基于超声波和微波技术的害虫防治系统设计

朱诗雨，员玉良，冯 强

（青岛农业大学 机电工程学院，青岛 266109）

随着人们生活水平的提高，人们对食品安全的要求也不断提高，但在现今农作物病虫害问题上，主流杀虫方式依然是农药杀虫，远远达不到人们对农作物绿色安全的要求，而且还会污染环境，因此能够有效地防治害虫成为农作物是否健康成长的关键因素。基于以上原因，既要减少环境污染，又要害虫防治有效，因此我们采用物理杀虫技术，即超声波驱虫和微波杀虫技术。目前的杀虫方法一般分为两大类，一是农药杀虫，二是黑光灯诱捕害虫，通过高压电击杀死[1]。农药杀虫效果刚开始很好，随着时间的推移，害虫逐渐产生抗药性，杀虫效果降低，电击杀虫的杀虫效果较前者有了很大的提升，但是容易受高电压、恶劣环境等影响，容易给害虫造成逃生的机会，针对这一现状，本文设计了一种超声波和微波技术相结合的害虫防治系统。

利用超声波刺激害虫的神经系统，导致害虫的生理紊乱，从而达到驱赶害虫的目的，适用于农田中。通过发射不同频率的超声波，实现对多种害虫的驱赶，减少害虫对农作物的伤害，此外超声波是一种频率高于20 kHz的声波，超过了人耳所能听到的听觉范围，能够减少对人类生活的影响[2]。微波杀虫利用微波发生器产生微波，在微波电磁场的作用下，使害虫体内的蛋白质失去活性而死亡[3]。在超声波和微波的共同作用下，既保证了农作物的健康生长，又提高了诱杀害虫的效率。

1 系统概述

本系统主要由超声波驱虫系统和微波杀虫系统两大部分组成，通过结合语音指令和环境光线情况控制超声波驱虫系统进行驱虫，超声波驱虫系统有两种工作状态，即定频驱虫和自动扫频驱虫。定频驱虫是发射固定的超声波频率，主要针对某一种或某一类特定的害虫，针对性较强，自动扫频驱虫可以实现超声波发生器的自动调频，发射连续变化的超声波频率，实现驱赶不同种类的害虫，同时也可避免长时间使用后害虫对固定频率产生适应性，导致驱虫效果下降[4]。微波杀虫系统是通过光照传感器实时感知光照强度，利用黑光灯诱捕害虫，微波发生器将诱捕的害虫杀死。整个装置的工作状态通过串口屏实时显示，显示模块显示的内容为超声波频率、驱虫的类型、杀虫的结果，为了避免语音识别出现错误，还可以通过串口屏触摸进行系统控制。系统方案示意如图1所示。

图1 系统功能框图Fig.1 Schematic diagram of system scheme

2 超声波驱虫系统

2.1 超声波驱虫原理

通过查阅大量资料显示，大多数害虫对20～60 kHz的超声波产生厌恶感，使它们的听觉神经感到不适应，根据害虫的这一特性，通过语音识别指令驱动单片机控制DDS模块产生 25 kHz，30 kHz，40 kHz，50 kHz，60 kHz等一系列的频率信号，通过功率放大电路对频率信号进行功率放大[5]，利用超声波换能器将电信号转换为超声波信号开始驱虫[6]。超声波驱虫的原理如图2所示。

图2 超声波驱虫原理Fig.2 Principle diagram of ultrasonic deworm

2.2 语音模块

本设计采用的语音模块是REC-V2，该语音模块具有识别指令多、识别深度广、集成度高等优点，通过上位机软件New Way Speech对语音模块创建识别关键词，当语音模块识别到关键词时，通过串口通信发送给单片机，单片机根据指令控制DDS模块执行相应的功能。语音模块与单片机的引脚连接图如图3所示。

图3 语音模块原理Fig.3 Principle diagram of voice module

2.3 DDS模块

本系统要求DDS模块能够实现可调频率的输出，有较高的分辨率和转换速度[7]，因此采用的是AD9851模块，AD9851模块是ADI应用最先进的DDS技术制作的模块之一，AD9851芯片有两种工作模式，即串行模式和并行模式。由于并行模式占用的I/O口较多，所以采用串行模式，AD9851有40位控制字，单片机在WCLK上升沿时将D7引脚的一位数据串行移入，再将剩余的控制字依次移位到数据寄存器，移位结束后通过FQ_UP更新输出的频率和相位，通过OUT引脚输出所需的正弦波[8]。AD9851的原理如图4所示。

图4 AD9851模块原理Fig.4 Principle diagram of AD9851 module

2.4 功率放大电路

功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路，主要是对电流信号的放大[9]，在本次设计中由于AD9851产生的频率信号的电压电流达不到驱动超声波换能器的要求，因此需要将产生的频率信号进行功率放大，基本原则是输出功率大、非线性失真小，因此选用TDA2030A功率放大芯片，功率放大电路如图5所示[10]。

图5 功率放大电路Fig.5 Power amplification circuit

2.5 超声波换能器

图6 超声波换能器Fig.6 Ultrasonic transducer

超声波换能器是将电信号转换成超声波信号向四周发射出去的装置。在本系统设计中我们选用的是PW5120系列超声波喇叭作为超声波换能器，经过实测功率大约在1 W左右，符合本系统节能的设计理念，超声波换能器的实物如图6所示。

3 微波杀虫系统

3.1 微波系统电源控制电路

微波杀虫电路设计中，采用的是HSTL-GZD光照度传感器，将采集到的光照度模拟信号发送到单片机，单片机经过A/D转换得到光照度数值，利用SRD-12VDC-SL-C型号的继电器控制微波系统的供电电源，采用高电平触发的方式实现对黑光灯、微波发生装置的开关控制[11]。微波杀虫的电源控制电路如图7所示。

图7 电源控制电路Fig.7 Power supply control circuit

3.2 微波发生器

本系统采用一个集成的微波射频发生器，频率范围 35 MHz～4.4 GHz，最小步进 1 kHz，工作方式为单片机驱动，驱动时只需要3根数据线，通过单片机控制模块的内部寄存器，完成对寄存器控制字的写入，使其输出需要的微波频率。微波发生器的工作原理如图8所示。

图8 微波发生器原理Fig.8 Principle diagram of microwave generator

3.3 微波杀虫原理

微波杀虫装置由诱虫灯部分、风机部分、微波部分与支撑固定这四部分组成。诱虫灯部分包括黑光灯和灯罩，风机部分包括电机带动扇叶转动形成的吸风机和通气孔，微波部分包括微波箱和微波发生器。微波杀虫原理如图9所示。

图9 微波杀虫装置示意Fig.9 Device diagram of microwave pest-killing

微波杀虫装置根据单片机A/D转换的光照度值，当光照强度低于设定值时，单片机控制继电器开关K1闭合，打开黑光灯、风机和微波装置，利用害虫的趋光性，黑光灯发出紫外线，将害虫引诱聚集在一起，在风机的作用的下，黑光灯附近形成一定的负压，将害虫吸进微波箱，在微波发生器的作用下将害虫杀死，杀死后的虫子可通过开关门清理出来，这种方法既高效，又能够保护环境，减少农药的使用量。

4 系统软件设计

系统启动后完成系统初始化，语音模块或光照度传感器将外部信息或指令传送给单片机，单片机识别信息后，如果光照度值大于设定值，开始进行超声波驱虫，相反则进行微波杀虫，并将相应结果显示到串口屏上。软件流程如图10所示。

图10 软件流程Fig.10 Software flow chart

5 结语

本文设计了一种基于超声波和微波技术的害虫防治系统。设计中采用AD9851模块产生多种频率信号，增加了驱虫的种类，采用TDA2030A芯片搭建功率放大电路，输出的功率非线性失真小，保证了超声波换能器的正常工作[12]。采用黑光灯诱捕害虫和微波杀虫，提高了杀虫效果，该系统具有杀虫效果好、节能环保等优点，因此具有一定的实用性和推广意义。