基于单片机的杀虫灯智能控制器设计

陈世雄

摘要：为了解决传统杀虫灯自动化程度不高、人工计数劳动强度大等问题，利用单片机技术研制一种集电击计数、电网清理、故障检测保护于一体的杀虫灯智能控制器。系统介绍了杀虫灯系统结构、控制器电源电路、单片机主电路、低压端电流采集电路、输入/输出（I/O）口的控制电路、电网清理状态检测电路、逻辑信号输出电路等以及软件设计。通过与物联网技术相结合，利用高压电网杀灭害虫所产生的电流变化量进行灭虫计数，在虫害暴发时可以实现异常虫情报警，为大田精准施药、减少施药提供数据参考和决策依据。

关键词：单片机;杀虫灯;电击计数;电网清理;故障检测;智能控制器

中图分类号：S126;S477  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2021）13-0186-06

人们从“飞蛾扑火”的现象观察到昆虫具有对光线敏感性生理反应及趋光行为的习性，并渐渐地开始利用光源来诱杀害虫[1]。杀虫灯是利用害虫具有较强的趋光、趋波特性，近距离用光、远距离用波将害虫成虫吸引至光源附近，再以电击、水淹、风吸等方式将害虫杀灭[2-4]。随着人们对绿色无公害农产品的日益增长需求，杀虫灯成为防治农业、林业害虫的重要手段[5]。电击式杀虫灯系统最重要的是高压电网的控制器，控制器控制着电网电源和诱虫灯的开关、自清洁装置、电击计数数据采集、故障检测保护等工作。通过与物联网技术相结合[6]，将高压电网杀灭害虫所产生的电流变化通过信号提取电路转换成电压信号给单片机进行计数，在虫害暴发时可以实现异常虫情报警，为大田的精准施药、减少施药提供数据参考和决策依据。

本研究设计了一款可自动诱捕与计数的农业害虫自动监测控制器，单片机采用深圳市宏晶科技有限公司研发的STC12C2052AD单片机[7]。STC12C2052AD单片机是深圳市宏晶科技有限公司生产的单时钟单片机，是运行速度高、功耗低、抗干扰强的更先进的8051单片机，程序指令完全兼容8051，但运行速度比以往8051快3～12倍;单片机内部已经集成专用复位电路，该设计外部使用10 MHz晶振，因此省去外部复位电路部分，STC12C2052AD单片机还具有8通道8位高速模/数（A/D）转换器，硬件看门狗功能，全双工异步串行口，兼容普通8051串口，先进的RISC精简指令集结构，兼容普通8051指令集。STC12C2052AD单片机安全性好，单片机加密过的程序无法被破译，并且用户数据可直接保存在单片机的内部，就无法通过分析用户数据的运行状况来破译程序。如果在以往8051单片机系统上已经调试好的程序，在STC12系列上可以直接使用，不需要重新编程编译。

1 控制器设计思路

智能控制器结构框架见图1。控制器主要执行机构为高压电网部分，其他系统都是为了更好地服务于高压电网。控制器在野外使用12 V太阳能系统供电。电击杀害虫计数原理是利用高压电网杀灭害虫所产生的电流变化量通过信号提取电路转换成电压变化量，送入单片机中通过A/D转换器进行读取和处理，单片机对灭虫产生的信号进行计数，同时将其数据存入相应单元。工作时，在高压电网中间放置诱芯或接入LED光源模块[8]，诱引靶标害虫触碰电网被电击，落入虫体收集装置。电击产生的计数数据由数据传输单元（DTU）發送回数据库[9]，做数据分析。在野外环境下，会有异物进入电网或虫体卡在电网上，影响电网电击效果，使用电网清理系统可以完全解决这一问题，电网清理系统由步进电机、清理盘、往复丝杆组成。在软件程序的设计下，单片机自动控制器实时监测电网及步进电机通电状态，收集有效电击计数数据，智能开启电网清理系统，故障关闭高压电网供电和诱虫灯。

智能控制器核心采用兼容8051内核单片机STC12C2052AD（芯片的内部功能结构见图2），在通电状态下即可实时监测高压电网电路低压端的电流数据;有虫体触网被电击时，电流数据值瞬间升高大于预设值，且3 s内无重复大于预设值，为一次有效计数，输出一个0逻辑信号给DTU单元，发送回数据库;当虫体或异物卡在电网上发生持续电击时启动电网清理信号，对电网进行清理，清理结束后恢复正常，当清理结束后依旧发生持续电击时，认为电网故障，切断电网低压端，停止电网供电并关闭诱虫灯，同时触发DTU发送故障信号，需要人为修复。自动控制器单片机系统框架图见图3。

2 控制器系统硬件设计

2.1 控制器电源电路

控制器使用直流12 V转直流5 V的电源电路，电路图见图4。由于野外监测使用12 V太阳能供电系统，电池在充放电过程中电压有一定的变化幅度，所以选用LM2596S-5.0来制作电源电路。LM2596系列是德州仪器（TI）生产的降压稳压开关型芯片，输出电流最大可达到3 A，片内集成有 150 kHz 的振荡器和1.235 V的基准稳压器，并具有电流限制、温度限制等保护电路。LM2596S-5.0外围电路简单，利用效率高。LM2596S-5.0还提供了宽电压（DC 4.5～40.0 V）输入，更适合野外电源系统应用。

LM2596芯片内部框图见图5，LM2596片内包含150 kHz振荡器、1.235 V基准稳压器、温度限制、电流限制、放大器、比较器、稳压器等电路结构。其中r1=2.5 kΩ，r2分别为2.4 kΩ（3.3 V）、7.6 kΩ（5 V）、21.8 kΩ（12 V）、0 Ω（可调），构建不同的电压系统输出。LM2596芯片工作时，将反馈电压的分压值同基准电压值1.235 V进行比较，如果产生偏差，利用放大器改变振荡器的输出占空比，让输出的电压维持在一定的范围内，从而达到稳压的目的。

2.2 控制器单片机系统主电路

STC12C2052AD系列工作电压：5.5～3.4 V（5 V 单片机），工作频率：0～35 MHz，相当于普通8051的0～420 MHz，实际工作频率可达48 MHz。工作温度：0～75 ℃/-40～85 ℃。STC12C2052AD内部硬件看门狗和复位电路，外围电路简单，控制器主电路见图6。晶振Z1选用10 MHz，能够有效采集电流数据不遗漏。控制器PCB实物见图7。

2.3 控制器电流采集电路

高压电网为低功耗系统，其低压端为直流电压12 V，静态电流为50 mA，当有虫体触碰电网发生电击时低压端电流瞬时增大到200 mA以上。根据这一特性，可统计被电击虫体数量，如果连续电击可判断高压电网有异物黏连。利用采集电路实时监测电网低压端电流变化，判断虫体电击数量及电网状态。控制器电流采集电路见图8，因为电流量是

模拟量，A/D转换器对于电流量不能直接读取，所以需要将电流量转化为电压量，通过A/D转换器进行读取和处理。R3为采样电阻，将采样电流转换成电压量输入给单片机，C5为滤波电容，可降低信号干扰。STC12C2052AD带A/D 转换在P1口有8路8位高精度的高速A/D 转换器，速度可达 100 kHz。通过软件将P1.3设置为开漏模式作为A/D 转换，其他口继续作I/O口使用。A/D 转换结果存储在ADC_DATA（A/D 转换结果特殊功能寄存器），A/D转换计算公式：结果=256 ×VI/VCC，VI为采样电阻的模拟电压，VCC 为单片机的工作电压。

2.4 控制器I/O口的控制电路

控制器控制电路见图9，P1.0、P1.6为控制 I/O， 利用Q7、Q11共2个三极管作为隔离器， 分别控制K1、K2继电器。K1控制直流5 V输出，可启动电网清理系统;K2以开关量输出，对电网低压端供电进行控制。

2.5 控制器电网清理状态检测电路

检测电路见图10，P3.2为检测口，R20为上拉电阻，将P3.2输出置1，收到置0信号单片机就可以检测到。电网清理系统是以直流5 V电压供电，可以用Q8三极管为反向器直接接收5 V信号，当有5 V信号输入时，Q8直接将P3.2变为低电平，单片机就可以检测到，确定为电网清理系统处在工作状态。当电网清理系统停止工作时，无电压信号输入，由R27下拉置0，Q8阻断导通，P3.2恢复置1。

2.6 控制器逻辑信号输出电路

电路见图11，P1.7口作为逻辑信号输出，对接DTU信号输入。R29为保护电阻，LED2为状态指示灯。通过软件将P1.7设置为开漏模式，当口线锁存器为 0 时，开漏输出关闭所有上拉晶体管。作为一个逻辑输出时，可适配外部系统上拉电势，即可兼容对接3.3 V系统和5 V系统。

3 控制器软件设计

3.1 主程序流程

控制器程序设计成上电自动运行，包括A/d转换程序、数据处理程序、控制输出程序、逻辑输出程序等。主程序流程见图12。

3.2 A/D转换子程序

GEI_ADC：

PUSH ACC

MOV 50H，#00H ;A/D转换结果寄存器清零

MOV ADC_DATA，#00H ;A/D 转换结果特殊功能寄存器清零

ORL ADC_CONTR，#08H ;启动A/D转换

LCALL DELAY  PRUN：

MOV A，#10H ;测试A/D转换结束否

ANL A，ADC_CONTR

JZ PRUN

ANL ADC_CONTR，#63H ;停止A/D转换

MOV A，ADC_DATA ;保存A/D转换结果

MOV 50H，A

POP ACC

RETI

4 结论

本研究选用STC12C2052AD-5 V单片机研制的多功能智能控制器，实现了工作时段可调整机制、电网智能清理、高压电网故障检测保护、电击虫量自动计数等功能，控制器包括系统结构、控制器电源电路、单片机主电路、低压端电流采集电路、I/O 口的控制电路、电网清理状态检测电路、逻辑信号输出电路等以及软件设计[10]。由于STC12C2052AD集成度高，先进的RISC精简指令集与以往的单片机结构设计比较[11]，其结构更加简洁，可大大降低研制成本。STC12C2052AD的运行速度比传统单片机快3～12倍，响应速度快。智能控制器应用在物联網杀虫灯中，能提升装备野外虫情智能化监测水平，可为虫情数据的预警分析提供有效依据和准确性，有利于降低害虫防治成本，提高防治效果。

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