一種農(nóng)作物智能電子滅蟲(chóng)燈的設(shè)計(jì)**

李馨蕾 ，黎鏡鑫 ，周瑞婷 ，袁 夢(mèng)

（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

大多數(shù)昆蟲(chóng)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(chóng)的特殊燈管[1]，并且在燈管前面裝設(shè)高壓電網(wǎng)。當(dāng)滅蟲(chóng)燈通電時(shí)，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(qiáng)的吸附能力，所以當(dāng)害蟲(chóng)在燈光的誘惑下靠近滅蟲(chóng)燈時(shí)會(huì)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(chóng)強(qiáng)趨光性和趨溫性，當(dāng)紫外線熒光燈作為光源發(fā)光時(shí)，蚊蟲(chóng)將被吸引從而飛進(jìn)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(chóng)在滅蟲(chóng)技術(shù)方面利用交直流、太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，同時(shí)也利用部分害蟲(chóng)的趨光特性[3]。這是一種值得推廣的技術(shù)，它對(duì)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(xué)滅蟲(chóng)的不利要素，并且減少了使用農(nóng)藥滅蟲(chóng)對(duì)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(huì)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(huì)的發(fā)展需求，為有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供可靠的途徑。它對(duì)維持生態(tài)平衡和節(jié)約能源有著不可估量的作用，同時(shí)也為無(wú)公害乃至綠色有機(jī)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(xué)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(chóng)的需求，對(duì)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(jìn)行害蟲(chóng)防治的方式，已不再滿足中國(guó)特色社會(huì)主義新時(shí)代的發(fā)展需要。再者，農(nóng)藥的濫用對(duì)農(nóng)產(chǎn)品也有一定的污染，這對(duì)人們的身體健康存在潛在危險(xiǎn)。為順應(yīng)時(shí)代潮流，創(chuàng)新性防治害蟲(chóng)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(chóng)技術(shù)是農(nóng)牧發(fā)展的重點(diǎn)[5]。而智能電子滅蟲(chóng)燈利用昆蟲(chóng)的趨光特性吸引害蟲(chóng)，再借助高壓電將其殺死，這項(xiàng)技術(shù)研究最早，技術(shù)最為成熟、發(fā)展最快，也符合社會(huì)需求，它將激起創(chuàng)新性防治害蟲(chóng)技術(shù)的新浪潮，走在創(chuàng)新性防治害蟲(chóng)技術(shù)的最前沿。

2 滅蟲(chóng)燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1 滅蟲(chóng)燈基本電路圖

2.1 直流電壓電路設(shè)計(jì)

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

2.2 太陽(yáng)能電池控制電路設(shè)計(jì)

該部分使用太陽(yáng)能電池來(lái)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(chǔ)存到蓄電池以供滅蟲(chóng)燈發(fā)光使用。其主要核心裝置是太陽(yáng)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(zhǎng)，安裝成本比較低，維修維護(hù)更加方便[6]。

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

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(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，便于實(shí)現(xiàn)。

3 電路設(shè)計(jì)分析

3.1 橋式整流電路

橋式整流電路的工作原理由4個(gè)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(fù)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(jí)線圈（n1）和次級(jí)線圈（n2），其中和電源相接的是初級(jí)線圈。初級(jí)線圈通電后，變壓器中的鐵芯就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)電壓變化。其所對(duì)應(yīng)的關(guān)系為：n1∶n2=u1∶u2。

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

3.2 高壓脈沖電路的設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)MOS管截止，直流電源經(jīng)R1、R2對(duì)C進(jìn)行充電，TH和TR端的電位逐漸升高。當(dāng)TH和TR端的電位上升到2/3VDD以上時(shí)，比較器A的輸出變?yōu)楦唠娖?，比較器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(dāng)MOS管導(dǎo)通，C通過(guò)R2及MOS管放電，輸出端OUT的電壓降低。當(dāng)輸出端OUT的電壓降低到1/3VDD以下時(shí)，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?，輸出電壓再跳變到高電平，金屬氧化物的半?dǎo)體管熔斷，C進(jìn)行下一次充電，繼續(xù)進(jìn)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(hào)驅(qū)動(dòng)大功率管，在T2次級(jí)側(cè)感應(yīng)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(shí)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(shí)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(dá)200 mA。

3.3 太陽(yáng)能電池控制電路設(shè)計(jì)

因Multisim中無(wú)太陽(yáng)能板，所以課題組加了個(gè)開(kāi)關(guān)，接了一個(gè)直流電源，以便在后期完善太陽(yáng)能這一功能。太陽(yáng)能電池的作用是將光能轉(zhuǎn)換成電能，然后存儲(chǔ)在電池中，為滅蟲(chóng)燈發(fā)電做準(zhǔn)備，太陽(yáng)能電池分為晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池，通常選用晶體硅作為制作太陽(yáng)能電池板的材料。晶體硅電池效率高，效率穩(wěn)。當(dāng)光線照射電池表面時(shí)，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(dāng)系統(tǒng)電路接通時(shí)，電流流過(guò)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(lái)，存在蓄電池中以備充電。即太陽(yáng)能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流。當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會(huì)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(guò)接收太陽(yáng)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(chǔ)存到蓄電池。

4 制作過(guò)程

4.1 電網(wǎng)制作

和鐵絲相比，銅絲具有導(dǎo)電性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(zhǎng)方形銅片，將銅片握成圓柱形，就形成了一個(gè)圓柱銅網(wǎng)。然后，再制作一個(gè)空隙寬度稍大的、圓柱直徑稍大的銅網(wǎng)，套在第一個(gè)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(guò)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(jìn)行保護(hù)以防止水滴，減少對(duì)滅蟲(chóng)燈的損害，延長(zhǎng)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(chóng)，達(dá)到殺蟲(chóng)目的[9]。

4.2 PCB制作

根據(jù)設(shè)計(jì)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(lái)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(chóng)工具，智能電子滅蟲(chóng)燈與傳統(tǒng)農(nóng)藥滅蟲(chóng)方式相比，除了具有安全、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)之外，還能有效地節(jié)省人力和財(cái)力。據(jù)調(diào)查，農(nóng)藥防治害蟲(chóng)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(gòu)買農(nóng)藥產(chǎn)品需要投入財(cái)力。與之相比，智能電子滅蟲(chóng)燈的優(yōu)勢(shì)明顯。雖然購(gòu)買滅蟲(chóng)燈的一次性投入成本較高，但是只要規(guī)范使用，滅蟲(chóng)燈的使用壽命長(zhǎng)達(dá)8年。平均算下來(lái)，智能電子滅蟲(chóng)燈的投資成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)農(nóng)藥滅蟲(chóng)方式。長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，智能電子滅蟲(chóng)燈等創(chuàng)新性滅蟲(chóng)技術(shù)將會(huì)是害蟲(chóng)防治領(lǐng)域的新趨勢(shì)[10]。