基于51单片机的昆虫诱捕灭杀控制装置的教学项目设计①

王应彪

摘   要：针对“单片机原理与应用”课程存在内容抽象、学习难度大、学生学习兴趣不够等问题。结合林业院校专业特色，文章以昆虫诱捕灭杀控制装置教学项目为例。将具体项目引入课程教学中并加以应用，激发了学生的学习兴趣，提高了学生单片机技术课程实践动手能力，对提高教学质量、改善教学条件具有重要意义。

关键词：单片机  教学项目设计  林业院校  昆虫诱捕

中图分类号：TP368                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0192-03

1  项目背景

林业院校《单片机原理及应用》课程是机械电子、电气自动化、车辆工程等工科专业的重要专业核心课程。由于该课程对于林业院校工科类专业学生来说，计算机硬件与软件程序编写调试能力比较薄弱，学生动手实践的机会较少，理论知识比较抽象，教学过程中学生反映知识点难以理解，实践动手机会较少，不能充分调动学生的主动学习的兴趣，为此根据本课程的特点，结合林业院校的专业特色[1]。以具体项目为载体，引导学生主动思考，从而提高学生的实践创新能力[2]。本教学项目以昆虫诱捕灭杀控制装置为例，利用单片机原理设计控制太阳光追踪，自动追光调节模块（包含时钟和显示模块的硬件电路和程序设计）、高压电击电压转换模块、诱虫光源系统等电路，为进一步提高学生单片机应用能力创造条件。

2  项目内容及要求

2.1 项目目的

（1）掌握太阳能昆虫诱捕灭杀控制装置所采用的太阳光追踪原理;（2）掌握电击杀加风扇吹落收集昆虫的昆虫捕杀技术;（3）对比直流和步进电机两种太阳能板驱动方案优缺点，并进行选择;（4）进一步掌握单片机及其主要外设、步进电机、配套电子器件的选取和相关电路设计，对太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池等系统各部件进行选型和计算。（5）培养学生动手能力，团结合作和综合运用等方面的能力[3]。

2.2 项目控制要求

（1）太阳能控制器：对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出。（2）STC89C51单片机：指挥决策中心，处理和控制各部分功能的正常运转。（3）DS1302时钟电路：外接时钟电路，双电源供电。（4）步进电机：在单片机控制下可精确转动并调整太阳能板角度。（5）LED灯珠：365nm波长紫外光源，通过单片机控制灯珠“闪烁”。（6）风扇：为LED阵列散热以及清理困在电网上的昆虫。（7）高压电网：根据电蚊拍电路进行改进，可反馈昆虫受电击状况。（8）LCD1602液晶显示器：显示当前时间、时间调整、昆虫数目等信息[4]。

3  项目实施过程

3.1 控制程序

本项目的软件设计要求采用模块化设计思路，即主控制程序由多个子程序模块组成。主要实现的功能设计思路如下：（1）系统开机后，主程序首先要完成初始化，刷新LCD1602液晶显示默认时间、初始化DS1302时钟芯片写入默认时间、开启中断并配置定时器。（2）系统初始化完成后，进入主循环程序，保持4×4矩阵键盘的按键监测、每间隔200ms刷新一次当前时间、每间隔600ms检测一次定时任务。（3）定时任务子程序将一天划分为3个时段：9：00～18：00为强光时段，设定步进电机每半小时工作一次，每次将使太阳能板转动约7°，当时间为18：00时追光时间段结束，步进电机执行复位动作，将使太阳能板反向转动约119°。19：00～00：00为昆虫诱捕时段，将开启诱虫灯、风扇、高压电击网，运行昆虫计数子程序，并通过PWM脉冲宽度调制实现LED光源“呼吸灯”闪烁的动态效果。其余时段为系统待机时段，保持時钟芯片的计时和液晶屏的显示等基础功能，太阳能昆虫诱捕杀灭控制装置原理图如图1所示。

3.2 仿真电路设计

本教学项目基于Proteus7.0软件进行仿真电路的设计，该软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。软件拥有强大的单片机仿真功能，也是目前电路仿真应用最广泛的单片机仿真软件。本项目仿真电路分为多块进行分别设计，然后通过89C51单片机核心控制单元进行输入输出控制，主要控制模块如下：

（1）电击控制模块。电击控制模块的电路主要由高频振荡电路、三倍压整流电路和高压电击网三部分组成如图2所示。当电源接通时，由三极管Q1（型号为S8050）和变压器TR1构成的高频振荡器通电工作，把5V直流电变成18kHz左右的高频交流电，经T升压到500V，再经二极管D2～D4、电容器C1～C3三倍压整流升高至1500V，加到金属网上。当昆虫触及到高压电网时，电流通过虫体释放可造成昆虫晕厥或被击毙。

（2）时间设定及昆虫计数模块。系统开机后，显示默认初始值：2019-01-01 00：00：00星期二，需要通过按键调整设定当前正确的时间，默认LCD1602液晶正常工作状态显示当前DS1302时钟芯片所储存的时间，通过按键可切换当前时间、设置时间、昆虫计数三种显示状态。系统正常运行时昆虫计数功能会定时打开，保持后台计数，但初始状态显示屏默认显示当前时间，可以通过按键切换显示状态查看本次开机以来所捕获的昆虫数目，LCD1602液晶的昆虫计数显示状态，如图3a～3b所示。

（3）风扇、LED阵列工作模块。

通过设定时间在19：00-00：00为系统设定的昆虫诱捕时段，此时间段内将开启风扇、LED阵列、高压电击和计数电路对昆虫进行诱捕并电击，风扇和LED陣列运行状态电路仿真图如图4所示。

（4）步进电机工作电路模块。

根据每天自然光照时段特点，9：00～18：00为强光时段，其中9：00～17：30为追光程序工作时段，从9：00开始每半小时控制步进电机转动7°，当18：00时追光程序执行完毕，步进电机将反转119°复位，完成每天的追光工作控制，步进电机准时工作仿真电路如图5所示。

4  项目考核与评价

本教学项目通过分为不同小组进行设计，在规定的时间内各个小组通过完成软件、硬件设计以及项目设计说明书的编写，最后通过现场分组答辩和演示，教师对完成项目的完成情况进行考核与评价。考核标准如下：（1）设计制作50分：包括硬件电路设计、软件程序调试等，考核时要查看原始设计资料，包括硬件的布置与连接、程序语法规范、元器件布局是否合理等;（2）设计报告书写30分：设计报告必须独立完成，格式字数符合规定要求，图形绘制规范，不得到网上下载;（3）平时及答辩20分：主要考核学生在项目完成期间的表现，包括考勤、学习态度、答辩汇报情况等方面。

5  结语

通过对51单片机昆虫诱捕灭杀控制装置的教学项目案例设计，在提高学生学习兴趣的基础上，使学生掌握了电击杀加风扇吹落收集昆虫的昆虫捕杀技术，在项目实施过程中，学会部件选型、设计，熟练运用编程软件、指令。项目实践证明，项目案例教学切实提高了学生的学习兴趣及动力能力，在实施过程中还培养了学生团队协作、发现问题、解决问题等综合能力。

参考文献

[1] 何惠湘.基于PLC的交通灯控制教学项目设计[J].无线互联科技，2018，15（23）：69-70.

[2] 梁雄友.项目式教学法在PROTEL教学中的应用[J].广东技术师范学院学报，2008（9）：82-86.

[3] 武予清，段云，蒋月丽.害虫的灯光防治研究与应用进展[J].河南农业科学，2009，38（9）：127-130.

[4] 杨景发，徐光婷，张玮，等.基于单片机多源LED景观捕虫装置的设计[J].广东农业科学，2013，40（10）：195-197.