MSP430單片機(jī)在調(diào)控LED植物智能補(bǔ)光系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：基于單片機(jī)的LED植物智能定量補(bǔ)光系統(tǒng)。以MSP430單片機(jī)控制單元，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境溫度和光照度，當(dāng)檢測(cè)的溫度在所設(shè)溫度閾值以?xún)?nèi)時(shí)，根據(jù)紅、藍(lán)光所設(shè)閾值和實(shí)際值之差計(jì)算實(shí)際補(bǔ)光量，通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)控制紅、藍(lán)光LED燈組亮度，實(shí)現(xiàn)作物按紅藍(lán)光照度需定量進(jìn)行智能補(bǔ)光。從而避免不同植物在不同生長(zhǎng)階段補(bǔ)光不足或過(guò)度的問(wèn)題，以提高能源利用率，達(dá)到精確化，智能化，低能耗的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 智能補(bǔ)光 光照度 LED

中圖分類(lèi)號(hào)：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（b）-0007-02

中國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)問(wèn)題始終是關(guān)系到中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的根本問(wèn)題。在我國(guó)，農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀在極大程度上依然按傳統(tǒng)方式，高成本，低效率，投入較高，產(chǎn)值較低，這些特征使得農(nóng)業(yè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中亟待發(fā)展的一環(huán)。科學(xué)研究表明，光照度和光質(zhì)對(duì)植物的光合作用、生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)代謝及結(jié)構(gòu)形態(tài)等具有重要影響，其中380～760 nm可見(jiàn)光波段是決定光合作用最重要的光照波段，但有效吸收波段主要為其中紅、藍(lán)兩波段。對(duì)農(nóng)作物使用紅、藍(lán)光進(jìn)行補(bǔ)光，使其處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境中，可以很大程度提高農(nóng)作物產(chǎn)量，緩解我國(guó)的農(nóng)業(yè)問(wèn)題，為人們提供更加新鮮、高質(zhì)量與高效的農(nóng)產(chǎn)品。同時(shí)，本項(xiàng)目采用了新光源LED燈（發(fā)光二極管，lighting emitting diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED）。與目前傳統(tǒng)光源（白熾燈、日光燈、高壓鈉燈）相比，擁有光源純、波長(zhǎng)類(lèi)型多、節(jié)能環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、發(fā)熱少和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，更有利于節(jié)約能源。同時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的植物智能補(bǔ)光系統(tǒng)可以根據(jù)不同植物在不同生長(zhǎng)階段的需光量不同，進(jìn)行精準(zhǔn)化定量補(bǔ)光，從而能以最少的能耗使植物處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。

本項(xiàng)目以L(fǎng)ED植物智能補(bǔ)光系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)科學(xué)的研究與分析，最終做成一個(gè)基于單片機(jī)的LED植物智能補(bǔ)光系統(tǒng)的模擬機(jī)。在此系統(tǒng)工作前預(yù)先設(shè)定好該時(shí)期植物生長(zhǎng)所需的溫度、紅藍(lán)光照度閥值，溫度傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)溫度高于促進(jìn)光合作用的溫度閥值時(shí)，再分別對(duì)紅、藍(lán)光照度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際光照度在閥值以?xún)?nèi)時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)補(bǔ)光狀態(tài)，根據(jù)所設(shè)閾值與實(shí)際值之差計(jì)算實(shí)際需光量，進(jìn)而再根據(jù)與實(shí)際需光量對(duì)應(yīng)的兩路PWM控制信號(hào)的占空比，分別產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，達(dá)到控制LED燈組的亮度對(duì)植物實(shí)施精確補(bǔ)光的目的。從而保證植物一直處于最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。

1 系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由五個(gè)模塊組成，分別是控制模塊、檢測(cè)模塊、電源模塊、補(bǔ)光模塊和用戶(hù)交換模塊組成。電源模塊分別產(chǎn)生12 V，5 V和3.3 V的穩(wěn)定直流電為其他各模塊供電。檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的紅藍(lán)光光照度和溫度送給控制模塊，控制模塊根據(jù)用戶(hù)交換模塊得到的閾值，計(jì)算出準(zhǔn)確的補(bǔ)光量，送入補(bǔ)光模塊進(jìn)行補(bǔ)光和用戶(hù)交換模塊進(jìn)行顯示。各個(gè)模塊相互協(xié)作，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

1.2 功能模塊介紹

1.2.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)選擇MSP430F149單片機(jī)，是一款功能強(qiáng)大的16位微控制器，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。超低功耗、運(yùn)算速度快能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如FFT等），且具有非常豐富的片上資源，如：豐富的管腳，強(qiáng)大的定時(shí)器，中斷源多，可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便，大容量的RAM和ROM，而且內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1.2.2 鍵盤(pán)輸入模塊

選用4個(gè)輕觸按鍵開(kāi)關(guān)。輕觸式按鍵超小超薄，管腳簡(jiǎn)單，使用方便。由于我們?cè)诓煌δ苤邪存I復(fù)用，所以我們整個(gè)系統(tǒng)操作只需要4個(gè)按鍵，更加簡(jiǎn)潔方便。

1.2.3 電源模塊

本系統(tǒng)的控制器采用3.3 V供電，并采用LM7805和AMS1117-3.3進(jìn)行穩(wěn)壓，對(duì)單片機(jī)、檢測(cè)模塊以及用戶(hù)交互模塊分別使用3.3 V和5 V電源供電。對(duì)LED補(bǔ)光模塊單獨(dú)提供12 V的穩(wěn)定直流電壓。由于補(bǔ)光模塊功耗較大，對(duì)補(bǔ)光模塊的單獨(dú)供電，保證了單片機(jī)最小系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，和整個(gè)系統(tǒng)工作的流暢性。

1.2.4 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊利用硅光電池作為傳感器、溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)施內(nèi)部光照強(qiáng)度和溫度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機(jī)進(jìn)行處理。其中，溫度檢測(cè)模塊由數(shù)字溫度傳感器DS18B20及其標(biāo)準(zhǔn)調(diào)理電路組成，數(shù)據(jù)線(xiàn)接入單片機(jī)P2.3口，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集。光照檢測(cè)包括紅光光照度檢測(cè)和藍(lán)光光照度檢測(cè)，采用波長(zhǎng)范圍在400～500 nm的藍(lán)光S116EG硅光電池和波長(zhǎng)范圍600～700 nm 的紅光S116EG硅光電池作為檢測(cè)元件，分別對(duì)溫室內(nèi)的紅光與藍(lán)光光照度進(jìn)行檢測(cè)。采用4路運(yùn)算放大器LM324設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器將光照傳感器的微弱模擬電流信號(hào)分別轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，最終將模擬電壓信號(hào)接入單片機(jī)P6.0，P6.1端口，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)分波段光照度檢測(cè)。

1.2.5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊選用12864液晶顯示屏，屏幕寬大，顯示清晰，提供了良好的人機(jī)界面。

1.2.6 補(bǔ)光模塊

補(bǔ)光模塊包括LED燈組及其驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路采用PT4115驅(qū)動(dòng)模塊電路，如圖3所示，紅光和藍(lán)光兩個(gè)模塊獨(dú)立工作。其中，LED燈組采用各3個(gè)額定功率1 W、中心波長(zhǎng)為660 nm的窄帶紅光LED燈和中心波長(zhǎng)為450 nm的窄帶藍(lán)光LED燈。由單片機(jī)輸?shù)膬陕稰WM信號(hào)分別與紅藍(lán)光兩路PT4115的DIM控制端相連，其中紅光驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)的P1.2端口連接，藍(lán)光則與單片機(jī)P1.3端口連接。利用PWM的信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)芯片PT4115的輸出電流，由此實(shí)現(xiàn)紅藍(lán)LED燈組的定量補(bǔ)光。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR7，本系統(tǒng)用C語(yǔ)言編程，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式。

2 功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)按鍵控制系統(tǒng)，輸入不同植物在不同生長(zhǎng)階段所需要的溫度和光照度閾值。再通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境溫度和光照度，當(dāng)檢測(cè)的溫度低于溫度閾值時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)的溫度高于溫度閾值時(shí)，根據(jù)紅、藍(lán)光所設(shè)閾值和實(shí)際值之差計(jì)算實(shí)際補(bǔ)光量，通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)控制紅、藍(lán)光LED燈組亮度，實(shí)現(xiàn)作物按紅藍(lán)光照度需定量進(jìn)行智能補(bǔ)光。同時(shí)，在遇到特殊情況時(shí)，還可以手動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈組亮度，手動(dòng)控制對(duì)植物的補(bǔ)光量。從而避免不同植物在不同生長(zhǎng)階段補(bǔ)光不足或過(guò)度的問(wèn)題，以提高能源利用率，達(dá)到精確化，智能化，低能耗的特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于植物在低溫下光合作用弱，所以當(dāng)溫度大于溫度閾值時(shí)要進(jìn)行補(bǔ)光，促進(jìn)植物光合作用，光照度始終維持在設(shè)定溫度。如圖4液晶顯示所示，假定一個(gè)溫度閾值，當(dāng)實(shí)際溫度上升時(shí)，進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)光來(lái)確保植物生長(zhǎng)所需光量。本系統(tǒng)采用了MSP430單片機(jī)，通過(guò)按鍵和傳感器將外部信息傳給單片機(jī)，從而控制液晶顯示模塊數(shù)據(jù)顯示以及進(jìn)行閾值比較，采用脈寬調(diào)制信號(hào)控制紅藍(lán)光LED亮度，提高了光的利用率，減少能耗，同時(shí)能手動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)光，反應(yīng)快適應(yīng)性強(qiáng)，具有很好的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

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