基于TSL2561的溫室智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計

虞楊陽，余紅英

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

基于TSL2561的溫室智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計

虞楊陽，余紅英

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

光是作物生長最首要的環(huán)境因子之一。該方案基于TSL2651數(shù)字光度傳感器，通過I2C總線將光度信息傳送給MCU（STC89C52）處理，根據(jù)設(shè)置的光度閥值控制遮陽網(wǎng)、LED燈的開啟和調(diào)節(jié)LED燈亮度。該系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，效率高，更加環(huán)保和節(jié)能，十分適用于溫室等環(huán)境光照調(diào)節(jié)的應(yīng)用。

TSL2561；調(diào)光；LED驅(qū)動；溫室

光照是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵條件之一。無論是陰天或由于季節(jié)變化造成光照不足還是光照強度過高都可能成為溫室植物生長、發(fā)育的限制因子。因此，對溫室植物的光照度和光照時間進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)、控制是十分必要的。我國目前主要依靠增強或減弱溫室設(shè)施內(nèi)的自然光照，適當(dāng)進(jìn)行補光，而在發(fā)達(dá)國家補光已成為重要的手段。因此，本文選用TSL2561作為光照強度傳感器，對光強度進(jìn)行測量，使用遮陽網(wǎng)和人工補光，將人造光和自然光結(jié)合起來，實現(xiàn)光強的調(diào)節(jié)和控制，從而促進(jìn)植物的良好生長。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

溫室智能調(diào)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 溫室智能調(diào)光系統(tǒng)的構(gòu)架

本系統(tǒng)根據(jù) TSL2561光強度傳感器采集溫室的光照度信息，并將光照度信息傳送到單片機并進(jìn)行處理。設(shè)置兩個光度閥值：光飽和點和光適宜點。當(dāng)在光照時間內(nèi)，光照度高于作物的光飽和點時，則通過繼電器控制遮陽網(wǎng)的開啟，從而降低溫室的光照度；當(dāng)在光照時間內(nèi)，光照度低于作物的光適宜點時，則通過單片機控制LED的亮度，對溫室進(jìn)行人工補光，從而為作物的生長提供足夠的光照，促進(jìn)其生長。

2 光強度采集部分

光強度傳感器主要用來檢測周圍環(huán)境的光強度，并根據(jù)環(huán)境亮度來開/關(guān) LED燈或調(diào)節(jié)其亮度值。由于光敏二極管和光敏電阻溫度特性和線性度差，本系統(tǒng)采用數(shù)字光強度傳感器TSL2561。

TSL2561是TAOS推出的一款高速、低功耗、可編程、靈活配置的光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口，涵蓋1～70000 Lx的寬強度范圍，非常適合溫室環(huán)境下光強度的測量。內(nèi)部集成兩路光敏二極管，通道0對可見光和紅外線都敏感，通道1僅對紅外線敏感。兩路積分式ADC分別對兩個光敏二極管的電流積分，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并保存在各路的數(shù)字寄存器中。其硬件電路，見圖2。

TSL2561的讀寫操作嚴(yán)格遵循I2C總線協(xié)議的時序。該總線支持以字節(jié)方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。以下是TSL2561數(shù)據(jù)采集程序的部分代碼。

圖2 TSL2561與MCU硬件連接電路

3 LED驅(qū)動設(shè)計

本系統(tǒng)采用單顆功率為1 W，按照紅藍(lán)光發(fā)光顆粒數(shù)比為4∶2比例混合帶光源式LED作為燈負(fù)載，額定電流350 mA，20～28 V直流輸入。LED驅(qū)動方式可分為恒壓源驅(qū)動和恒流源驅(qū)動。為了保證LED的亮度恒定和防止其過流燒壞，本系統(tǒng)采用恒流源驅(qū)動，若采用恒壓源驅(qū)動，LED的正向電流對外加電壓敏感，可靠性差。LED的調(diào)光方式分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。其中模擬調(diào)光是直接改變通過LED的最大電流，但光質(zhì)差，易形成色偏，故本設(shè)計選擇PWM調(diào)光。

本系統(tǒng)選用LM3407作為LED驅(qū)動器，其本質(zhì)是一個浮地的Buck變流器，開關(guān)管內(nèi)置，可提供高達(dá)350 mA的恒流。硬件電路如圖3所示。R1是電流檢測電阻，用來設(shè)定LED負(fù)載電流，R2用來設(shè)定開關(guān)管的工作頻率，本系統(tǒng)采用350 mA、1 MHz開關(guān)頻率。DIM引腳的PWM調(diào)光信號由單片機提供，通過控制占空比來調(diào)節(jié)LED亮度。根據(jù)作物對光照不同的要求，系統(tǒng)自動設(shè)置相應(yīng)定時值，由定時器0得到相應(yīng)的調(diào)光頻率。

圖3 LED驅(qū)動設(shè)計圖

4 遮陽網(wǎng)控制部分

圖4 遮陽網(wǎng)控制輸出驅(qū)動電路

夏季光照強度較大時會灼傷作物，對植物生長不利，可采用遮陽網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)遮陽。傳感器采集環(huán)境參數(shù)值，經(jīng)過處理后，MCU（STC89C52）發(fā)出控制信號到執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)操作。而執(zhí)行設(shè)備的功率一般都比較大，單片機為了驅(qū)動這些設(shè)備，必須把低電壓、小電流信號轉(zhuǎn)換成高電壓、大電流信號，不過同時也會帶來被控設(shè)備的干擾問題；為了驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備，必須提高接口的抗干擾能力，本設(shè)計采用光電隔離方式驅(qū)動繼電器輸出，光耦選用 6N137，繼電器選用 JZC－23F，觸點功率為5A/220VAC。接口的電路原理圖，見圖4。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于STC89C52單片機控制的溫室光照智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在補光上采用效率更高、更節(jié)能的LED燈光系統(tǒng)，有別于傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈、氣體發(fā)光光源等，而且LED的亮度可根據(jù)環(huán)境的變化而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)更加簡單，耗能更少，更加環(huán)保。

此外，本系統(tǒng)附加了遮陽網(wǎng)功能，防止光照強度過大燒傷作物，結(jié)合LED從而滿足了不同作物對光照的需求。

1 許安祥.我國溫室農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.排灌技術(shù)，2000（1）

2 TAOS.TSL2560, TSL2561 light－to－digital converter［EB/OL］,2009.11.01http://www.taosinc.com/productsearch.aspx?Srch=TS L2561

3 周志敏、周紀(jì)海、紀(jì)愛華.LED驅(qū)動電路設(shè)計實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008：48～88

4 National semiconductor.350mA, constant current output floating buck switching converter for high power LEDs［EB/OL］, 2009.11.01http://www.national.com/JS/searchDocument.do?Textfield=LM3407

5 劉君華、申忠如、郭福田等.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)集成［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.10

Design Of Intelligent Light－Dimmer For The Greenhouse Based On The Light－To－Digital Sensors（TSL2651）

Yu Yangyang，Yu Hongying

Light is the one of the most priority environmental factor about the growth of the crops.The scheme is based on the light－todigital sensors（TSL2651）.The MCU（STC89C52）gets the photometric message through the I2C bus wires, and it controls the opening of shading nets, LED lamp and adjusts LED lights degrees according to set the photometric threshold value.The system design has simple structure, high efficiency, energy－saving, environmental protection and is very applicable about light regulation of applications in the greenhouse and other environmental.

TSL2651; Light regulation; LED Drive; Greehouse

TP39

A

1000－8136（2011）06－0012－02