雙層電網(wǎng)高壓殺蟲燈的研制

汪逸飛 張金龍

摘 要：為解決農(nóng)業(yè)蟲害測報(bào)過程中人工計(jì)數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，針對現(xiàn)有高壓殺蟲燈電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)單層寬間距電網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種新型雙層高壓電網(wǎng)殺蟲燈，并采用與單片機(jī)相結(jié)合的擾動(dòng)電壓感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)了對滅殺害蟲的分類自動(dòng)計(jì)數(shù)。根據(jù)蟲害體型與黃金分割原理，殺蟲燈外層電網(wǎng)的網(wǎng)絲間距設(shè)置為8mm，內(nèi)層電網(wǎng)的網(wǎng)絲間距設(shè)置為2.5mm。各層電網(wǎng)獨(dú)立供電，使用高壓電流互感器分別獨(dú)立采集各層電網(wǎng)擾動(dòng)信號，應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行擾動(dòng)信號處理，實(shí)現(xiàn)害蟲分類統(tǒng)計(jì)功能。

關(guān)鍵詞：殺蟲燈;雙層;高壓電流互感器;單片機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.127

0 引? 言

農(nóng)業(yè)害蟲嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，采取有效的防治措施減少其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害非常重要[1]。傳統(tǒng)害蟲預(yù)測手段存在的弊端主要表現(xiàn)為要定期收取樣品，人工統(tǒng)計(jì)，該過程存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、非實(shí)時(shí)性和效率低等問題[2-6]，已不能滿足當(dāng)前蟲情預(yù)測的需求[7]。

本文研制了一種新型雙層電網(wǎng)殺蟲燈，采用內(nèi)外雙層不同網(wǎng)絲間距的高壓電網(wǎng)，利用高壓電流互感器檢測害蟲滅殺時(shí)的觸網(wǎng)擾動(dòng)信號，并進(jìn)行濾波后，使用單片機(jī)進(jìn)行信號處理，實(shí)現(xiàn)害蟲的自動(dòng)分類與計(jì)數(shù)，通過分類害蟲體型，使所捕害蟲種類范圍由未知縮小到某幾種，實(shí)現(xiàn)蟲害預(yù)判，簡單快速，對提高蟲情預(yù)測自動(dòng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

雙層高壓電網(wǎng)殺蟲燈（以下簡稱殺蟲燈）結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括防雨蓋、光源燈體、雙層高壓電網(wǎng)、接蟲裝置、電路控制箱和接蟲口。電網(wǎng)采用逐級加密的雙層高壓電網(wǎng)設(shè)計(jì)，燈體外圍正方形位置的4個(gè)頂點(diǎn)處分別安裝4根絕緣柱，電網(wǎng)絲以雙陽螺旋繞制方式纏繞在絕緣柱上，網(wǎng)絲間距由外向內(nèi)逐層加密，對害蟲進(jìn)行逐級過濾，增大了電網(wǎng)與害蟲的接觸機(jī)率。電路控制箱內(nèi)設(shè)置有擾動(dòng)信號采集模塊、單片機(jī)控制模塊、信號輸出連接線等裝置，擾動(dòng)信號采集模塊可以實(shí)時(shí)采集害蟲觸網(wǎng)擾動(dòng)信號，上傳至單片機(jī)處理，信號連接線將單片機(jī)輸出信號傳遞至觸控顯示屏，顯示當(dāng)前蟲情信息，便于為蟲情測報(bào)提供依據(jù)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

殺蟲燈是通過高壓電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大型害蟲和小型害蟲的區(qū)別捕殺，通過信號采集和控制電路采集觸網(wǎng)擾動(dòng)信號實(shí)現(xiàn)害蟲分類計(jì)數(shù)功能。雙層電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絲間距設(shè)置的合理化對提升殺蟲燈的害蟲誘捕效果具有十分重要的影響，同時(shí)害蟲觸網(wǎng)擾動(dòng)信號采集與統(tǒng)計(jì)又直接影響蟲量統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。

2.1 雙層高壓電網(wǎng)設(shè)計(jì)

雙層高壓電網(wǎng)主要是通過逐層加密電網(wǎng)絲間距，使殺蟲燈實(shí)現(xiàn)對各種體型害蟲的區(qū)別捕殺和分類統(tǒng)計(jì)。外層電網(wǎng)的網(wǎng)絲間距設(shè)置最大值，由外向內(nèi)依次加密，內(nèi)層電網(wǎng)的網(wǎng)絲間距最窄，工作時(shí)，其原理類似于漏篩，對害蟲進(jìn)行逐級過濾，大型害蟲在外層電網(wǎng)被捕殺，小型害蟲穿越外層寬間隙電網(wǎng)進(jìn)入內(nèi)層電網(wǎng)被捕殺。

目前本文設(shè)計(jì)的殺蟲燈電網(wǎng)層數(shù)采用2層結(jié)構(gòu)，運(yùn)用黃金分割理論來指導(dǎo)確定網(wǎng)絲間距的方法，取蟲體長度的黃金分割。記Dout為外層網(wǎng)絲間距，din為內(nèi)層網(wǎng)絲間距。

Dout=Lmin×0.618? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

din=lmax×0.618? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：Lmin為大型蟲體最小體長值，lmax為小型蟲體最大體長值，0.618為黃金分割數(shù)的近似值。

由此，根據(jù)農(nóng)業(yè)主要害蟲外形尺寸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，常見大型害蟲體型尺寸最小值為10mm—16mm，因此設(shè)置外層電網(wǎng)間隙為（13×0.618）mm，約為8mm;常見小型害蟲體型尺寸最小值為2mm—6mm，因此設(shè)置內(nèi)層電網(wǎng)間隙為（4×0.618）mm，約為2.5mm。雙層電網(wǎng)具體設(shè)計(jì)如圖3所示，殺蟲燈電網(wǎng)俯視圖呈正方形，正方形4個(gè)頂點(diǎn)處分別安裝4根絕緣柱，電網(wǎng)分內(nèi)外兩層，電網(wǎng)絲以雙陽螺旋繞制方式纏繞在絕緣柱上。網(wǎng)絲采用耐弧鍍膜材料，外層間距為Dout，內(nèi)層間距為din，形狀類似漏篩對害蟲進(jìn)行逐級過濾。如此的雙層電網(wǎng)布置，在害蟲穿過殺蟲電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)可根據(jù)害蟲體型尺寸大小對其進(jìn)行層層過濾，大型害蟲在外層稀疏電網(wǎng)被捕殺，小型害蟲卻能夠穿過外層進(jìn)入內(nèi)層電網(wǎng)的捕捉范圍，在內(nèi)層電網(wǎng)被誘集，增大了電網(wǎng)與害蟲的接觸機(jī)率，增強(qiáng)了殺蟲燈的防治效果，而且通過網(wǎng)絲間距的設(shè)置實(shí)現(xiàn)害蟲自動(dòng)分類，為農(nóng)業(yè)蟲害分類預(yù)測提供依據(jù)。

2.2 信號采集以及控制電路設(shè)計(jì)

蟲量統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)利用高壓電流互感器檢測害蟲觸網(wǎng)擾動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)害蟲分類計(jì)數(shù)。該雙層電網(wǎng)殺蟲燈穩(wěn)定時(shí)為2.3kV直流高壓，正常電路呈斷路狀態(tài)，電流為0;當(dāng)害蟲觸碰高壓電網(wǎng)，電路形成回路，產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖電流，幅值為14-16mA。因此信號采集電路高壓電流互感器選型為BH-0.66，電流比為50：5，當(dāng)害蟲觸網(wǎng)時(shí)，在互感器端產(chǎn)生的電流幅值為1.4-1.6mA，通過外接2.5kΩ（R17、R18）電阻，可產(chǎn)生的電壓為3.5-4V。

由于害蟲觸網(wǎng)時(shí)的電信號夾雜了大量的低頻雜波，經(jīng)過雜波分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)170Hz的帶通濾波器進(jìn)行信號濾波，以提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，計(jì)算得出相關(guān)電路參數(shù)C4=C6=31μF，R10=R15=100Ω（圖4）。

計(jì)數(shù)單片機(jī)選用AT89S52，蟲量統(tǒng)計(jì)電路原理圖如圖4所示。殺蟲燈穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電流輸出為0，每當(dāng)殺蟲燈捕捉到害蟲，高壓電路形成回路，產(chǎn)生瞬時(shí)電流觸發(fā)電流傳感器，通過電阻輸出電平信號，經(jīng)濾波器濾除雜波后，輸入到單片機(jī)的外部中斷口，單片機(jī)計(jì)數(shù)1次。單片機(jī)根據(jù)外部中斷口的中斷次數(shù)實(shí)現(xiàn)蟲量統(tǒng)計(jì)功能。由于采用雙層電網(wǎng)布置，外層電網(wǎng)所記蟲量為體型不小于8mm的害蟲，內(nèi)層電網(wǎng)所記蟲量為體型在2.5mm到8mm之間的害蟲，如此殺蟲燈便可以將不同體型的害蟲實(shí)現(xiàn)分類統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而根據(jù)已知蟲害種類，推測所捕害蟲，將其鎖定在很小的范圍里，達(dá)到預(yù)測蟲害的目的。

3 結(jié)? 論

本研究基于雙層電網(wǎng)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了雙層高壓電網(wǎng)殺蟲燈，得到主要結(jié)論如下：

（1）該雙層電網(wǎng)殺蟲燈以逐級加密的雙層電網(wǎng)排布實(shí)現(xiàn)對害蟲體型的分類，在誘捕害蟲的同時(shí)根據(jù)害蟲體型實(shí)現(xiàn)分類計(jì)數(shù)，根據(jù)已有害蟲體型數(shù)據(jù)，將害蟲種類范圍由未知縮小到某幾種，實(shí)現(xiàn)蟲害預(yù)判。造價(jià)低廉，操作簡便，自動(dòng)化程度高，為蟲情測報(bào)系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支持。

（2）該雙層電網(wǎng)殺蟲燈采用雙層電網(wǎng)，使用者可根據(jù)實(shí)際使用情況靈活設(shè)定電網(wǎng)間隙與電網(wǎng)層數(shù)，實(shí)現(xiàn)對蟲害的更精確分類與統(tǒng)計(jì)。

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