基于LED光源靶向驱虫系统设计与开发

谢昊轩，徐微微，宋雪月，姚丽丽，安晓峰

（吉林工程技术师范学院信息工程学院，吉林长春，130052）

0 引言

食品安全与健康密切相关，病媒昆虫携带多种病原微生物通过叮咬污染食物，影响食品安全和危害人类健康[1]。目前市场上主要有两种防治方法：化学农药法和物理防治法。化学农药法涉及范围广，无法进行分类治理，不仅影响有益生物与昆虫天敌，还会使有害生物产生抗性，同时有毒物质还会通过食物链进入到人体，对人体健康造成危害[2]。物理防治法分为微波防治、声波防治和光防治几种。微波防治和声波防治周期长，见效缓慢，对生态系统破坏性大[3]。光防治方法中，绝大多数采用杀虫灯，针对性差，无法定向驱虫，依然影响生物多样性[4]。而LED具有节能、寿命长、光效高、体积小等特点，并且光源本身不含铅、汞等有害物质，无红外线和紫外线，LED可见光光源不含有紫外线，对昆虫不具有引诱性[5]。因此，我们提出了基于LED光源的智能靶向驱虫灯，利用LED可见光光源对昆虫的驱光性行为进行分析，设计开发不同波长和强度的LED光源，开展有针对性的害虫驱逐，在食品安全中可发挥有力的保障作用，具有良好的应用前景。

1 控制系统硬件电路设计

本设计是一种基于ST89C52RC单片机控制的LED光源靶向驱虫灯控制系统，LED光源靶向驱虫灯控制系统硬件主要由单片机最小系统、电源电路模块、独立按键电路模块、LED灯驱动模块、光敏传感器模块组成，其总体方案设计结构如图1所示。

图1 总体方案设计结构图

LED靶向驱虫系统通过单片机驱动不同光色的LED发光，实现以不同的波长和强度变化驱逐害虫。选用单片机STC89C52RC 为控制芯片，通过检测光照等环境参数并输出相应的控制信号，控制LED光源的开关实现LED光源的亮灭。当系统开始工作后完成初始化，STC89C52RC单片机通过P1端口控制LED灯的亮灭，根据前期实验结果表明，白、黄、红这三色LED光源对于害虫的防治效果最好[6]，故 LED 光源由白、黄、红这三色LED构成，且白色LED可兼作照明光源。白、黄、红三种光色的LED各串联一个电阻和滑动变阻器,滑动变阻器RV1–RV3起到调节LED亮暗的作用。

单片机外接数码管和蜂鸣器，数码管起到显示倒计时时间，当倒计时时间结束后，蜂鸣器发出响声，通过程序使单片机执行定时、计数等不同功能。光敏传感器主要实现对周围环境光照强度的探测，从而实现LED驱动电路用于驱动LED灯的亮灭，通过单片机最小系统将输入的电源电压进行变换，输出恒定的直流电流，供给LED灯使用。独立按键电路设置共设置4个电路，分别是控制光色选择、闪烁频率，以针对不同的害虫选择对应的光色选择和闪烁频率。通过三个独立按键连接的滑动变阻器不同阻值变化实现控制LED灯的亮灭与强度，另一个独立按键接在P3.5端口上，通过程序控制不同延时，达到控制LED灯的闪烁频率。

2 控制系统软件流程设计

根据硬件电路设计结构，各个模块的功能需要与软件电路设计相结合。本设计软件部分采用keil C51编写程序，主要程序包括光敏传感器、独立按键等程序构成,运行过程中通过主程序调用功能模块进行软件设计。软件构图采用proteus7.8进行仿真设计，人工控制独立按键，使得LED灯的闪烁频率进行不同频率的改变。

系统软件方案主要由初始化程序、光强度检测程序、LED频闪调整程序和计数程序等构成。电路上电启动后，单片机进行初始化操作，电路控制系统进入工作状态，该系统的工作流程图如图2所示。初始化时，LED灯先亮后灭，当背景光强度较弱时，LED灯不亮，通过子程序实现LED灯频闪调整，使光强度达到预设值，LED灯点亮。

图2 控制系统软件流程图

该控制系统通过单片机驱动不同颜色的LED灯，实现以不同的波长驱逐害虫的目的。选用单片机ST89C52RC为控制芯片，检测光照强度不同，滑动变阻器通过按键电路输出相应的控制信号控制LED灯的灯光发生变化。

3 仿真调试与模拟

为了方便程序的调试，采用proteus7.8进行针对电路的仿真调试与模拟，3个独立按键控制每种颜色LED灯的开关，P3.5引脚控制LED灯的闪烁频率。当光敏传感器检测光强低于预设值时，总开关开启，LED灯开始工作，数码管开始倒计时，当时间清零时，蜂鸣器发出响声，LED灯改变不同颜色，相反，光强大于预设值，LED灯不工作，其他元件不作响应。其仿真模拟设计框图如图3所示。

图3 LED智能靶向驱虫灯仿真模拟设计框图

根据系统设计方案，本系统的调试分为两部分，软件调试和硬件调试。通过对电路的各模块进行逐级调试，单片机最小系统的调试，最后将各模块组合进行整体测试。

硬件调试中主要调试LED灯的光亮程度、蜂鸣器能否在LED灯开启或关闭时作出响应、数码显示器显示倒计时时间，以及LED灯的频闪效果是否能够实现。

软件调试中采用仿真软件Proteus7.8，通过keil将程序烧录到单片机最小系统中运行，检测keil编程语言中语法是否有误，定时程序能否实现需求，以及程序在硬件上的可执行性。

仿真结果实现了通过光敏传感器检测不同的光照强度，实现控制LED亮灭，以及控制按键开关驱动LED灯发出不同的频闪效果，调节滑动变阻器能够实现控制LED灯发出不同的亮度，从而使LED灯产生不同频率和强度，倒计时时间结束后，蜂鸣器发出响声，LED灯改变不同颜色，从而通过控制LED灯的不同颜色，对昆虫起到驱逐的作用。

4 结论

基于LED光源靶向驱虫系统设计中使用了LED光源、单片机最小系统、独立按键、光敏传感器等部分元件，实现LED光源靶向驱虫的作用，该设计节能、环保、能够应用于家居、医院、食品制造厂等等公共场所。通过单片机控波长、强度、频率变化的LED可见光光源，从而达到驱逐特定害虫的作用，防治害虫针对性强，真正意义上实现了无污染有害昆虫的定向驱逐，根据不同昆虫对光强度敏感程度的不同，使得驱虫更具有灵活性和高效率性。