基于LED光源靶向驅(qū)蟲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

謝昊軒，徐微微，宋雪月，姚麗麗，安曉峰

（吉林工程技術(shù)師范學(xué)院信息工程學(xué)院，吉林長春，130052）

0 引言

食品安全與健康密切相關(guān)，病媒昆蟲攜帶多種病原微生物通過叮咬污染食物，影響食品安全和危害人類健康[1]。目前市場上主要有兩種防治方法：化學(xué)農(nóng)藥法和物理防治法。化學(xué)農(nóng)藥法涉及范圍廣，無法進(jìn)行分類治理，不僅影響有益生物與昆蟲天敵，還會(huì)使有害生物產(chǎn)生抗性，同時(shí)有毒物質(zhì)還會(huì)通過食物鏈進(jìn)入到人體，對人體健康造成危害[2]。物理防治法分為微波防治、聲波防治和光防治幾種。微波防治和聲波防治周期長，見效緩慢，對生態(tài)系統(tǒng)破壞性大[3]。光防治方法中，絕大多數(shù)采用殺蟲燈，針對性差，無法定向驅(qū)蟲，依然影響生物多樣性[4]。而LED具有節(jié)能、壽命長、光效高、體積小等特點(diǎn)，并且光源本身不含鉛、汞等有害物質(zhì)，無紅外線和紫外線，LED可見光光源不含有紫外線，對昆蟲不具有引誘性[5]。因此，我們提出了基于LED光源的智能靶向驅(qū)蟲燈，利用LED可見光光源對昆蟲的驅(qū)光性行為進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)開發(fā)不同波長和強(qiáng)度的LED光源，開展有針對性的害蟲驅(qū)逐，在食品安全中可發(fā)揮有力的保障作用，具有良好的應(yīng)用前景。

1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是一種基于ST89C52RC單片機(jī)控制的LED光源靶向驅(qū)蟲燈控制系統(tǒng)，LED光源靶向驅(qū)蟲燈控制系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路模塊、獨(dú)立按鍵電路模塊、LED燈驅(qū)動(dòng)模塊、光敏傳感器模塊組成，其總體方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

LED靶向驅(qū)蟲系統(tǒng)通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)不同光色的LED發(fā)光，實(shí)現(xiàn)以不同的波長和強(qiáng)度變化驅(qū)逐害蟲。選用單片機(jī)STC89C52RC 為控制芯片，通過檢測光照等環(huán)境參數(shù)并輸出相應(yīng)的控制信號，控制LED光源的開關(guān)實(shí)現(xiàn)LED光源的亮滅。當(dāng)系統(tǒng)開始工作后完成初始化，STC89C52RC單片機(jī)通過P1端口控制LED燈的亮滅，根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，白、黃、紅這三色LED光源對于害蟲的防治效果最好[6]，故 LED 光源由白、黃、紅這三色LED構(gòu)成，且白色LED可兼作照明光源。白、黃、紅三種光色的LED各串聯(lián)一個(gè)電阻和滑動(dòng)變阻器,滑動(dòng)變阻器RV1–RV3起到調(diào)節(jié)LED亮暗的作用。

單片機(jī)外接數(shù)碼管和蜂鳴器，數(shù)碼管起到顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束后，蜂鳴器發(fā)出響聲，通過程序使單片機(jī)執(zhí)行定時(shí)、計(jì)數(shù)等不同功能。光敏傳感器主要實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境光照強(qiáng)度的探測，從而實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)LED燈的亮滅，通過單片機(jī)最小系統(tǒng)將輸入的電源電壓進(jìn)行變換，輸出恒定的直流電流，供給LED燈使用。獨(dú)立按鍵電路設(shè)置共設(shè)置4個(gè)電路，分別是控制光色選擇、閃爍頻率，以針對不同的害蟲選擇對應(yīng)的光色選擇和閃爍頻率。通過三個(gè)獨(dú)立按鍵連接的滑動(dòng)變阻器不同阻值變化實(shí)現(xiàn)控制LED燈的亮滅與強(qiáng)度，另一個(gè)獨(dú)立按鍵接在P3.5端口上，通過程序控制不同延時(shí)，達(dá)到控制LED燈的閃爍頻率。

2 控制系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊的功能需要與軟件電路設(shè)計(jì)相結(jié)合。本設(shè)計(jì)軟件部分采用keil C51編寫程序，主要程序包括光敏傳感器、獨(dú)立按鍵等程序構(gòu)成,運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用功能模塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。軟件構(gòu)圖采用proteus7.8進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，人工控制獨(dú)立按鍵，使得LED燈的閃爍頻率進(jìn)行不同頻率的改變。

系統(tǒng)軟件方案主要由初始化程序、光強(qiáng)度檢測程序、LED頻閃調(diào)整程序和計(jì)數(shù)程序等構(gòu)成。電路上電啟動(dòng)后，單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，電路控制系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，該系統(tǒng)的工作流程圖如圖2所示。初始化時(shí)，LED燈先亮后滅，當(dāng)背景光強(qiáng)度較弱時(shí)，LED燈不亮，通過子程序?qū)崿F(xiàn)LED燈頻閃調(diào)整，使光強(qiáng)度達(dá)到預(yù)設(shè)值，LED燈點(diǎn)亮。

圖2 控制系統(tǒng)軟件流程圖

該控制系統(tǒng)通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng)不同顏色的LED燈，實(shí)現(xiàn)以不同的波長驅(qū)逐害蟲的目的。選用單片機(jī)ST89C52RC為控制芯片，檢測光照強(qiáng)度不同，滑動(dòng)變阻器通過按鍵電路輸出相應(yīng)的控制信號控制LED燈的燈光發(fā)生變化。

3 仿真調(diào)試與模擬

為了方便程序的調(diào)試，采用proteus7.8進(jìn)行針對電路的仿真調(diào)試與模擬，3個(gè)獨(dú)立按鍵控制每種顏色LED燈的開關(guān)，P3.5引腳控制LED燈的閃爍頻率。當(dāng)光敏傳感器檢測光強(qiáng)低于預(yù)設(shè)值時(shí)，總開關(guān)開啟，LED燈開始工作，數(shù)碼管開始倒計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間清零時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲，LED燈改變不同顏色，相反，光強(qiáng)大于預(yù)設(shè)值，LED燈不工作，其他元件不作響應(yīng)。其仿真模擬設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 LED智能靶向驅(qū)蟲燈仿真模擬設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試分為兩部分，軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。通過對電路的各模塊進(jìn)行逐級調(diào)試，單片機(jī)最小系統(tǒng)的調(diào)試，最后將各模塊組合進(jìn)行整體測試。

硬件調(diào)試中主要調(diào)試LED燈的光亮程度、蜂鳴器能否在LED燈開啟或關(guān)閉時(shí)作出響應(yīng)、數(shù)碼顯示器顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，以及LED燈的頻閃效果是否能夠?qū)崿F(xiàn)。

軟件調(diào)試中采用仿真軟件Proteus7.8，通過keil將程序燒錄到單片機(jī)最小系統(tǒng)中運(yùn)行，檢測keil編程語言中語法是否有誤，定時(shí)程序能否實(shí)現(xiàn)需求，以及程序在硬件上的可執(zhí)行性。

仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了通過光敏傳感器檢測不同的光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)控制LED亮滅，以及控制按鍵開關(guān)驅(qū)動(dòng)LED燈發(fā)出不同的頻閃效果，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器能夠?qū)崿F(xiàn)控制LED燈發(fā)出不同的亮度，從而使LED燈產(chǎn)生不同頻率和強(qiáng)度，倒計(jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束后，蜂鳴器發(fā)出響聲，LED燈改變不同顏色，從而通過控制LED燈的不同顏色，對昆蟲起到驅(qū)逐的作用。

4 結(jié)論

基于LED光源靶向驅(qū)蟲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了LED光源、單片機(jī)最小系統(tǒng)、獨(dú)立按鍵、光敏傳感器等部分元件，實(shí)現(xiàn)LED光源靶向驅(qū)蟲的作用，該設(shè)計(jì)節(jié)能、環(huán)保、能夠應(yīng)用于家居、醫(yī)院、食品制造廠等等公共場所。通過單片機(jī)控波長、強(qiáng)度、頻率變化的LED可見光光源，從而達(dá)到驅(qū)逐特定害蟲的作用，防治害蟲針對性強(qiáng)，真正意義上實(shí)現(xiàn)了無污染有害昆蟲的定向驅(qū)逐，根據(jù)不同昆蟲對光強(qiáng)度敏感程度的不同，使得驅(qū)蟲更具有靈活性和高效率性。