用。

LM2596芯片內(nèi)部框圖見圖5，LM2596片內(nèi)包含150 kHz振蕩器、1.235 V基準穩(wěn)壓器、溫度限制、電流限制、放大器、比較器、穩(wěn)壓器等電路結(jié)構(gòu)。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(diào)），構(gòu)建不同的電壓系統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)，從而達到穩(wěn)壓的目的。

2.2 控制器單片機系統(tǒng)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(dāng)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(nèi)部硬件看門狗和復(fù)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(shù)據(jù)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(wǎng)為低功耗系統(tǒng)，其低壓端為直流電壓12 V，靜態(tài)電流為50 mA，當(dāng)有蟲體觸碰電網(wǎng)發(fā)生電擊時低壓端電流瞬時增大到200 mA以上。根據(jù)這一特性，可統(tǒng)計被電擊蟲體數(shù)量，如果連續(xù)電擊可判斷高壓電網(wǎng)有異物黏連。利用采集電路實時監(jiān)測電網(wǎng)低壓端電流變化，判斷蟲體電擊數(shù)量及電網(wǎng)狀態(tài)?？刂破麟娏鞑杉娐芬妶D8，因為電流量是

模擬量，A/D轉(zhuǎn)換器對于電流量不能直接讀取，所以需要將電流量轉(zhuǎn)化為電壓量，通過A/D轉(zhuǎn)換器進行讀取和處理。R3為采樣電阻，將采樣電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換在P1口有8路8位高精度的高速A/D 轉(zhuǎn)換器，速度可達 100 kHz。通過軟件將P1.3設(shè)置為開漏模式作為A/D 轉(zhuǎn)換，其他口繼續(xù)作I/O口使用。A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在ADC_DATA（A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果特殊功能寄存器），A/D轉(zhuǎn)換計算公式：結(jié)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(wǎng)清理系統(tǒng);K2以開關(guān)量輸出，對電網(wǎng)低壓端供電進行控制。

2.5 控制器電網(wǎng)清理狀態(tài)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(wǎng)清理系統(tǒng)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(dāng)有5 V信號輸入時，Q8直接將P3.2變?yōu)榈碗娖?，單片機就可以檢測到，確定為電網(wǎng)清理系統(tǒng)處在工作狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)清理系統(tǒng)停止工作時，無電壓信號輸入，由R27下拉置0，Q8阻斷導(dǎo)通，P3.2恢復(fù)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(tài)指示燈。通過軟件將P1.7設(shè)置為開漏模式，當(dāng)口線鎖存器為 0 時，開漏輸出關(guān)閉所有上拉晶體管。作為一個邏輯輸出時，可適配外部系統(tǒng)上拉電勢，即可兼容對接3.3 V系統(tǒng)和5 V系統(tǒng)。

3 控制器軟件設(shè)計

3.1 主程序流程

控制器程序設(shè)計成上電自動運行，包括A/d轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換子程序

GEI_ADC：

PUSH ACC

MOV 50H，#00H ;A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器清零

MOV ADC_DATA，#00H ;A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果特殊功能寄存器清零

ORL ADC_CONTR，#08H ;啟動A/D轉(zhuǎn)換

LCALL DELAY? PRUN：

MOV A，#10H ;測試A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束否

ANL A，ADC_CONTR

JZ PRUN

ANL ADC_CONTR，#63H ;停止A/D轉(zhuǎn)換

MOV A，ADC_DATA ;保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

MOV 50H，A

POP ACC

RETI

4 結(jié)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(xiàn)了工作時段可調(diào)整機制、電網(wǎng)智能清理、高壓電網(wǎng)故障檢測保護、電擊蟲量自動計數(shù)等功能，控制器包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(wǎng)清理狀態(tài)檢測電路、邏輯信號輸出電路等以及軟件設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計比較[11]，其結(jié)構(gòu)更加簡潔，可大大降低研制成本。STC12C2052AD的運行速度比傳統(tǒng)單片機快3～12倍，響應(yīng)速度快。智能控制器應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)殺蟲燈中，能提升裝備野外蟲情智能化監(jiān)測水平，可為蟲情數(shù)據(jù)的預(yù)警分析提供有效依據(jù)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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