蘇育珍 劉增煌 徐劉飛 李昕燁 周 蘇 胡 燦,2*

(1 塔里大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)(2 新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學?，F(xiàn)代農業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

中國最好的紅棗產自南疆，南疆有著獨特的地理環(huán)境，所產果實因肉厚、皮薄、味甜、無污染，越來越受到人們的青睞。但是棗樹在掛果期間經(jīng)常受到很多病菌和害蟲的侵襲，需要大量使用液態(tài)農藥來進行抵御[1]。而農藥的長期使用不僅會破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、污染水源，更會造成大棗果實的農藥殘留，直接危害人們的身體健康。為了使新疆紅棗成為綠色、有機果品，必須對棗樹的病蟲害進行物理防治[2]。因此急需殺蟲滅蟲的新方法、新思路來控制蟲害對紅棗質量及產量的影響，從而達到誘殺害蟲的目的。

目前,現(xiàn)有的棗園物理滅蟲方法主要為粘蟲板、黑光燈+水盆、黑光燈+電子滅蟲器。前兩類棗園滅蟲方法需要人工去清理維護，且衛(wèi)生方面處理較麻煩，且可能導致蟲卵處理不徹底等造成滅蟲失敗[3-4]。第三種滅蟲方式雖然較前兩種效果較好，但是對于棗園的害蟲卻是滅殺效果不理想且維護不方便。高壓靜電滅蟲方法是一種物理方法，前期研究表明，靜電滅蟲方法對鱗翅目類害蟲有明顯效果。朱琳等[5-6]研究了黃瓜生長周期內高壓靜電滅蟲的效果與設備優(yōu)化，取得了較好的效果，對棗園的整體滅蟲方法仍有待探索。棗園害蟲主要有棗鐮翅小卷蛾、棗癭蚊、綠盲蝽蟓等鱗翅目類害蟲[7]。實驗驗證寬譜誘蟲光源對于鱗翅目類各種成蟲有特效，因此需要對誘蟲光源研究。

為了進一步研究高壓靜電滅蟲方法對棗園滅蟲效果，以實現(xiàn)棗園采用物理滅蟲方法的可行性，本文設計采用了物理滅蟲方法，通過單片機控制對周圍環(huán)境采集處理分析合理控制整個電路工作與否，結合高壓產生電路以及電網(wǎng)，通過可控光的引誘來集中消滅害蟲。

1 殺蟲器裝置整體設計思路

1.1系統(tǒng)設計要求

本系統(tǒng)要求通過產生高壓靜電的方式，使殺蟲電網(wǎng)上布滿超過4 KV的高壓電[8]。利用昆蟲具有趨光性的特征，使用一盞12 V可控誘蟲燈對棗園害蟲進行集中誘殺，從而達到物理滅蟲的要求。在此過程中采用自動化控制設計，實現(xiàn)白天電源裝置關閉，晚上自動開啟，雨天自動關閉。且在運行期間能夠判斷人體靠近關斷高壓電網(wǎng)，保護人體安全。

1.2系統(tǒng)總體方案

圖1 殺蟲系統(tǒng)總體電路工作框圖

如圖1所示，該高壓靜電殺蟲器由五部分組成：太陽能充放電控制、自動控制、高壓發(fā)生電路、12 V可控誘蟲燈、5 V USB充電。設計思路是白天當太陽光照射時給電池組充電，整個裝置只有前兩級太陽能充放電控制器與自動控制裝置工作。當夜晚時，前一級太陽能部分不工作，自動控制裝置控制其后級誘蟲燈與高壓發(fā)生裝置工作，整個裝置處于工作狀態(tài)。通過誘蟲燈對棗園害蟲進行誘導，高壓電網(wǎng)端集中擊殺，從而達到物理的滅蟲過程。誘蟲燈可調節(jié)不同顏色的燈發(fā)光，從而控制波長段，可使誘蟲的范圍與種類進一步提升。本裝置加入了安全保護裝置部分，該部分能對雨天檢測和人體靠近高壓電網(wǎng)檢測，及時斷開后級高壓部分電路，避免了人和整個裝置受到傷害，做到了安全防治蟲害。

2 裝置硬件電路設計

2.1電源電路

電源電路包括太陽能電池板、太陽能充放電控制電路、蓄電池。其中太陽能充放電控制器由雙運算放大器LM358、穩(wěn)壓電路TL431、三端穩(wěn)壓集成電路L7805、場效應管85U03GH和光耦P521組成[9]。電源電路原理圖如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖

本設計采用4段式電壓控制，照圖中數(shù)值蓄電池放電到10. 6 V就截止無輸出，蓄電池電壓會緩慢回升到大約11. 6 V但依然沒輸出，只有充電回升到12. 43 V才會重新導通輸出。充電也一樣，當充電至14. 45 V時就斷開，然后蓄電池電壓會慢慢下降到13. 3 V又開始充電。周而復始充電至截止電壓；通過在電源電路輸出端加入L7805電路，L7805電路能夠提供高達1. 7 A的電流輸出。因此即能提供單片機工作所需5 V電壓，又能通過USB口給5 V用電設備充電。設計中，需對各點電壓進行計算。

(1)充電截止電壓。

(1)

公式 (1)中，y為設定充電截止電壓，R2、R4、R5、R9為電阻。

(2)充電返回電壓。

(2)

圖3 自動控制電路原理圖

2.2自動控制電路

自動控制電路主要由STC89C52RC單片機、ADC0832模數(shù)轉換芯片、光敏電阻、雨水傳感器、人體紅外傳感器、LCD1602液晶屏和繼電器部分組成。自動控制電路原理圖如圖3所示。

由于控制的對象是12 V的誘蟲燈與高壓發(fā)生電路，與單片機5 V電壓不同。這里采用了繼電器電路控制。通過雨水傳感器與光敏電阻的采集外界環(huán)境的濕度與亮度，經(jīng)過ADC0832將模擬量轉化為數(shù)字量送至單片機處理后顯示在LCD1602液晶屏上，并且在符合晴天黑夜條件，單片機送出一個電平信號給繼電器電路，驅動繼電器閉合，這時整個裝置開始工作。在裝置中設置按鍵，方便對濕度與亮度閾值的調整。也引入安全保護裝置，通過加入一個人體紅外傳感器，當人靠近時能立刻切斷高壓電路電源，確保安全。

2.3高壓發(fā)生電路

高壓發(fā)生電路主要有方波信號發(fā)生部分、信號傳輸部分、輸出放大部分好、升壓整流部分組成。由單片機發(fā)出20 KHZ占空比為50%的方波信號，通過光耦的隔離傳輸給OTL放大電路再經(jīng)過行輸出變壓器的變壓放大輸出一個2 KV的電壓，最終由倍壓整流電路將2 KV電壓升至14 KV左右。其中OTL電路采用兩個三極管及一個大容量電解電容。比單三極管放大電路效率更高。OTL電路簡單且?guī)ж撦d能力強，自身功耗更低。高壓發(fā)生電路原理圖如圖4所示。

圖4 高壓發(fā)生電路

2.3.1 光耦隔離電路

為保證整個裝置能夠平穩(wěn)運行，加入了光耦隔離電路，使高壓電路與單片機信號電路隔離。光耦隔離電路由高速光耦6N137、上拉電阻R6、限流電阻R5及電容組成。光耦隔離電路如圖5所示。

圖5 光耦隔離電路

2.3.2 升壓整流電路

變壓器采用高頻變壓器(體積小，重量輕優(yōu)點)，利用20 KHZ方波來驅動升壓。采用初級線圈5 T,次級線圈為1 000 T的高頻變壓器。設U1為理想狀態(tài)變壓器最終輸出電壓，U2為實際電壓輸出，U3為電網(wǎng)電壓，U為輸入電壓, η為變壓器效率，設η=85%。

整流電路是利用濾波電容的存儲作用，由多個電容和二極管可以獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓。這種電路稱為倍壓整流電路。電路如圖6所示。

圖6 五倍壓整流電路

二倍壓整流原理：

本次設計所使用的產生高壓的5倍壓整流電路如圖3所示。在空載情況下，根據(jù)上述分析方法可得，C11上的電壓為1. 414 U2，C12～C15上的電壓為2. 828 U2。因此，以C11兩端作為輸出端，輸出電壓的值為 2. 828 U2 ；以C14兩端作為輸出端，輸出電壓的值為 2.828 U2 ；以C10和C11上電壓相加作為輸出，輸出電壓的值為4. 242 U2，依此類推，可獲得1. 414 U2的5倍的輸出電壓。

2.4貼片式LED陣列誘蟲燈設計

棗園害蟲主要有棗鐮翅小卷蛾、棗癭蚊、綠盲蝽蟓等鱗翅目類。寬譜誘蟲光源對于鱗翅目類各種成蟲有特效，波長為320 nm～680 nm光譜范圍的光源可以稱為寬譜光源。誘蟲燈由幾種不同顏色的貼片式LED組成，呈回字型構架。主要有紫色、藍色、黃色、紅色LED組成，還有紫外與紅外兩個燈珠?？梢赃_到的波長范圍為300 nm～780 nm。通過控制不同顏色LED的工作可以調配出不同波長的光，從而達到控制波長段的目的，可使誘蟲范圍與種類進一步提升。

3 裝置軟件設計

3.1自動控制程序設計

系統(tǒng)軟件設計包括對雨水、亮度檢測程序、對采集到的數(shù)據(jù)進行轉換和處理的程序、設置濕度上下限的程序、顯示程序、方波信號發(fā)生程序等。主程序流程如圖7所示。裝置軟件主要實現(xiàn)以下功能，當光敏電阻、雨水傳感器的反饋值屬于設定的范圍黑夜晴天時，單片機輸出低電平信號繼電器閉合，高壓部分與誘蟲燈部分開始工作。當光敏電阻、雨水傳感器的反饋值屬于設定的范圍外白天或者雨天時，單片機輸出高電平信號繼電器打開，高壓部分與誘蟲燈部分不工作。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2高壓放電控制程序設計

單片機持續(xù)發(fā)出20 KHZ的方波為高壓部分提供升壓條件。本設計采用11.059 2 MHZ的晶振，利用STC89C52RC單片機的定時器0產生20 KHZ程序，分析如下：

20 KHZ是50 us產生一個的方波取半個周期記為t=25 us，25 us/1. 09 us需要計數(shù)23次,因而初值應設定TH0=(65 536-23)/256 ，TL0=(65 536-23)/256。由于理論值算法和實際輸出有偏差，所以采用了偏正算法，保證了輸出為20 KHZ方波。

4 測試試驗

根據(jù)設計參數(shù)與要求，我們研制出一臺可控光引誘高壓靜電殺蟲器裝置，樣機如圖8所示。圖8中，太陽能電池板與配電箱中的太陽能充放電控制器、蓄電池組組成電源系統(tǒng)。放置在配電箱中的自動控制裝置通過外部雨水傳感器、光敏電阻和人體紅外傳感器，對整個高壓電網(wǎng)進行控制。通過調節(jié)高壓電網(wǎng)上的電壓強度，試驗不同電壓等級下裝置的殺蟲效率。

圖8 可控光引誘高壓靜電殺蟲器裝置樣機

4.1試驗方法

將裝置調試到正常運行模式，采用FRC50 KV交直流分壓器對高壓電網(wǎng)上的電壓進行檢測，通過分壓器顯示的電壓，將電網(wǎng)電壓確定在4. 5 KV與7 KV兩個檔位上。電網(wǎng)豎直下方在地面鋪一張白紙，使害蟲掉落至白紙上便于統(tǒng)計。在塔里木大學東區(qū)棗園設立試驗點，分別記為棗園1#測點、棗園2#測點。在8月上旬與9月下旬分別試驗一周，每日晚上10時至10時30分打開裝置。抽取一周中兩天的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2結果與分析

試驗結果如表1所示。在設置電壓等級為4. 5 KV～7 KV 之間且試驗溫度差異不大的情況下，誘蟲數(shù)量與輸出電網(wǎng)電壓有關，電網(wǎng)電壓越高，誘殺的害蟲數(shù)量較多。當電網(wǎng)電壓為7 KV時，1#測點30分鐘時間內殺蟲數(shù)量為145，2#測點30分鐘時間內殺蟲數(shù)量為98；當電網(wǎng)電壓相同時，試驗溫度對誘蟲數(shù)量也有明顯影響，溫度為31 ℃時，殺蟲數(shù)量為145，殺蟲效果最佳，表明棗園蟲害喜光喜溫的特性。在同一測點連續(xù)試驗一周后，較大體積的蟲害數(shù)量明顯減少，小體積的害蟲也在一定程度密度降低，較高等級的電壓具有更好的殺蟲效果。

表1 棗園可控光引誘高壓靜電殺蟲器裝置誘殺蟲數(shù)量統(tǒng)計表

5 結論

5.1 棗園可控光引誘高壓靜電殺蟲器裝置的設計具備可行性，運行穩(wěn)定可靠，試驗表明，該裝置殺蟲效率高，電壓等級為4.5 KV～7 KV時，對紅棗與棗樹未見明顯傷害。

5.2 當電網(wǎng)電壓為7 KV時， 30分鐘時間內殺蟲數(shù)量為最高,表明在合適范圍內，電壓等級越高，殺蟲效果越好。

5.3 電網(wǎng)電壓相同時，試驗溫度對誘蟲數(shù)量也有明顯影響，溫度為31 ℃時，殺蟲數(shù)量為145，殺蟲效果最佳，表明棗園蟲害喜光喜溫的特性。