一种枣园可控光引诱高压静电杀虫器装置设计

2018-10-23苏育珍刘增煌徐刘飞李昕烨

塔里木大学学报 2018年2期

苏育珍刘增煌徐刘飞李昕烨周苏胡灿,2*

(1 塔里大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300)(2 新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300)

中国最好的红枣产自南疆，南疆有着独特的地理环境，所产果实因肉厚、皮薄、味甜、无污染，越来越受到人们的青睐。但是枣树在挂果期间经常受到很多病菌和害虫的侵袭，需要大量使用液态农药来进行抵御[1]。而农药的长期使用不仅会破坏当地的生态环境、污染水源，更会造成大枣果实的农药残留，直接危害人们的身体健康。为了使新疆红枣成为绿色、有机果品，必须对枣树的病虫害进行物理防治[2]。因此急需杀虫灭虫的新方法、新思路来控制虫害对红枣质量及产量的影响，从而达到诱杀害虫的目的。

目前,现有的枣园物理灭虫方法主要为粘虫板、黑光灯+水盆、黑光灯+电子灭虫器。前两类枣园灭虫方法需要人工去清理维护，且卫生方面处理较麻烦，且可能导致虫卵处理不彻底等造成灭虫失败[3-4]。第三种灭虫方式虽然较前两种效果较好，但是对于枣园的害虫却是灭杀效果不理想且维护不方便。高压静电灭虫方法是一种物理方法，前期研究表明，静电灭虫方法对鳞翅目类害虫有明显效果。朱琳等[5-6]研究了黄瓜生长周期内高压静电灭虫的效果与设备优化，取得了较好的效果，对枣园的整体灭虫方法仍有待探索。枣园害虫主要有枣镰翅小卷蛾、枣瘿蚊、绿盲蝽蟓等鳞翅目类害虫[7]。实验验证宽谱诱虫光源对于鳞翅目类各种成虫有特效，因此需要对诱虫光源研究。

为了进一步研究高压静电灭虫方法对枣园灭虫效果，以实现枣园采用物理灭虫方法的可行性，本文设计采用了物理灭虫方法，通过单片机控制对周围环境采集处理分析合理控制整个电路工作与否，结合高压产生电路以及电网，通过可控光的引诱来集中消灭害虫。

1 杀虫器装置整体设计思路

1.1系统设计要求

本系统要求通过产生高压静电的方式，使杀虫电网上布满超过4 KV的高压电[8]。利用昆虫具有趋光性的特征，使用一盏12 V可控诱虫灯对枣园害虫进行集中诱杀，从而达到物理灭虫的要求。在此过程中采用自动化控制设计，实现白天电源装置关闭，晚上自动开启，雨天自动关闭。且在运行期间能够判断人体靠近关断高压电网，保护人体安全。

1.2系统总体方案

图1 杀虫系统总体电路工作框图

如图1所示，该高压静电杀虫器由五部分组成：太阳能充放电控制、自动控制、高压发生电路、12 V可控诱虫灯、5 V USB充电。设计思路是白天当太阳光照射时给电池组充电，整个装置只有前两级太阳能充放电控制器与自动控制装置工作。当夜晚时，前一级太阳能部分不工作，自动控制装置控制其后级诱虫灯与高压发生装置工作，整个装置处于工作状态。通过诱虫灯对枣园害虫进行诱导，高压电网端集中击杀，从而达到物理的灭虫过程。诱虫灯可调节不同颜色的灯发光，从而控制波长段，可使诱虫的范围与种类进一步提升。本装置加入了安全保护装置部分，该部分能对雨天检测和人体靠近高压电网检测，及时断开后级高压部分电路，避免了人和整个装置受到伤害，做到了安全防治虫害。

2 装置硬件电路设计

2.1电源电路

电源电路包括太阳能电池板、太阳能充放电控制电路、蓄电池。其中太阳能充放电控制器由双运算放大器LM358、稳压电路TL431、三端稳压集成电路L7805、场效应管85U03GH和光耦P521组成[9]。电源电路原理图如图2所示。

图2 电源电路原理图

本设计采用4段式电压控制，照图中数值蓄电池放电到10. 6 V就截止无输出，蓄电池电压会缓慢回升到大约11. 6 V但依然没输出，只有充电回升到12. 43 V才会重新导通输出。充电也一样，当充电至14. 45 V时就断开，然后蓄电池电压会慢慢下降到13. 3 V又开始充电。周而复始充电至截止电压；通过在电源电路输出端加入L7805电路，L7805电路能够提供高达1. 7 A的电流输出。因此即能提供单片机工作所需5 V电压，又能通过USB口给5 V用电设备充电。设计中，需对各点电压进行计算。

(1)充电截止电压。

(1)

公式 (1)中，y为设定充电截止电压，R2、R4、R5、R9为电阻。

(2)充电返回电压。

(2)

图3 自动控制电路原理图

2.2自动控制电路

自动控制电路主要由STC89C52RC单片机、ADC0832模数转换芯片、光敏电阻、雨水传感器、人体红外传感器、LCD1602液晶屏和继电器部分组成。自动控制电路原理图如图3所示。

由于控制的对象是12 V的诱虫灯与高压发生电路，与单片机5 V电压不同。这里采用了继电器电路控制。通过雨水传感器与光敏电阻的采集外界环境的湿度与亮度，经过ADC0832将模拟量转化为数字量送至单片机处理后显示在LCD1602液晶屏上，并且在符合晴天黑夜条件，单片机送出一个电平信号给继电器电路，驱动继电器闭合，这时整个装置开始工作。在装置中设置按键，方便对湿度与亮度阈值的调整。也引入安全保护装置，通过加入一个人体红外传感器，当人靠近时能立刻切断高压电路电源，确保安全。

2.3高压发生电路

高压发生电路主要有方波信号发生部分、信号传输部分、输出放大部分好、升压整流部分组成。由单片机发出20 KHZ占空比为50%的方波信号，通过光耦的隔离传输给OTL放大电路再经过行输出变压器的变压放大输出一个2 KV的电压，最终由倍压整流电路将2 KV电压升至14 KV左右。其中OTL电路采用两个三极管及一个大容量电解电容。比单三极管放大电路效率更高。OTL电路简单且带负载能力强，自身功耗更低。高压发生电路原理图如图4所示。

图4 高压发生电路

2.3.1 光耦隔离电路

为保证整个装置能够平稳运行，加入了光耦隔离电路，使高压电路与单片机信号电路隔离。光耦隔离电路由高速光耦6N137、上拉电阻R6、限流电阻R5及电容组成。光耦隔离电路如图5所示。

图5 光耦隔离电路

2.3.2 升压整流电路

变压器采用高频变压器(体积小，重量轻优点)，利用20 KHZ方波来驱动升压。采用初级线圈5 T,次级线圈为1 000 T的高频变压器。设U1为理想状态变压器最终输出电压，U2为实际电压输出，U3为电网电压，U为输入电压, η为变压器效率，设η=85%。

整流电路是利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压。这种电路称为倍压整流电路。电路如图6所示。

图6 五倍压整流电路

二倍压整流原理：

本次设计所使用的产生高压的5倍压整流电路如图3所示。在空载情况下，根据上述分析方法可得，C11上的电压为1. 414 U2，C12～C15上的电压为2. 828 U2。因此，以C11两端作为输出端，输出电压的值为 2. 828 U2 ；以C14两端作为输出端，输出电压的值为 2.828 U2 ；以C10和C11上电压相加作为输出，输出电压的值为4. 242 U2，依此类推，可获得1. 414 U2的5倍的输出电压。

2.4贴片式LED阵列诱虫灯设计

枣园害虫主要有枣镰翅小卷蛾、枣瘿蚊、绿盲蝽蟓等鳞翅目类。宽谱诱虫光源对于鳞翅目类各种成虫有特效，波长为320 nm～680 nm光谱范围的光源可以称为宽谱光源。诱虫灯由几种不同颜色的贴片式LED组成，呈回字型构架。主要有紫色、蓝色、黄色、红色LED组成，还有紫外与红外两个灯珠。可以达到的波长范围为300 nm～780 nm。通过控制不同颜色LED的工作可以调配出不同波长的光，从而达到控制波长段的目的，可使诱虫范围与种类进一步提升。

3 装置软件设计

3.1自动控制程序设计

系统软件设计包括对雨水、亮度检测程序、对采集到的数据进行转换和处理的程序、设置湿度上下限的程序、显示程序、方波信号发生程序等。主程序流程如图7所示。装置软件主要实现以下功能，当光敏电阻、雨水传感器的反馈值属于设定的范围黑夜晴天时，单片机输出低电平信号继电器闭合，高压部分与诱虫灯部分开始工作。当光敏电阻、雨水传感器的反馈值属于设定的范围外白天或者雨天时，单片机输出高电平信号继电器打开，高压部分与诱虫灯部分不工作。

图7 系统主程序流程图

3.2高压放电控制程序设计

单片机持续发出20 KHZ的方波为高压部分提供升压条件。本设计采用11.059 2 MHZ的晶振，利用STC89C52RC单片机的定时器0产生20 KHZ程序，分析如下：

20 KHZ是50 us产生一个的方波取半个周期记为t=25 us，25 us/1. 09 us需要计数23次,因而初值应设定TH0=(65 536-23)/256 ，TL0=(65 536-23)/256。由于理论值算法和实际输出有偏差，所以采用了偏正算法，保证了输出为20 KHZ方波。

4 测试试验

根据设计参数与要求，我们研制出一台可控光引诱高压静电杀虫器装置，样机如图8所示。图8中，太阳能电池板与配电箱中的太阳能充放电控制器、蓄电池组组成电源系统。放置在配电箱中的自动控制装置通过外部雨水传感器、光敏电阻和人体红外传感器，对整个高压电网进行控制。通过调节高压电网上的电压强度，试验不同电压等级下装置的杀虫效率。

图8 可控光引诱高压静电杀虫器装置样机

4.1试验方法

将装置调试到正常运行模式，采用FRC50 KV交直流分压器对高压电网上的电压进行检测，通过分压器显示的电压，将电网电压确定在4. 5 KV与7 KV两个档位上。电网竖直下方在地面铺一张白纸，使害虫掉落至白纸上便于统计。在塔里木大学东区枣园设立试验点，分别记为枣园1#测点、枣园2#测点。在8月上旬与9月下旬分别试验一周，每日晚上10时至10时30分打开装置。抽取一周中两天的实验数据如表1所示。

4.2结果与分析

试验结果如表1所示。在设置电压等级为4. 5 KV～7 KV 之间且试验温度差异不大的情况下，诱虫数量与输出电网电压有关，电网电压越高，诱杀的害虫数量较多。当电网电压为7 KV时，1#测点30分钟时间内杀虫数量为145，2#测点30分钟时间内杀虫数量为98；当电网电压相同时，试验温度对诱虫数量也有明显影响，温度为31 ℃时，杀虫数量为145，杀虫效果最佳，表明枣园虫害喜光喜温的特性。在同一测点连续试验一周后，较大体积的虫害数量明显减少，小体积的害虫也在一定程度密度降低，较高等级的电压具有更好的杀虫效果。