基于單片機的溫室植物LED補光系統(tǒng)設計＊

周益民，周國泉，徐一清

(浙江農林大學理學院，浙江臨安 311300)

“萬物生長靠太陽”，光照是作物進行光合作用的必備要素之一，光照條件的好壞直接影響作物的產量和品質。發(fā)光二極管(light-emitting diode，簡稱LED)作為新一代光源，除了環(huán)保節(jié)能的特點外，相較于目前農業(yè)領域常用的熒光燈或高壓鈉燈等人工光源，具有光量可調整、光質可調整、冷卻負荷低與允許提高單位面積栽培量等優(yōu)點，對封閉有環(huán)控的農業(yè)生產環(huán)境，如溫室、植物組培室等是一種非常適合的人工光源［1］。目前單顆超高亮度LED還未能提供足夠的光照強度以供溫室植物正常生長，但多顆LED通過組裝設計就能滿足溫室植物的光需求［2］。隨著半導體技術的發(fā)展及LED性能的提高和經濟成本的迅速下降，以LED作為光源的植物補光燈不斷面世，相關研究已不鮮見，各有其理論依據(jù)和應用價值。但現(xiàn)有的研發(fā)方案和產品多采用小功率的紅、藍或紅藍光組合，只能獲得2或3種組合光譜，與植物的選擇性吸收譜欠匹配，且多采用連續(xù)照射方式，不能對光密度、光周期和照射方式實施定量調制［3-6］，未考慮不同植物不同階段需光量的差異，造成補光不足和補光過度并存的現(xiàn)象，仍未能真正意義上解決低能耗精準化補光的問題［7］。

針對以上問題，本文依據(jù)植物的光合作用、光形態(tài)建成、光周期調節(jié)對光譜的選擇性吸收，研發(fā)了一種基于單片機的溫室植物LED補光系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對紅、藍、遠紅、紫外等4種光色的LED進行精確組合調制，實現(xiàn)光色、光強和照射時段、時長的分段自動調控。基于分波段光強檢測技術、溫度傳感技術和智能控制技術等現(xiàn)代電子信息技術，該系統(tǒng)采用 STC12C5A60S2單 片 機 作 為 核 心 處 理 器［8］，PT4115為LED驅動模塊［9］，根據(jù)溫度和光強檢測結果，利用脈寬調制(pulse width modulation，簡稱PWM)信號實現(xiàn)LED的精確定量補光，以滿足溫室植物在不同階段對補光量的需求。

1 設計原理

1.1 溫室植物對光的需求

研究［10-11］表明，參與植物光合作用的主要是400-520 nm的藍光和610-720 nm的紅光，720-800 nm的遠紅光和315-400 nm的紫外光對植物生長也有積極影響。植物吸收光譜的最強區(qū)域是波長為640-660 nm的紅光部分和波長為430-450 nm的藍光部分。紅光是在轉錄水平上調節(jié)光合機構的組裝，從而直接影響植物的光合作用。藍光對光合作用的調控，主要集中于氣孔的開啟，葉綠體的分化和運動，以及調節(jié)光合作用酶的活性。紅光和藍光對植物生長發(fā)育的影響不同，藍光有利于植物葉的生長，紅光促進植物莖的伸長。較強的藍光將使得植物形成較矮的形態(tài)，較強的紅光使得植物莖部過長而出現(xiàn)黃化現(xiàn)象，因此，合適的紅光與藍光光通量之比即R/B是培育出形態(tài)健全的植物的必要條件［2］。光不僅作為一種能源控制植物的光合作用，而且作為一種信號源影響植物生長發(fā)育的所有方面。藍光會影響植物的隱花色素，從而調控植物的向光性等;紅光會影響植物的光敏素而調節(jié)植物葉的分化等，所以，通過改變R/B可以調節(jié)植物的光形態(tài)建成，培育出滿足特定形態(tài)需求的植物。波長為720-800 nm的遠紅光有利于增加植株高度，波長為315-400 nm的紫外光有利于植物的趨光性和殺滅病菌病毒，減少病害傳播。610-720 nm的紅光和720-800 nm的的遠紅光兩者光通量之比即R/FR比對植株高度調節(jié)具有重要影響［12］。610-720 nm的紅光能降低植物體內赤霉素的含量，從而減小節(jié)間長度和植株高度;而720-800 nm的遠紅光其作用恰好相反，能提高植物體內赤霉素的含量，從而增加節(jié)間長度和植株高度。R/FR比已成為控制植株形態(tài)的一個重要評價參數(shù)。在大自然中隨著季節(jié)和天氣的變化，光照強度是不同的，隆冬與初春比盛夏與早秋光照弱，陰雨天比晴天弱，不同的植物對光照強度的要求也不同，陰性植物需500-2500 lx(勒克斯)，中性植物需2500-30000 lx強度的光照，陽性植物則需大于30000 lx。溫室與大棚中栽培的作物，尤需補光。

1.2 補光模式與植物生長

不同的植物需要的光照時間不同，補光模式與植物的生長和節(jié)電又有很大關系［13］。LED是未來植物工廠的一種重要光源，它除了節(jié)能耗電外，使用壽命也大大延長，而且可以進行跳動式的間歇照射，對于植物發(fā)育來說比連續(xù)照射更具效率。從植物的光合生理來說，光反應過程分為明反應與暗反應兩個階段，植物的葉綠素a與葉綠素b在接受光照射后，受光量子激發(fā)而產生電子躍遷，形成電流，這些能量為光合成提供了大量的ATP能量，而這種把二氧碳及水合成有機物的過程卻是在暗反應條件下形成。明反應需要光才能進行，而暗反應不需要光，在黑暗環(huán)境中進行。根據(jù)這個機理進行間歇式補光與連續(xù)性補光的對比試驗，在光量子相同的情況下，以明暗周期為 1∶2 且幅度為 200 μs∶400 μs 情況下進行萵巨栽培，發(fā)現(xiàn)日生長率可提高20%-25%，甚至達30%以上，表現(xiàn)出明顯的增長效果。并且在試驗中發(fā)現(xiàn)，在相同補光時間下，以間歇或脈沖的補光方式最好，可節(jié)能20%-30%左右。

2 設計方法

基于單片機的溫室植物LED補光系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)硬件(四色LED組合補光模塊、驅動電路模塊、控制模塊、檢測模塊和人機接口模塊)、光譜組合與調控方法(光質、光強、照射方式和溫度的調控)以及系統(tǒng)軟件。

2.1 系統(tǒng)硬件的設計

該系統(tǒng)的硬件部分采用模塊化設計，主要由四色LED組合補光模塊、驅動電路模塊、控制模塊、檢測模塊(包括光強檢測和溫度檢測)和人機接口模塊(包括薄膜鍵盤和液晶顯示)組成，其組成框圖如圖1所示。

2.1.1 四色LED組合補光模塊 根據(jù)上述原理，本研究設計的“四色LED組合補光模塊”從多數(shù)植物對光照強度要求的實際情況出發(fā)及綜合考慮R/B、R/FR合適比值和適當?shù)淖贤夤庹丈鋸姸?，確定選擇超高亮圓形LED，其規(guī)格如表1所示。

為突破傳統(tǒng)的點、線光源技術缺陷，本補光板采用模塊化陣列式設計理念［14］，選取4種單色LED，以行、列數(shù)各為7之方陣組成單元模塊(由8只紅光、8只藍光、4只遠紅光和1只紫外光LED組成)，見圖2，再由若干個單元模塊組成LED陣列的平面光源，每種光色LED先串聯(lián)再與對應驅動模塊連接，達到均勻照射、快速安裝、更換和拓展之目的。

圖1 LED光源系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware chart of LED light system

表1 LED發(fā)光管的主要光色電參數(shù)Tab.1 The main light color electrical parameters of LED

2.1.2 驅動電路模塊 LED陣列采用降壓恒流驅動方式［15］，LED可獲得恒定的顏色輸出。該模塊選用PT4115恒流驅動芯片，驅動電路如圖3所示。PT4115是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源，它具有直流6 V到30 V的較寬輸入電壓范圍，輸出電流可調，最大可達1.2A，可滿足驅動點亮N顆串并聯(lián)的小功率LED。PT4115內置功率開關，采用高端電流采樣設置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調光和很寬范圍的PWM調光。LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻RS決定，通過在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號可以調節(jié)輸出電流以實現(xiàn)調光，可通過公式Iout=0.1×D/Rs計算，式中 D是 PWM的占空比，RS為采樣電阻。本系統(tǒng)由單片機輸出兩路PWM信號分別與紅藍光兩路PT4115的DIM控制端相連，利用PWM的信號控制驅動芯片PT4115的輸出電流，由此實現(xiàn)LED燈組的定量補光。

圖2 LED單元模塊Fig.2 LED Primitive module

圖3 LED驅動電路原理圖Fig.3 LED driver circuit schematic

2.1.3 控制模塊 控制模塊選用STC12C5A60S2單片機作為核心處理器，該單片機是深圳宏晶科技有限公司推出的新一代單時鐘8051單片機，具有高速、低功耗及超強抗干擾等特點，采用5 V電源供電，具有8路10位A/D接口、2路PWM輸出口，4個16位定時器，56 K Flash存儲空間、1280 B靜態(tài)存取內存、1 K可編程只讀存儲器，能夠滿足數(shù)據(jù)采集、智能管理、光譜調控、PWM信號輸出等工作，為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供了基礎和保障。電路如圖4所示。其中，P0口連接液晶屏的8路數(shù)據(jù)口;P1口連接采樣信號和控制PWM輸出，P1.0接入紅光檢測信號、P1.1接入藍光檢測信號、P1.2接入遠紅光檢測信號、P1.6接入溫度檢測信號，從而完成對傳感器檢測數(shù)據(jù)的采集;P1.3，P1.4為單片機PWM控制端輸出口，其根據(jù)單片機計算出與兩波段所需補光量對應的PWM信號占空比，輸出PWM信號對LED燈組的亮度進行控制。P2口連接4×4矩陣鍵盤，P3.0，P3.1用于單片機與串口連接的數(shù)據(jù)讀寫線，完成程序的下載;P3.3-P3.6為液晶控制端，控制液晶屏實時顯示系統(tǒng)的設定頻率、占空比、紅藍遠紅光光強和LED基板溫度等參數(shù)。

2.1.4 檢測模塊 檢測模塊利用光照傳感器、溫度傳感器實時檢測溫室內部光照強度和LED基板溫度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機進行處理，原理圖如圖5所示。其中溫度檢測模塊由溫度傳感器18B20及其標準調理電路組成，數(shù)據(jù)線接入單片機P1.6口，實現(xiàn)對溫度的采集。光照檢測包括紅光光強、藍光光強和遠紅光光強檢測，采用波長范圍在400-500 nm的藍光2BU6硅光電池、波長范圍在600-700 nm的紅光2BU6硅光電池和波長范圍在700-800 nm的遠紅光2BU6硅光電池作為檢測元件，采用4路運算放大器LM324設計運放電路將硅光電池的微弱模擬信號分別進行轉換和放大，最終將模擬信號接入單片機 P1.0、P1.1和 P1.2端口進行 A/D轉換，從而實現(xiàn)分波段光強檢測。

圖4 控制模塊電路原理圖Fig.4 Control module schematic

2.1.5 人機接口模塊 人機接口模塊主要包括液晶顯示屏和按鍵系統(tǒng)兩部分，其中顯示屏采用FYD12864-0402B液晶顯示模塊，分辨率為128×64，采用并行操作方式，可實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢顯示;而鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，實現(xiàn)對系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)的設定及改變。

圖5 檢測模塊原理圖Fig.5 Detection module architecture

2.2 光譜組合與調控方法

圖6 系統(tǒng)光源調控原理圖Fig.6 Regulate and control of light system architecture

為實現(xiàn)溫室光環(huán)境調控，需要實時分波段自動采集溫室光照度與LED基板溫度，反饋給控制器?？刂破鞲鶕?jù)設定照度值調節(jié)LED驅動電路PWM的占空比，進而調節(jié)溫室光照度近似等于設定值，最終達到照度調控以及R/B、R/FR的設定值。同時，控制器根據(jù)LED基板反饋的溫度值與設定值比較，當溫度超過設定值時啟動降溫風扇。系統(tǒng)LED光環(huán)境調控原理圖如圖6所示。系統(tǒng)光照度調整使用增量式的比例積分微分(PID)算法［16］，根據(jù)變換量按比例調整 PWM定時器CCAP1L、CCAP1H的值，輸出不同占空比的PWM信號調節(jié)LED照度，其中PID表達式為△uk=Aek-Bek-1+Cek-2。式中△uk為控制量的增量;k為采樣序號;ek為第k次采樣的輸入偏差值;ek-1為第k-1次采樣的輸入偏差值。當光照度當前值小于輸入設定值時，則PWM波形占空比增加，當光照度當前值大于輸入設定值時，則PWM波形占空比減小，直到輸出值等于設定值，通過不斷檢測與調整，保持光照度恒定。

LED基板由于LED數(shù)量較多，在工作中會產生熱量的積累，而熱量的積累會降低LED的發(fā)光性能，甚至引起嚴重的光衰現(xiàn)象。為保證LED的發(fā)光性能，LED基板溫度通過溫度傳感器檢測，當溫度高于設定值時，單片機控制啟動降溫風扇，使系統(tǒng)工作在安全的溫度范圍內。

為了提高補光效率，本系統(tǒng)對LED照射方式進行調控，可選擇連續(xù)、間斷或閃爍的補光模式。其中頻閃設定范圍為 0.1～9.9 s，間隔設定范圍為1～99 min，并可進行定時設置，使補光燈僅在植物需要補光的時期照射，其余時間都關閉，以達到降耗節(jié)能的目的。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設計思想［17］，用C語言編寫，程序流程圖見圖7，主要包括主程序模塊、時基調控模塊、檢測模塊、PWM信號控制模塊和顯示模塊等。子模塊各司其能，有主程序統(tǒng)籌協(xié)調各模塊依存關系，以期達到操作界面友好，控制效果理想，系統(tǒng)高度穩(wěn)定的目標。系統(tǒng)首先完成各模塊的初始化，并進行系統(tǒng)參數(shù)設置，包括溫度、紅藍紅外光強設定和-后采集溫室光環(huán)境參數(shù)和LED基板溫度并把參數(shù)實時顯示在液晶屏上。接下來進行測量值與設定值得比較，利用相關算法對光照度和溫度以及R/B、R/FR等數(shù)據(jù)進行調控，達到對溫室植物實施精確補光的目的。

3 結論

本文研發(fā)了一種基于STC12C5A60S2單片機的溫室植物LED補光系統(tǒng)，采用紅、藍、遠紅、紫外等4種光色的LED進行精確組合調制，根據(jù)溫度、光照傳感器監(jiān)測結果，通過核心處理器的PWM信號，控制特定波長的紅、藍、兩路LED燈組驅動電流，實現(xiàn)光色、光強和照射時段、時長的分段自動調控，并有多種工作方式(閃頻、連續(xù)和間斷)，其發(fā)射光譜與作物的選擇性吸收相匹配，用于溫室植物補光，針對性強，光效高。系統(tǒng)試驗證明其具有良好的穩(wěn)定性，可滿足在不同階段對不同溫室植物進行智能化、精確化的補光要求，具有很強的實用性和推廣性。

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