基于單片機(jī)的LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張艷麗，牛國玲，姜永成，牛金花，邊 澤

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

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基于單片機(jī)的LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張艷麗，牛國玲*，姜永成，牛金花，邊 澤

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

介紹了一種基于單片機(jī)控制的LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)過程。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的這款LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、便于操作，可完成對(duì)植物采光的全自動(dòng)化控制，值得推廣應(yīng)用。

補(bǔ)光；單片機(jī)；LED；光照強(qiáng)度

隨著全球設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，植物生長的光環(huán)境控制技術(shù)日益受到重視。在溫度、營養(yǎng)水平和水分維持正常的情況下，光照是影響植物生長的關(guān)鍵限制因子。另外，在緯度較高、日照時(shí)間短且溫度低的地區(qū)，人工補(bǔ)充光照成為保證園藝植物穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)。在生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的補(bǔ)光系統(tǒng)主要是高壓鈉燈和熒光燈等。這些光源能夠在很大程度上保證作物的正常產(chǎn)量，但它們并不是最理想和高效的光源，主要原因在于其光質(zhì)處理不純、光強(qiáng)不一致、接近或低于植物的光補(bǔ)償點(diǎn)、照射光源能效低等，而LED燈則具有光能利用效率高、能耗低、發(fā)熱少等優(yōu)勢(shì)[1]。補(bǔ)光是植物生長的重要環(huán)節(jié)，植物補(bǔ)光燈的波長與植物的生長、開花、結(jié)果非常匹配。一般情況下非戶外非露天的植物，其生長發(fā)育的發(fā)展方向反而會(huì)隨著時(shí)間的增長變得越來越差，最主要的原因是缺少自然光的照射，通過匹配植物所需光譜的LED燈的照射，既能夠促進(jìn)植物的生長發(fā)育，又能夠提高植物的品質(zhì)和產(chǎn)量[2]。目前大多數(shù)的光源(如鈉燈、白熾燈泡、日光燈管)工作所需的電量較多?？紤]到熱輻射，它們不能近距離地為植物提供光照，從而造成植物生長效率低。而人們對(duì)于高效、新型節(jié)能材料的研究為植物補(bǔ)光燈的設(shè)計(jì)提供了新的思路，最佳的選擇是新型高效節(jié)能LED光源。基于此，筆者設(shè)計(jì)了一款基于單片控制的LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)，其可依照植物生長的自然規(guī)律所需光照時(shí)間長短以及光照強(qiáng)度特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓庠囱a(bǔ)充方面的控制。筆者現(xiàn)將這款基于單片機(jī)控制的LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)過程進(jìn)行介紹，以期為園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論支撐。1LED光源作用及優(yōu)勢(shì)

LED光源具有以下作用：①作為植物補(bǔ)充光線照射的光源，在一天任何時(shí)間都能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目的照明時(shí)間的延長，還可以增強(qiáng)光線照射作用；②無論在夜間還是黃昏，均可以有成效延長和合理控制植物所需的光線照射；③在溫室或植物實(shí)驗(yàn)室，可以完全替代天然光線，促進(jìn)植物的生長和發(fā)育；④可從根本上解決育苗階段“看天吃飯”的被動(dòng)局面，有效安排時(shí)間完全基于苗株交貨時(shí)間。采用多種特定單色LED集成光源具有以下優(yōu)勢(shì)[3]：①LED光源的光譜與植物光合作用吸收譜最搭配；②可自動(dòng)控制LED光源的光強(qiáng)、光周期；③LED光源具有節(jié)能、環(huán)保和避免受到外力影響而震動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，在相同的亮度下，LED光源耗電量大約是白熾燈的1/10、日光燈的1/2，其可應(yīng)用于大規(guī)模工廠化植物栽培。可見，LED光源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的最佳給光方法，其必將成為未來發(fā)展的趨勢(shì)[4]。

2　總體設(shè)計(jì)

利用光照強(qiáng)度傳感器在光線較強(qiáng)時(shí)阻值較低，而光線較暗時(shí)阻值較大的特點(diǎn)實(shí)時(shí)接收光照變化值，通過放大電路放大信號(hào)，采用單片機(jī)和電阻電容等器件組成單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控模塊來控制照明電路進(jìn)行智能補(bǔ)光。將外界光照信號(hào)放大后輸入到可編程的單片機(jī)中來判斷補(bǔ)光的強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)植物生長所需光照條件智能改變補(bǔ)光閾值，保證了控制靈活性和穩(wěn)定性。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Structure of the system

3　硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊組成如圖2所示。該系統(tǒng)利用光照度傳感器對(duì)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行采樣處理，將采集的數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，輸出信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)補(bǔ)光模塊，進(jìn)而控制LED燈實(shí)現(xiàn)對(duì)植物智能化補(bǔ)光的目的。在設(shè)計(jì)中，電源模塊充當(dāng)各模塊的電源分別提供5、24V直流電和220V的交流電；以LCD顯示屏和鍵盤組成的交互模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置；報(bào)警模塊用來檢驗(yàn)是否達(dá)到補(bǔ)光要求和判斷LED燈模塊是否正常工作。

4　軟件設(shè)計(jì)

該研究設(shè)計(jì)的植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)可工作在2個(gè)模式下，即自動(dòng)補(bǔ)光模式和定時(shí)補(bǔ)光模式。在自動(dòng)模式下，單片機(jī)不斷讀取外界的光照強(qiáng)度，并與用戶設(shè)置的光照度閾值進(jìn)行比

圖2　系統(tǒng)模塊組成Fig.2　Modules of the system

較，當(dāng)外界光照強(qiáng)度大于設(shè)定值時(shí)，開啟補(bǔ)光燈，并進(jìn)行報(bào)警；相反，當(dāng)外界光照強(qiáng)度小于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉補(bǔ)光燈。在定時(shí)補(bǔ)光模式下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)光。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)工作流程Fig.3　Workflow of the system

5　試驗(yàn)過程

5.1硬件系統(tǒng)實(shí)物搭接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電氣如圖4所示，圖中包含主回路和控制回路2個(gè)部分，在主回路中空氣開關(guān)QF控制整個(gè)電路的通斷，采用直流24V供電，F(xiàn)U為保護(hù)電路。當(dāng)按鍵SB0按下時(shí)，切換到定時(shí)模式，按鍵SB1按下時(shí)，開始定時(shí)補(bǔ)光燈L1、L2打開，定時(shí)結(jié)束后補(bǔ)光燈關(guān)閉；當(dāng)按鍵SB0復(fù)位時(shí)屬于自動(dòng)模式，此時(shí)由單片機(jī)讀取傳感器傳回?cái)?shù)值判斷是否需要開啟補(bǔ)光燈L1和L2。其中KA為繼電器，K0為常開觸點(diǎn)。

圖4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電氣示意Fig.4　Electronic structure of the system

5.2光照度傳感器與單片機(jī)通信測(cè)試將光照度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連接，并將A/D轉(zhuǎn)換模塊接入單片機(jī)，系統(tǒng)上電后，將光照度傳感器置于黑暗無光處，此時(shí)系統(tǒng)讀取LCD顯示屏上的顯示數(shù)值，再將光照度傳感器置于5 000lx的光照強(qiáng)度下，再次讀取LCD顯示屏上的顯示數(shù)值。經(jīng)過多次測(cè)試確定，光照度傳感器能夠返回實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度，經(jīng)過單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值可準(zhǔn)確顯示在LCD顯示器上。通信測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5.3試驗(yàn)分析將單片機(jī)系統(tǒng)與燈光控制系統(tǒng)相連接，組成完整植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通電試驗(yàn)。在正常室

表1　通信測(cè)試結(jié)果

內(nèi)光照度如圖5所示。STA為設(shè)置光照下限值，當(dāng)實(shí)時(shí)光照值Light<100lx時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并自動(dòng)打開補(bǔ)光燈，此時(shí)傳感器傳回室內(nèi)光照度為346lx，超過預(yù)定值，蜂鳴器不報(bào)警。當(dāng)光線較弱時(shí)，LCD顯示數(shù)值如圖6所示。當(dāng)光照度傳感器置于強(qiáng)光下時(shí)，傳回?cái)?shù)據(jù)如圖7所示。

將光照度傳感器置于黑盒內(nèi)，逐漸調(diào)整盒內(nèi)光線強(qiáng)度，對(duì)比光照度傳感器檢測(cè)到的光照強(qiáng)度和光照度測(cè)試儀的顯示值。光照度傳感器與光照度測(cè)試儀對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，光照度傳感器檢測(cè)數(shù)值與光照度測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果較一致，說明該檢測(cè)系統(tǒng)得出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

圖5　正常室內(nèi)光照度值Fig.5　Normal indoor light intensity

圖6　光線較弱時(shí)光照度值Fig.6　Light intensity in weak light

圖7　強(qiáng)光下光照度值Fig.7　Light intensity in strong light

Table2Comparisonofresultsobtainedbylightintensitysensorandlightintensitytester

lx

6　結(jié)論

該研究設(shè)計(jì)的基于單片控制的LED植物補(bǔ)光控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，數(shù)據(jù)采集精確。通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)整光照度傳感器被照射的光照度，運(yùn)用光照度測(cè)試儀對(duì)LED照明控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)可以完成對(duì)環(huán)境的自動(dòng)補(bǔ)光功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、便于操作，可完成對(duì)植物采光的全自動(dòng)化控制，值得推廣應(yīng)用。

[1] 王婷婷，俞少娟.LED光源對(duì)植物生理生化及品質(zhì)影響研究進(jìn)展[J].北方園藝，2016(2)：189-193.

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[4] 江天，張瀟.智能LED植物生長系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24(S1)：168-172.

ThedesignschemeandexperimentprocessofaLEDplantsupplementallightingcontrolsystembasedonsingle-chipmicrocomputers(SCM)wereintroduced.Theresultsshowthatthesystemhasstableandreliableperformance,anditiseasytooperateit.Moreover,itcancompletethefullautomationoflightingplants,soitisworthpopularizingandapplyingthesystem.

Supplementallighting;Single-chipmicrocomputer;LED;Lightintensity

田間作業(yè)裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(cxtd-2013-01)；黑龍江大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510222037，201610222106)；佳木斯大學(xué)校長基金項(xiàng)目(xzyf2016-15)；國家基金青年項(xiàng)目(61203052)；黑龍江省教育廳科研項(xiàng)目(12521539)。

張艷麗(1974- )，女，黑龍江巴彥人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)電氣化及田間作業(yè)裝備研究。*通訊作者，副教授，碩士，從事農(nóng)業(yè)電氣化及控制系統(tǒng)研究。

2016-06-25

S123

A

0517-6611(2016)23-248-03

DesignofaLEDPlantSupplementalLightingControlSystemBasedonSCM

ZHANGYan-li,NIUGuo-ling*,JIANGYong-chengetal(CollegeofMechanicalEngineering,JiamusiUniversity,Jiamusi,Heilongjiang154007)