基于單片機的植物生長LED光控系統(tǒng)設計

尹一卓?申楚儀?李欽偉

摘要：目前，在北方地區(qū)的室內(nèi)種植蔬菜時，由于不能保證植物得到充足的陽光，需要用人工光源進行補光，而補光的時間和強度是靠工作人員去控制，所以無法達到精確控制。本設計以溫室大棚黃瓜幼苗為研究對象，根據(jù)其生長所需的光譜，通過單片機控制LED光源的開關(guān)。電路的設計部分主要是結(jié)合單片機的設計控制電路，能根據(jù)光照度和定時控制的要求對黃瓜幼苗進行補光，從而促進其達到最優(yōu)化生長。該系統(tǒng)既節(jié)能有環(huán)保、穩(wěn)定性好、安全性高等，在智能溫室大棚控制方面具有非常好的應用和前景。

關(guān)鍵詞：LED植物生長燈；光合作用；光照強度；DS1302時鐘芯片

1.前言

光照是影響植物光合作要的重要因素，關(guān)乎到植物生長過程中的光合作用，而光合作用的強弱又與綠色植物的葉綠素所吸收的光譜有關(guān)。近幾年隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷進步以及人們生活品質(zhì)的提高，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，人們發(fā)現(xiàn)LED燈與傳統(tǒng)光源相比有著諸多的優(yōu)點，包括壽命、體積、質(zhì)量、能耗等方面，所以LED的使用率和適用范圍越來越廣。近年來，全球范圍內(nèi)在園藝、植物栽培等領域都內(nèi)開始得到廣泛的關(guān)注。本設計是以基于單片機的植物生長通過研究植物光合作用的光照信息，選定相應光譜的LED燈實現(xiàn)對植物的補光的一種LED光控系統(tǒng)的，也就是我們常說的植物生長燈。目的是通過傳感器對植物的生長所需要的光照情況進行檢測，控制LED燈實現(xiàn)對進行補光。目前在植物種植領域有著很廣闊的前景，LED照明系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明也將是未來的一種趨勢。

2.系統(tǒng)設計框架

設計系統(tǒng)為六個模塊，分別是時鐘模塊、電源模塊、LED驅(qū)動模塊、LCD顯示、單片機控制和檢測光照度的光強檢測模塊部分。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在實驗模擬條件下，電源部分是采用USB供電或5V外接電池供電，LED負載的控制開光用IRF9540場效應管，光照傳感器部分是GY—30數(shù)字光模塊根據(jù)光強的變化控制紅色和藍色LED負載的開關(guān)。時鐘部分是用DS1302低功耗實時時鐘芯片，用來提供秒、分、時、日、星期、月、年和監(jiān)測時間的功能，再通過LCD1602顯示屏顯示時間信息。總控制部分的核心則是采用一種速度快、能耗低的STC89C52RC芯片，根據(jù)系統(tǒng)中光照度傳感器事實采集到的數(shù)據(jù)進行計算處理從而實現(xiàn)對植物精確補光。

3.硬件設計

系統(tǒng)的總體設計包括控制核心51 單片機芯片，顯示時間和光照度的LCD1602顯示屏，計時用的DS1302時鐘芯片和12MHz的晶振，檢測光強的GY—30數(shù)字光模塊控制LED開光的MOS管IRF9540及LED紅藍燈，外加一塊3V的備用電池防止斷電對計時的影響。為了使植物能夠在白天不在自然光的影響下每天保證9小時以上充足的光照時間，設計采用DS1302時鐘芯片設置好LED補光燈的開啟時間在早上7點到8點和15點到16點按時打開LED補光燈，配合光照度傳感器，傳感器采用GY—30數(shù)字光強傳感器，8點到15點之間根據(jù)天氣情況即光照強弱開關(guān)補光燈，設置光照度的閾值為2000lx，光線強不需要補光時即光照度大于2000lx時，自動關(guān)閉補光燈，光線弱時即光照度小于2000lx時，自動開啟補光燈，其余時間熄滅補光燈。因為采用了由兩個電源供電的DS1302時鐘芯片，同時加裝了LCD1602屏幕，可以實現(xiàn)精準計時（包括年月日等時間信息）并在液晶屏上顯示，所以當突然斷電時能夠保證時鐘繼續(xù)計時，避免了由于斷電的原因影響其時鐘芯片的正常工作，從而使時間和控制更精確，既節(jié)約了電能又減少了人力。

4.軟件設計

本設計的植物補光控制系統(tǒng)分為自動補光模式和定時補光兩種工作模式，在自動補光模式下，STC芯片通過讀取外界光照強度信息，然后和用戶設置的光照度閾值進行對比分析控制補光燈的開關(guān)，即光照度小于設定的數(shù)值時補光燈不打開，反之則打開補光燈進行補光，并在液晶屏上顯示相關(guān)信息。定時模式則是在用戶設定好的時間內(nèi)開啟補光燈進行補光。利用C語言編寫程序，利用Keil C51開發(fā)軟件仿真與調(diào)試。

5.總結(jié)

本文是針對溫室大棚內(nèi)黃瓜幼苗的補光生長，通過查閱資料了解該品種的生長習性，對植物光合作用過程的理解和光合作用需要的光譜，確定其生長階段所必需的光譜范圍，開發(fā)了一款基于單片機的植物生長LED光控系統(tǒng)。采用DS1302定時芯片和GY—30數(shù)字光模塊實現(xiàn)實時監(jiān)測光照強度和時間信息，控制LED燈的開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)按需要精確補光，解決補光不足的問題，通過試驗調(diào)試，該系統(tǒng)可以按照要求正常運行，便于操作，可實現(xiàn)對植物進行自動補光，滿足設計要求。

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作者簡介：尹一卓（1998.03）男，河北省石家莊市元氏縣槐陽鎮(zhèn)，黑龍江八一農(nóng)墾大學本科在讀。endprint