一種農(nóng)作物智能電子滅蟲燈的設(shè)計**

李馨蕾 ，黎鏡鑫 ，周瑞婷 ，袁 夢

（宿遷學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

大多數(shù)昆蟲如蚊子、蒼蠅、飛蛾等都具有趨光性。根據(jù)它們的特性，研制吸引害蟲的特殊燈管[1]，并且在燈管前面裝設(shè)高壓電網(wǎng)。當滅蟲燈通電時，燈體周圍的電極產(chǎn)生高壓電，由于電極所帶的高壓電具有很強的吸附能力，所以當害蟲在燈光的誘惑下靠近滅蟲燈時會被高壓電吸附在電極上并被消滅。同理，電擊式滅蚊燈利用了蚊蟲強趨光性和趨溫性，當紫外線熒光燈作為光源發(fā)光時，蚊蟲將被吸引從而飛進滅蚊燈內(nèi)，被設(shè)置的高壓電網(wǎng)電死，這就是電子滅蚊燈的基本原理[2]。

滅蚊燈發(fā)出的紫外燈光有照明作用，可作為夜間照明的小夜燈使用。智能電子滅蟲在滅蟲技術(shù)方面利用交直流、太陽能的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，同時也利用部分害蟲的趨光特性[3]。這是一種值得推廣的技術(shù)，它對資源的節(jié)約、代替和循環(huán)利用有著積極的影響。它不但克服了化學滅蟲的不利要素，并且減少了使用農(nóng)藥滅蟲對生態(tài)文明和人類健康的威脅，更加有利于人們的身體健康。而且，減少農(nóng)藥的使用也將會從源頭上保障大部分農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，提高人們的健康生活品質(zhì)，符合社會的發(fā)展需求，為有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供可靠的途徑。它對維持生態(tài)平衡和節(jié)約能源有著不可估量的作用，同時也為無公害乃至綠色有機蔬菜生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)，減少環(huán)境污染，維持生態(tài)平衡，節(jié)約能源[4]。

1 課題研究背景與意義

由于化學工業(yè)的飛速發(fā)展，農(nóng)藥產(chǎn)品種類和數(shù)量不斷增多，在一定程度上滿足了農(nóng)民防治害蟲的需求，對農(nóng)業(yè)發(fā)展起到積極作用。然而，傳統(tǒng)的單一使用農(nóng)藥進行害蟲防治的方式，已不再滿足中國特色社會主義新時代的發(fā)展需要。再者，農(nóng)藥的濫用對農(nóng)產(chǎn)品也有一定的污染，這對人們的身體健康存在潛在危險。為順應時代潮流，創(chuàng)新性防治害蟲技術(shù)的發(fā)展成為必要。為了讓人們的生活更加健康，發(fā)展新型防治害蟲技術(shù)是農(nóng)牧發(fā)展的重點[5]。而智能電子滅蟲燈利用昆蟲的趨光特性吸引害蟲，再借助高壓電將其殺死，這項技術(shù)研究最早，技術(shù)最為成熟、發(fā)展最快，也符合社會需求，它將激起創(chuàng)新性防治害蟲技術(shù)的新浪潮，走在創(chuàng)新性防治害蟲技術(shù)的最前沿。

2 滅蟲燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于太陽能交直流兩用滅蟲燈基本電路如圖1所示，電路由以下幾個模塊構(gòu)成。

圖1 滅蟲燈基本電路圖

2.1 直流電壓電路設(shè)計

該部分電源使用220 V交流電，先通過交流變壓器降壓，再通過橋式整流電路轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，最后通過12 V的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，輸出12 V的直流電壓。

2.2 太陽能電池控制電路設(shè)計

該部分使用太陽能電池來吸收光能，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將吸收的光能轉(zhuǎn)換成低壓直流電能后，再把低壓直流電能儲存到蓄電池以供滅蟲燈發(fā)光使用。其主要核心裝置是太陽能電池和智能控制系統(tǒng)。其基本要求是能提供穩(wěn)定的低壓直流電的蓄積，電池使用壽命長，安裝成本比較低，維修維護更加方便[6]。

2.3 滅蟲燈周圍環(huán)境布置的高壓電網(wǎng)電路設(shè)計

該部分由高頻振蕩器、電壓放大器和單相變壓器構(gòu)成。電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，便于實現(xiàn)。

3 電路設(shè)計分析

3.1 橋式整流電路

橋式整流電路的工作原理由4個二極管兩兩并聯(lián)構(gòu)成橋式整流電路，其輸出電壓分別把正、負電壓整流，形成直流電壓，施加于蓄電池兩端并為其充電。

變壓器有兩組線圈，分別為初級線圈（n1）和次級線圈（n2），其中和電源相接的是初級線圈。初級線圈通電后，變壓器中的鐵芯就會產(chǎn)生交變磁場，次級線圈產(chǎn)生感應電動勢，從而實現(xiàn)電壓變化。其所對應的關(guān)系為：n1∶n2=u1∶u2。

其電路導通過程如圖1所示，首先通過T1把220 V的交流高壓降為較低的電壓，再通過個二極管把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過穩(wěn)壓管得到一個穩(wěn)定的直流電壓。

3.2 高壓脈沖電路的設(shè)計

高壓脈沖電路由NE555等脈沖振蕩電路組成，如圖2所示。NE555構(gòu)成多諧振蕩器，R1、R2和C是外接的定時器件。該脈沖振蕩電路的工作原理如下：在接通電源的瞬間，TH和TR端的電位為0，RS觸發(fā)器的R=0，S=1，觸發(fā)器置1，即為高電平，OUT的電壓是高電平，此時MOS管截止，直流電源經(jīng)R1、R2對C進行充電，TH和TR端的電位逐漸升高。當TH和TR端的電位上升到2/3VDD以上時，比較器A的輸出變?yōu)楦唠娖剑容^器B的輸出變?yōu)?，使RS觸發(fā)器置0，即為低電平。輸出端OUT的電壓為低電平。當MOS管導通，C通過R2及MOS管放電，輸出端OUT的電壓降低。當輸出端OUT的電壓降低到1/3VDD以下時，比較器B的輸出使S變?yōu)楦唠娖剑容^器A的輸出使R變?yōu)榈碗娖剑敵鲭妷涸偬兊礁唠娖剑饘傺趸锏陌雽w管熔斷，C進行下一次充電，繼續(xù)進行下一次循環(huán)，就可以在輸出端之前得到有規(guī)律、等高的矩形脈沖序列。輸出高頻脈沖信號驅(qū)動大功率管，在T2次級側(cè)感應高壓脈沖。整流二極管輸出后，可以直接得到近10 000 V的直流電壓。

圖2 高壓脈沖電路圖

定時器NE555的作用是為高壓脈沖電路提供振蕩頻率，最高振蕩頻率為500 kHz。定時器NE555芯片的引腳功能：VCC引腳為電路供電；TRI引腳為低電平觸發(fā)端，輸入低電平觸發(fā)脈沖；THR引腳為高電平觸發(fā)端，輸入高電平觸發(fā)脈沖；CON引腳為電壓控制端，經(jīng)0.01 μF的C5接地，以防止引入干擾；OUT腳為輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓1 V~3 V，輸出電流可達200 mA。

3.3 太陽能電池控制電路設(shè)計

因Multisim中無太陽能板，所以課題組加了個開關(guān)，接了一個直流電源，以便在后期完善太陽能這一功能。太陽能電池的作用是將光能轉(zhuǎn)換成電能，然后存儲在電池中，為滅蟲燈發(fā)電做準備，太陽能電池分為晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池，通常選用晶體硅作為制作太陽能電池板的材料。晶體硅電池效率高，效率穩(wěn)。當光線照射電池表面時，利用硅材料吸收光子，將光能傳遞給硅原子，形成電子躍遷和PN結(jié)，產(chǎn)生電位差。當系統(tǒng)電路接通時，電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。由此，電池板就將電能轉(zhuǎn)換出來，存在蓄電池中以備充電。即太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導體PN結(jié)的光生伏特效應。當物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流。當太陽光或其他光照射半導體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，被稱為光生電壓[7-8]。電路基本原理：通過接收太陽能電池吸收的光能，把光能轉(zhuǎn)變成產(chǎn)生低壓直流電的電能儲存到蓄電池。

4 制作過程

4.1 電網(wǎng)制作

和鐵絲相比，銅絲具有導電性強、可塑性強等特點，又根據(jù)金屬活潑性，鐵的活潑性大于銅，故鐵更容易被腐蝕。因此，選用銅絲作為制作高壓電網(wǎng)的材料。

首先，將銅絲編制成網(wǎng)狀長方形銅片，將銅片握成圓柱形，就形成了一個圓柱銅網(wǎng)。然后，再制作一個空隙寬度稍大的、圓柱直徑稍大的銅網(wǎng)，套在第一個銅網(wǎng)外，但兩者之間不接觸，再將兩層銅網(wǎng)連接不同的電極，從而產(chǎn)生電壓差，就制成了電網(wǎng)。

在制作過程中，要留有一定余地以便裝入光敏電阻器等器件。安裝固定好的塑料棒便于后期使用中的固定，在高壓電網(wǎng)上方蓋頂進行保護以防止水滴，減少對滅蟲燈的損害，延長其使用壽命，蓋頂還有助于燈的光線聚集，在黑夜更能引誘蚊蟲，達到殺蟲目的[9]。

4.2 PCB制作

根據(jù)設(shè)計電路總圖，用Altium Designer19制作電路圖，然后生成PCB制版文件，從而刻制PCB電路板，最后焊接元器件完成制作，為接下來的投入使用提供便利。PCB電路板圖如圖3所示。

圖3 PCB電路板圖

5 結(jié)論

作為農(nóng)業(yè)行業(yè)中的創(chuàng)新性防治害蟲工具，智能電子滅蟲燈與傳統(tǒng)農(nóng)藥滅蟲方式相比，除了具有安全、環(huán)保的優(yōu)勢之外，還能有效地節(jié)省人力和財力。據(jù)調(diào)查，農(nóng)藥防治害蟲需要定期連續(xù)多次噴灑農(nóng)藥，且噴灑農(nóng)藥還需要投入人力，購買農(nóng)藥產(chǎn)品需要投入財力。與之相比，智能電子滅蟲燈的優(yōu)勢明顯。雖然購買滅蟲燈的一次性投入成本較高，但是只要規(guī)范使用，滅蟲燈的使用壽命長達8年。平均算下來，智能電子滅蟲燈的投資成本遠低于傳統(tǒng)農(nóng)藥滅蟲方式。長遠看來，智能電子滅蟲燈等創(chuàng)新性滅蟲技術(shù)將會是害蟲防治領(lǐng)域的新趨勢[10]。