一种农作物智能电子灭虫灯的设计**

李馨蕾 ，黎镜鑫 ，周瑞婷 ，袁 梦

（宿迁学院，江苏 宿迁 223800）

0 引言

大多数昆虫如蚊子、苍蝇、飞蛾等都具有趋光性。根据它们的特性，研制吸引害虫的特殊灯管[1]，并且在灯管前面装设高压电网。当灭虫灯通电时，灯体周围的电极产生高压电，由于电极所带的高压电具有很强的吸附能力，所以当害虫在灯光的诱惑下靠近灭虫灯时会被高压电吸附在电极上并被消灭。同理，电击式灭蚊灯利用了蚊虫强趋光性和趋温性，当紫外线荧光灯作为光源发光时，蚊虫将被吸引从而飞进灭蚊灯内，被设置的高压电网电死，这就是电子灭蚊灯的基本原理[2]。

灭蚊灯发出的紫外灯光有照明作用，可作为夜间照明的小夜灯使用。智能电子灭虫在灭虫技术方面利用交直流、太阳能的光电转换技术，同时也利用部分害虫的趋光特性[3]。这是一种值得推广的技术，它对资源的节约、代替和循环利用有着积极的影响。它不但克服了化学灭虫的不利要素，并且减少了使用农药灭虫对生态文明和人类健康的威胁，更加有利于人们的身体健康。而且，减少农药的使用也将会从源头上保障大部分农产品的质量，提高人们的健康生活品质，符合社会的发展需求，为有机农业的发展提供可靠的途径。它对维持生态平衡和节约能源有着不可估量的作用，同时也为无公害乃至绿色有机蔬菜生产提供了基础，减少环境污染，维持生态平衡，节约能源[4]。

1 课题研究背景与意义

由于化学工业的飞速发展，农药产品种类和数量不断增多，在一定程度上满足了农民防治害虫的需求，对农业发展起到积极作用。然而，传统的单一使用农药进行害虫防治的方式，已不再满足中国特色社会主义新时代的发展需要。再者，农药的滥用对农产品也有一定的污染，这对人们的身体健康存在潜在危险。为顺应时代潮流，创新性防治害虫技术的发展成为必要。为了让人们的生活更加健康，发展新型防治害虫技术是农牧发展的重点[5]。而智能电子灭虫灯利用昆虫的趋光特性吸引害虫，再借助高压电将其杀死，这项技术研究最早，技术最为成熟、发展最快，也符合社会需求，它将激起创新性防治害虫技术的新浪潮，走在创新性防治害虫技术的最前沿。

2 灭虫灯的系统结构

基于太阳能交直流两用灭虫灯基本电路如图1所示，电路由以下几个模块构成。

图1 灭虫灯基本电路图

2.1 直流电压电路设计

该部分电源使用220 V交流电，先通过交流变压器降压，再通过桥式整流电路转换成单向脉动性直流电，最后通过12 V的稳压管稳压，输出12 V的直流电压。

2.2 太阳能电池控制电路设计

该部分使用太阳能电池来吸收光能，经光电转换将吸收的光能转换成低压直流电能后，再把低压直流电能储存到蓄电池以供灭虫灯发光使用。其主要核心装置是太阳能电池和智能控制系统。其基本要求是能提供稳定的低压直流电的蓄积，电池使用寿命长，安装成本比较低，维修维护更加方便[6]。

2.3 灭虫灯周围环境布置的高压电网电路设计

该部分由高频振荡器、电压放大器和单相变压器构成。电路结构简单，稳定可靠，便于实现。

3 电路设计分析

3.1 桥式整流电路

桥式整流电路的工作原理由4个二极管两两并联构成桥式整流电路，其输出电压分别把正、负电压整流，形成直流电压，施加于蓄电池两端并为其充电。

变压器有两组线圈，分别为初级线圈（n1）和次级线圈（n2），其中和电源相接的是初级线圈。初级线圈通电后，变压器中的铁芯就会产生交变磁场，次级线圈产生感应电动势，从而实现电压变化。其所对应的关系为：n1∶n2=u1∶u2。

其电路导通过程如图1所示，首先通过T1把220 V的交流高压降为较低的电压，再通过个二极管把交流电转换为直流电，通过稳压管得到一个稳定的直流电压。

3.2 高压脉冲电路的设计

高压脉冲电路由NE555等脉冲振荡电路组成，如图2所示。NE555构成多谐振荡器，R1、R2和C是外接的定时器件。该脉冲振荡电路的工作原理如下：在接通电源的瞬间，TH和TR端的电位为0，RS触发器的R=0，S=1，触发器置1，即为高电平，OUT的电压是高电平，此时MOS管截止，直流电源经R1、R2对C进行充电，TH和TR端的电位逐渐升高。当TH和TR端的电位上升到2/3VDD以上时，比较器A的输出变为高电平，比较器B的输出变为0，使RS触发器置0，即为低电平。输出端OUT的电压为低电平。当MOS管导通，C通过R2及MOS管放电，输出端OUT的电压降低。当输出端OUT的电压降低到1/3VDD以下时，比较器B的输出使S变为高电平，比较器A的输出使R变为低电平，输出电压再跳变到高电平，金属氧化物的半导体管熔断，C进行下一次充电，继续进行下一次循环，就可以在输出端之前得到有规律、等高的矩形脉冲序列。输出高频脉冲信号驱动大功率管，在T2次级侧感应高压脉冲。整流二极管输出后，可以直接得到近10 000 V的直流电压。

图2 高压脉冲电路图

定时器NE555的作用是为高压脉冲电路提供振荡频率，最高振荡频率为500 kHz。定时器NE555芯片的引脚功能：VCC引脚为电路供电；TRI引脚为低电平触发端，输入低电平触发脉冲；THR引脚为高电平触发端，输入高电平触发脉冲；CON引脚为电压控制端，经0.01 μF的C5接地，以防止引入干扰；OUT脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1 V~3 V，输出电流可达200 mA。

3.3 太阳能电池控制电路设计

因Multisim中无太阳能板，所以课题组加了个开关，接了一个直流电源，以便在后期完善太阳能这一功能。太阳能电池的作用是将光能转换成电能，然后存储在电池中，为灭虫灯发电做准备，太阳能电池分为晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，通常选用晶体硅作为制作太阳能电池板的材料。晶体硅电池效率高，效率稳。当光线照射电池表面时，利用硅材料吸收光子，将光能传递给硅原子，形成电子跃迁和PN结，产生电位差。当系统电路接通时，电流流过外部电路产生一定的输出功率。由此，电池板就将电能转换出来，存在蓄电池中以备充电。即太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，被称为光生电压[7-8]。电路基本原理：通过接收太阳能电池吸收的光能，把光能转变成产生低压直流电的电能储存到蓄电池。

4 制作过程

4.1 电网制作

和铁丝相比，铜丝具有导电性强、可塑性强等特点，又根据金属活泼性，铁的活泼性大于铜，故铁更容易被腐蚀。因此，选用铜丝作为制作高压电网的材料。

首先，将铜丝编制成网状长方形铜片，将铜片握成圆柱形，就形成了一个圆柱铜网。然后，再制作一个空隙宽度稍大的、圆柱直径稍大的铜网，套在第一个铜网外，但两者之间不接触，再将两层铜网连接不同的电极，从而产生电压差，就制成了电网。

在制作过程中，要留有一定余地以便装入光敏电阻器等器件。安装固定好的塑料棒便于后期使用中的固定，在高压电网上方盖顶进行保护以防止水滴，减少对灭虫灯的损害，延长其使用寿命，盖顶还有助于灯的光线聚集，在黑夜更能引诱蚊虫，达到杀虫目的[9]。

4.2 PCB制作

根据设计电路总图，用Altium Designer19制作电路图，然后生成PCB制版文件，从而刻制PCB电路板，最后焊接元器件完成制作，为接下来的投入使用提供便利。PCB电路板图如图3所示。

图3 PCB电路板图

5 结论

作为农业行业中的创新性防治害虫工具，智能电子灭虫灯与传统农药灭虫方式相比，除了具有安全、环保的优势之外，还能有效地节省人力和财力。据调查，农药防治害虫需要定期连续多次喷洒农药，且喷洒农药还需要投入人力，购买农药产品需要投入财力。与之相比，智能电子灭虫灯的优势明显。虽然购买灭虫灯的一次性投入成本较高，但是只要规范使用，灭虫灯的使用寿命长达8年。平均算下来，智能电子灭虫灯的投资成本远低于传统农药灭虫方式。长远看来，智能电子灭虫灯等创新性灭虫技术将会是害虫防治领域的新趋势[10]。