光照強度連續(xù)測量儀的研制

王青彩 向卓 黃冬霞

摘 要：針對溫室育苗的需要，文章設(shè)計一種低成本、簡單、實用的光照強度連續(xù)測量儀，其采用數(shù)字光照強度采集模塊BH1750FVI完成光照信息的采集，STC12C5A60S2單片機作為中央處理器，通過試驗進行系統(tǒng)性能驗證。試驗結(jié)果表明，在日光燈下連續(xù)進行12次測量結(jié)果的相對標準偏差僅為6. 60%，具有較好穩(wěn)定性，能夠較好地實時響應(yīng)光照情況。

關(guān)鍵詞：單片機；光照強度；連續(xù)測量

光照是植物進行光合作用的必要因素[1-2]。因此光照強度對植物生長的影響不容小覷，在大棚種植中可以改變光照強度使光照強度達到農(nóng)作物最佳的種植光照強度，確保農(nóng)作物育苗適宜生長。所以設(shè)計一種能夠?qū)r(nóng)作物光照強度進行實時監(jiān)控的測量儀在大棚種植農(nóng)作物的發(fā)展中有著重要意義。

目前，光照強度測量儀作為一種數(shù)字型儀器代表著新技術(shù)和新工藝的發(fā)展[3-4]。本設(shè)計采用模塊化的方式，以高速度、低功耗、高可靠的STC12C5A60S2單片機為中心處理器、LCD1602液晶作為顯示器件、利用串口通信傳輸數(shù)據(jù)、用16位數(shù)字輸出型光照強度傳感器BH1750FVI模塊采集光照強度信號等建立光照強度連續(xù)測量系統(tǒng)，并對其各個模塊進行分析。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 總體設(shè)計

通過下位機和上位機的分工合作就可以完成光照強度及時顯示和數(shù)據(jù)的處理，各模塊的關(guān)系如圖1所示。光照強度測量儀主要包括下位機和上位機兩大部分，下位機由單片機控制模塊、光照采集模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、按鍵控制模塊構(gòu)成。上位機主要由串口通信、數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)分析模塊構(gòu)成。該測量儀通過BH1750FVI數(shù)字光照強度采集模塊將采集到的光照小電流信號經(jīng)過放大、AD轉(zhuǎn)換、界面公式的計算，將模擬小信號變成單片機可以識別的數(shù)字信號，單片機再將信息交給液晶顯示。每10 min的間隔，數(shù)據(jù)將會被保存在單片機的EEPROM中一次。單片機把一天中保存的數(shù)據(jù)傳給上位機后會自動將數(shù)據(jù)擦除。上位機通過單片機串口輸送的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫的整理和分析。其中在單片機中保存的數(shù)據(jù)可以通過按鍵來上翻和下翻進行查看。

1.2 硬件設(shè)計

光照采集是整個設(shè)計中非常重要的一塊，數(shù)據(jù)的精確度由它來確定。GY-30光照采集模塊主要從數(shù)據(jù)的來源和轉(zhuǎn)換進行分析。在選擇光照傳感器時有介紹過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由光敏二極管、運算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、寄存器和內(nèi)部振蕩器構(gòu)成。BH1750FVI是通過IIC總線協(xié)議和單片機通信的。內(nèi)置662 k穩(wěn)壓芯片是高紋波抑制率、低功耗、低壓差具有過流和短路保護的CMOS降壓型電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓3.3 V。

（1）光敏二極管和普通二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，比一般PN結(jié)面積更大，從而增加對光的敏感度。

（2）集成運算放大器（簡稱“運放”）將光敏二極管采集到的微小PD電流轉(zhuǎn)換為PD電壓，運放對于輸入電路阻抗越大越好，電路輸出阻抗越小越好。

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是將采集到的模擬光強度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，模塊使用了AD719X系列模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD719X支持PGA和寬范圍的可編程輸出數(shù)據(jù)速率，以不同的數(shù)據(jù)速率來轉(zhuǎn)換不同幅度的信號。

（4）BH1750FVI光照采集模塊寄存器部分分為數(shù)據(jù)寄存器和測量時間寄存器。數(shù)據(jù)寄存器就是暫時保存16位光強度數(shù)值，初始值為：0000 0000 0000 0000。測量時間寄存器初始值為：0100 0101。

2 軟件程序設(shè)計

光照傳感器數(shù)據(jù)采集模塊通過程序中單片機設(shè)定的定時器每隔30 s采集并發(fā)送1次。首先對單片機端口進行初始化，使用查詢方式。顯示模塊上顯示的時間部分剛好為00，10，20，30，40，50時CPU 感應(yīng)并立刻發(fā)采集的信號給BH1750FVI模塊采集當(dāng)前數(shù)據(jù)，指令是通過IIC總線傳輸?shù)?。?shù)據(jù)輸出是光照采集部分，程序流程如圖2所示。

3 試驗與結(jié)果

完成光照強度連續(xù)測量儀調(diào)試后，該連續(xù)測量儀與高精度照度計UT383同時進行測量。選擇在日光燈下，上午11：10～13：00。每10 min測量一個數(shù)據(jù)，設(shè)置好儀器相應(yīng)的參數(shù)后啟動測量儀連續(xù)進行12次測量，其測量結(jié)果如表1所示。

連續(xù)測量2個小時對比分析其12個數(shù)據(jù)， 從表1可以看出，數(shù)值集中在20 000 lx左右。連續(xù)測量儀的讀數(shù)與UT383照度計測量的數(shù)值變化趨勢相同。綜合試驗得到的數(shù)據(jù)，連續(xù)測量儀相對標準偏差為6. 60%，測量準確度較高。表明該連續(xù)測量儀測量的結(jié)果能夠信任光照強度連續(xù)測量的需要，能夠較好的實時響應(yīng)環(huán)境光照情況。

4 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，采用這款光照強度連續(xù)測量儀能有效地了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、養(yǎng)殖業(yè)或者人們自己生活環(huán)境中的光照情況，從而判斷光照值是否為農(nóng)作物的最佳光照強度，也可以判斷今年是減產(chǎn)還是有增產(chǎn)的可能，在大棚種植中可以在知道了農(nóng)作物最佳種植光照強度之后，根據(jù)需要改變光照強度。使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和養(yǎng)殖業(yè)在調(diào)節(jié)光照強度后達到最大經(jīng)濟利益。

[參考文獻]

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