基于超聲波和微波技術的害蟲防治系統(tǒng)設計

朱詩雨，員玉良，馮 強

（青島農業(yè)大學 機電工程學院，青島 266109）

隨著人們生活水平的提高，人們對食品安全的要求也不斷提高，但在現(xiàn)今農作物病蟲害問題上，主流殺蟲方式依然是農藥殺蟲，遠遠達不到人們對農作物綠色安全的要求，而且還會污染環(huán)境，因此能夠有效地防治害蟲成為農作物是否健康成長的關鍵因素。基于以上原因，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，即超聲波驅蟲和微波殺蟲技術。目前的殺蟲方法一般分為兩大類，一是農藥殺蟲，二是黑光燈誘捕害蟲，通過高壓電擊殺死[1]。農藥殺蟲效果剛開始很好，隨著時間的推移，害蟲逐漸產生抗藥性，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會，針對這一現(xiàn)狀，本文設計了一種超聲波和微波技術相結合的害蟲防治系統(tǒng)。

利用超聲波刺激害蟲的神經系統(tǒng)，導致害蟲的生理紊亂，從而達到驅趕害蟲的目的，適用于農田中。通過發(fā)射不同頻率的超聲波，實現(xiàn)對多種害蟲的驅趕，減少害蟲對農作物的傷害，此外超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，超過了人耳所能聽到的聽覺范圍，能夠減少對人類生活的影響[2]。微波殺蟲利用微波發(fā)生器產生微波，在微波電磁場的作用下，使害蟲體內的蛋白質失去活性而死亡[3]。在超聲波和微波的共同作用下，既保證了農作物的健康生長，又提高了誘殺害蟲的效率。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由超聲波驅蟲系統(tǒng)和微波殺蟲系統(tǒng)兩大部分組成，通過結合語音指令和環(huán)境光線情況控制超聲波驅蟲系統(tǒng)進行驅蟲，超聲波驅蟲系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，即定頻驅蟲和自動掃頻驅蟲。定頻驅蟲是發(fā)射固定的超聲波頻率，主要針對某一種或某一類特定的害蟲，針對性較強，自動掃頻驅蟲可以實現(xiàn)超聲波發(fā)生器的自動調頻，發(fā)射連續(xù)變化的超聲波頻率，實現(xiàn)驅趕不同種類的害蟲，同時也可避免長時間使用后害蟲對固定頻率產生適應性，導致驅蟲效果下降[4]。微波殺蟲系統(tǒng)是通過光照傳感器實時感知光照強度，利用黑光燈誘捕害蟲，微波發(fā)生器將誘捕的害蟲殺死。整個裝置的工作狀態(tài)通過串口屏實時顯示，顯示模塊顯示的內容為超聲波頻率、驅蟲的類型、殺蟲的結果，為了避免語音識別出現(xiàn)錯誤，還可以通過串口屏觸摸進行系統(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 超聲波驅蟲系統(tǒng)

2.1 超聲波驅蟲原理

通過查閱大量資料顯示，大多數(shù)害蟲對20～60 kHz的超聲波產生厭惡感，使它們的聽覺神經感到不適應，根據(jù)害蟲的這一特性，通過語音識別指令驅動單片機控制DDS模塊產生 25 kHz，30 kHz，40 kHz，50 kHz，60 kHz等一系列的頻率信號，通過功率放大電路對頻率信號進行功率放大[5]，利用超聲波換能器將電信號轉換為超聲波信號開始驅蟲[6]。超聲波驅蟲的原理如圖2所示。

圖2 超聲波驅蟲原理Fig.2 Principle diagram of ultrasonic deworm

2.2 語音模塊

本設計采用的語音模塊是REC-V2，該語音模塊具有識別指令多、識別深度廣、集成度高等優(yōu)點，通過上位機軟件New Way Speech對語音模塊創(chuàng)建識別關鍵詞，當語音模塊識別到關鍵詞時，通過串口通信發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)指令控制DDS模塊執(zhí)行相應的功能。語音模塊與單片機的引腳連接圖如圖3所示。

圖3 語音模塊原理Fig.3 Principle diagram of voice module

2.3 DDS模塊

本系統(tǒng)要求DDS模塊能夠實現(xiàn)可調頻率的輸出，有較高的分辨率和轉換速度[7]，因此采用的是AD9851模塊，AD9851模塊是ADI應用最先進的DDS技術制作的模塊之一，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，單片機在WCLK上升沿時將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，移位結束后通過FQ_UP更新輸出的頻率和相位，通過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，主要是對電流信號的放大[9]，在本次設計中由于AD9851產生的頻率信號的電壓電流達不到驅動超聲波換能器的要求，因此需要將產生的頻率信號進行功率放大，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轉換成超聲波信號向四周發(fā)射出去的裝置。在本系統(tǒng)設計中我們選用的是PW5120系列超聲波喇叭作為超聲波換能器，經過實測功率大約在1 W左右，符合本系統(tǒng)節(jié)能的設計理念，超聲波換能器的實物如圖6所示。

3 微波殺蟲系統(tǒng)

3.1 微波系統(tǒng)電源控制電路

微波殺蟲電路設計中，采用的是HSTL-GZD光照度傳感器，將采集到的光照度模擬信號發(fā)送到單片機，單片機經過A/D轉換得到光照度數(shù)值，利用SRD-12VDC-SL-C型號的繼電器控制微波系統(tǒng)的供電電源，采用高電平觸發(fā)的方式實現(xiàn)對黑光燈、微波發(fā)生裝置的開關控制[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)采用一個集成的微波射頻發(fā)生器，頻率范圍 35 MHz～4.4 GHz，最小步進 1 kHz，工作方式為單片機驅動，驅動時只需要3根數(shù)據(jù)線，通過單片機控制模塊的內部寄存器，完成對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、風機部分、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，風機部分包括電機帶動扇葉轉動形成的吸風機和通氣孔，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A/D轉換的光照度值，當光照強度低于設定值時，單片機控制繼電器開關K1閉合，打開黑光燈、風機和微波裝置，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，在風機的作用的下，黑光燈附近形成一定的負壓，將害蟲吸進微波箱，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開關門清理出來，這種方法既高效，又能夠保護環(huán)境，減少農藥的使用量。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)啟動后完成系統(tǒng)初始化，語音模塊或光照度傳感器將外部信息或指令傳送給單片機，單片機識別信息后，如果光照度值大于設定值，開始進行超聲波驅蟲，相反則進行微波殺蟲，并將相應結果顯示到串口屏上。軟件流程如圖10所示。

圖10 軟件流程Fig.10 Software flow chart

5 結語

本文設計了一種基于超聲波和微波技術的害蟲防治系統(tǒng)。設計中采用AD9851模塊產生多種頻率信號，增加了驅蟲的種類，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，因此具有一定的實用性和推廣意義。