基于單片機(jī)的溫室大棚智能補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金彥

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期的重點(diǎn)工作[1]。由于生長快，產(chǎn)量高，溫室大棚已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植業(yè)，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。但受季節(jié)和氣候變化，農(nóng)作物的光照始終成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要因素[2]。因此，有必要對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)光。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)補(bǔ)光主要是人工補(bǔ)光，在人為感知光強(qiáng)較弱時(shí)進(jìn)行補(bǔ)光燈的操作，這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且補(bǔ)光效率不高。因此，設(shè)計(jì)智能化的補(bǔ)光系統(tǒng)非常必要，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)作物補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要集中在對(duì)補(bǔ)光的時(shí)間和光質(zhì)進(jìn)行研究，但是都不能對(duì)農(nóng)作物光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和補(bǔ)光，且對(duì)光質(zhì)不能進(jìn)行有效篩選，因此有待對(duì)補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。本文通過對(duì)農(nóng)作物成長需要的光源、光譜進(jìn)行分析,選擇壽命長、易于控制的LED補(bǔ)光光源,當(dāng)光照傳感器檢測到溫室中光照不符合預(yù)定光照條件時(shí)，通過單片機(jī)控制LED補(bǔ)光燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和補(bǔ)光[3-4]。

本文以AT89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)溫室大棚智能補(bǔ)光控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)檢測、A/D轉(zhuǎn)換、光強(qiáng)顯示、LED燈智能補(bǔ)光等功能。溫室大棚智能補(bǔ)光控制系統(tǒng)包含STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換、按鍵模塊、光敏傳感器、LCD1602顯示等模塊。軟件部分包含光敏采集程序、KEY按鍵程序、LCD光強(qiáng)顯示程序、智能補(bǔ)光控制程序、計(jì)時(shí)顯示程序。

1 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)方案

本文采用AT89C52單片機(jī)為控制核心、以光敏電阻為感光檢測器件、以ADC0804為A/D轉(zhuǎn)換器件、以LCD1602為農(nóng)作物光照強(qiáng)度顯示器件、外加農(nóng)作物智能補(bǔ)光燈、LED工作狀態(tài)顯示指示燈，構(gòu)成農(nóng)業(yè)大棚智能補(bǔ)光系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的工作原理是光敏電阻檢測到環(huán)境光照強(qiáng)度，通過A/D轉(zhuǎn)換送給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算光照強(qiáng)度，與預(yù)設(shè)光照值進(jìn)行比較，并在LCD1602上顯示環(huán)境光照強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)開啟補(bǔ)光燈對(duì)溫室大棚進(jìn)行補(bǔ)光，當(dāng)環(huán)境光照度高于設(shè)定值時(shí)關(guān)閉補(bǔ)光燈，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)溫室大棚智能補(bǔ)光功能。另外，在非補(bǔ)光狀態(tài)下，系統(tǒng)處于待機(jī)功能，對(duì)非補(bǔ)光狀態(tài)進(jìn)行計(jì)時(shí)，以記錄非補(bǔ)光狀態(tài)，收集農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)。該補(bǔ)光系統(tǒng)可根據(jù)不同農(nóng)作物進(jìn)行環(huán)境溫度設(shè)定，具有一定的移植性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)的控制圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件合計(jì)

智能系統(tǒng)硬件組成包括AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、光照強(qiáng)度檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、按鍵電路、狀態(tài)指示燈電路及PWM控制LED補(bǔ)光燈電路組成。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

智能補(bǔ)光系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為控制核心，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，功耗低、運(yùn)算速度高，包括40個(gè)引腳、32個(gè)I/O口、兩級(jí)中斷嵌套、2個(gè)外部中斷、2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷、1個(gè)串口中斷、4KB地ROM存儲(chǔ)。其最小系統(tǒng)電路如圖3所示，主要由處理器、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。晶振電路由晶體振蕩器和瓷片電容組成，容值為22pF，用于過濾高頻信號(hào)，產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率為12MHz。復(fù)位引腳為第9腳，當(dāng)此引腳連接高電平持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上，即可產(chǎn)生復(fù)位的動(dòng)作。單片機(jī)的復(fù)位可以通過上電復(fù)位，直接采用直流5V電源供電。

2.2 光照強(qiáng)度檢測電路與AD轉(zhuǎn)換

2.2.1 光照檢測

根據(jù)農(nóng)作物生長對(duì)不同光質(zhì)需求特性，利用濾光片對(duì)紅光（400～500nm）和藍(lán)光（600～700nm）進(jìn)行預(yù)處理，選用LDX系列的紅光LXD23CV-R和藍(lán)光LXD23CV-B硅光電池二極管，分別檢測紅光和藍(lán)光的強(qiáng)度，采用紅藍(lán)兩色的光照傳感器來檢測不同的光照強(qiáng)度可以充分發(fā)揮各自的檢測優(yōu)勢，達(dá)到紅光和藍(lán)光最佳匹配。硅光二極管依據(jù)吸收的光能釋放和加速半導(dǎo)體載流子，把光能變?yōu)殡娦盘?hào)，產(chǎn)生電信號(hào)。輸出電壓與光強(qiáng)呈線性關(guān)系，從而間接測出光照強(qiáng)度。LXD23CV光電二極管的轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。光電二極管的輸出與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804的VIN+連接，ADC0804將傳感器采集到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)控制LCD顯示當(dāng)前光照數(shù)值。

圖4 光照檢測電路

2.2.2 AD轉(zhuǎn)換

硅光電池二極管測得產(chǎn)生的電壓信號(hào)為模擬信號(hào)，需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用ADC0804集成模塊。ADC0804逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，價(jià)格低、轉(zhuǎn)換精度較差、單通道，用于將光照強(qiáng)度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，ADC0804能把光敏電阻上電壓值的變化，以數(shù)字量的形式傳送給單片機(jī)，單片機(jī)控制1602顯示出環(huán)境光強(qiáng)。具體連接是CS片選信號(hào)，低電平有效，接單片機(jī)P2.5引腳。WR引腳啟動(dòng)ADC0804進(jìn)行ADC采樣，接單片機(jī)P2.7引腳。RD引腳與單片機(jī)P2.6引腳連接，低電平有效，即RD=0時(shí)，ADC0804把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)加載到DB口，通過數(shù)據(jù)端口DB0～DB7讀出本次的采樣結(jié)果，DB口接單片機(jī)P3口。VIN(+)和VIN(–)為模擬電壓輸入端，光照傳感器檢測到的模擬信號(hào)送至ADC0804的輸入引腳VIN+，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由三態(tài)特性數(shù)字信號(hào)輸出端DB口輸出八位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，發(fā)送到單片機(jī)，由LCD顯示器示出其測量值。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

其轉(zhuǎn)換過程是上電后CS端初始化函數(shù)void init（）拉低使A/D一直處于工作狀態(tài)，判斷是否處于檢測，若在檢測狀態(tài)，則用檢測命令和顯示命令使單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測。上電后RD和WR輸出默認(rèn)電平，無需初始化。將WR拉低，調(diào)用void delay（）函數(shù)，用delay（1）；語句延時(shí)約1毫秒，讓ADC0804讀取電壓值。RD拉高后，開始轉(zhuǎn)換，再用delay（5）轉(zhuǎn)換完成。再讓RD端拉低，同樣軟件延時(shí)1毫秒，讓單片機(jī)讀走數(shù)據(jù)。

2.3 LCD1602 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

光敏二極管檢測到紅光和藍(lán)光光強(qiáng)，需要在數(shù)字器件顯示，本設(shè)計(jì)中選用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602的特點(diǎn)是每行輸出16個(gè)字符、兩行、不帶中文字庫，只能顯示數(shù)字、字母和普通字符。LCD1602連接方法：D0～D7口接P0.0～P0.7、接1K上拉電阻提高驅(qū)動(dòng)能力。連接方式是1腳接地、2腳接電源為1602供電，15、16腳接正和負(fù)提供背光電源，5腳接電阻調(diào)節(jié)亮度，3腳接電阻調(diào)節(jié)對(duì)比度。控制腳RS、R/W、E接P2.0、P2.1、P2.2控制液晶顯示。數(shù)據(jù)口通過電阻接P0口，當(dāng)讀狀態(tài)時(shí)RS為低電平、R/W為高電平、E為高電平、D0～D7=狀態(tài)字1；讀數(shù)據(jù)時(shí)RS為高電平、R/W為高電平、E為高電平、D0～D7=數(shù)據(jù)；寫指令時(shí)RS為低電平、R/W為低電平、E為高電平、D0～D7=指令碼；寫數(shù)據(jù)時(shí)RS為高電平、R/W為低電平，E為高電平，D0～D7=電平。LCD1602顯示電路可通過程序?qū)崿F(xiàn)讀寫操作、顯示操作，其控制時(shí)序如圖6所示。

2.4 補(bǔ)光模塊

補(bǔ)光模塊包括LED陣列和外部驅(qū)動(dòng)電路，LED陣列光源是30V的紅藍(lán)兩色光源，通過并聯(lián)組成紅藍(lán)兩色燈組[5-6]。每個(gè)燈組包括中心波長為660nm的紅光和450nm的藍(lán)光光質(zhì)，LED光源驅(qū)動(dòng)電路采用PT4107驅(qū)動(dòng)模塊電路，原理如圖7所示。PT4107是降壓恒流源，工作時(shí)連續(xù)電感電流導(dǎo)通，電壓范圍是6～30V，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá)1.2A，可同時(shí)滿足多顆LED串并聯(lián)電路。補(bǔ)光電路由紅藍(lán)兩色LED補(bǔ)光燈和NPN型的三極管9012組成，三極管通過基極與單片機(jī)P1.2引腳相連接。當(dāng)單片機(jī)P1.2引腳給9012的基極發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)時(shí)，三極管導(dǎo)通，三極管控制功率MOS管導(dǎo)通，LED補(bǔ)光燈導(dǎo)通，開始補(bǔ)光。根據(jù)農(nóng)作物的生長特點(diǎn)，需要對(duì)LED亮度進(jìn)行控制，其亮度由PWM 信號(hào)控制。由于AT89C52沒有自帶PWM信號(hào)，因此PWM方波信號(hào)可由定時(shí)器T0在工作方式1下產(chǎn)生，PWM占空比成正比輸出電流，LED輸出能量與PWM占空比成正比。用獨(dú)立鍵盤控制頻率、占空比的大小，實(shí)現(xiàn)紅光和藍(lán)光亮度調(diào)節(jié)。亮度通過公式Ppwm=LightSupneed/LightSupmax計(jì)算，其中LightSupneed為所需補(bǔ)光量，LightSupmax為陣列最大補(bǔ)光量，故可通過PWM占空比有效控制LED補(bǔ)光燈輸出亮度。當(dāng)系統(tǒng)確定農(nóng)作物補(bǔ)光量LightSupneed時(shí)，單片機(jī)控制功率MOS管導(dǎo)通，LED陣列通電，通過計(jì)算得到的兩路PWM占空比，輸出兩路PWM信號(hào)分別控制與紅藍(lán)光相連的PT4107驅(qū)動(dòng)電路，從而控制紅藍(lán)光驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流，完成LED燈組的亮度控制。

圖6(a) 讀操作時(shí)序

圖7 LED 光源驅(qū)動(dòng)電路

2.5 外圍電路

外圍電路包括LED狀態(tài)指示電路、按鍵電路燈，其設(shè)計(jì)如下。

2.5.1 按鍵電路

智能補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用按鍵控制，分別為開始智能補(bǔ)光S1按鍵和停止智能補(bǔ)光S2按鍵，S1接單片機(jī)P2.3引腳,S2接單片機(jī)P2.4。其中，停止?fàn)顟B(tài)下實(shí)行計(jì)時(shí)，以計(jì)算自然光照下的持續(xù)時(shí)間，為農(nóng)作物生長收集數(shù)據(jù)。其控制方法是當(dāng)按下S1按鈕，拉低P2.3引腳電平，執(zhí)行開啟LED補(bǔ)光燈，并執(zhí)行光照檢測，LCD顯示光強(qiáng)；按下S2按鈕時(shí)，停止LED補(bǔ)光，LCD顯示計(jì)時(shí)。其控制電路如圖8所示。

2.5.2 LED狀態(tài)指示電路

LED智能補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩路狀態(tài)指示，分別是執(zhí)行智能補(bǔ)光和停止智能補(bǔ)光狀態(tài)指示，其連接方式為執(zhí)行狀態(tài)與單片機(jī)P1.0引腳相連，停止?fàn)顟B(tài)與單片機(jī)P1.1引腳相連。當(dāng)執(zhí)行不同狀態(tài)，相應(yīng)狀態(tài)指示燈高亮顯示，其電路如圖9所示。

圖9 LED 狀態(tài)指示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制流程是，設(shè)計(jì)待機(jī)按鍵S2和補(bǔ)光按鍵S1，當(dāng)按鍵S2按下時(shí)執(zhí)行待機(jī)程序，此時(shí)LCD1602顯示非補(bǔ)光狀態(tài)，只進(jìn)行計(jì)時(shí)，記錄農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)。當(dāng)按下按鍵S1時(shí)，執(zhí)行光照補(bǔ)光，此時(shí)執(zhí)行光強(qiáng)檢測程序、AD轉(zhuǎn)換程序、1602顯示、LED光源開啟及亮度控制等。操作人員可以從鍵盤上輸入要設(shè)定的紅光和藍(lán)光光強(qiáng)值，紅光和藍(lán)光分別獨(dú)立控制，達(dá)到最佳匹配。光照傳感器分別檢測兩種光質(zhì)光強(qiáng)，當(dāng)紅光或者藍(lán)光某一光質(zhì)光強(qiáng)高于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉該路LED補(bǔ)光燈。當(dāng)光照檢測值低于設(shè)計(jì)閾值時(shí)，執(zhí)行該路補(bǔ)光操作。此時(shí)LED補(bǔ)光燈開啟，在此過程中單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測光照時(shí)，并結(jié)合農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)，進(jìn)行光照時(shí)間和光照亮度控制，亮度控制采用PWM技術(shù)。當(dāng)執(zhí)行一定時(shí)間時(shí)，補(bǔ)光燈關(guān)閉，開始待機(jī)模式，其控制流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)工作流程圖

4 仿真測試驗(yàn)證

為便于仿真測試，只測試藍(lán)光光質(zhì)。采用模塊化思路用keil對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，然后編譯后生成HEX文件，下載到單片機(jī)后能進(jìn)行智能補(bǔ)光檢測和待機(jī)計(jì)時(shí)，測試的各項(xiàng)功能是AD檢測程序是按下智能補(bǔ)光控制檢測按鍵后，能實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換；Flag調(diào)試讓主函數(shù)執(zhí)行待機(jī)程序、光強(qiáng)檢測程序和狀態(tài)指示程序；按鍵程序調(diào)試是切換智能補(bǔ)光和待機(jī)計(jì)時(shí)，能進(jìn)行有效補(bǔ)光和計(jì)時(shí)；液晶顯示程序調(diào)試時(shí)能正確顯示環(huán)境亮度和待機(jī)計(jì)時(shí)；定時(shí)器與定時(shí)器中斷調(diào)試能產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)5ms定時(shí)，然后中斷5次后為1秒計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能；亮度控制能進(jìn)行PWM占空比的LED燈亮度有效控制。系統(tǒng)總體測試能實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)檢測、LCD顯示、A/D轉(zhuǎn)換、LED補(bǔ)光燈開啟及亮度控制，系統(tǒng)仿真如圖11所示。

5 結(jié)論

針對(duì)北方地區(qū)農(nóng)作物受氣候和光照時(shí)間的影響，設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)大棚L(fēng)ED補(bǔ)光燈系統(tǒng)，通過分析農(nóng)作物生長的光照環(huán)境，分析農(nóng)作物對(duì)不同光質(zhì)的需求情況，研發(fā)了一種基于單片機(jī)的智能補(bǔ)光系統(tǒng)。應(yīng)用光照傳感器，檢測環(huán)境光照強(qiáng)度，并顯示在LCD屏幕上。系統(tǒng)對(duì)光照實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過占空比可調(diào)的PWM控制技術(shù)，控制LED工作電流，進(jìn)而控制紅光和藍(lán)光亮度，達(dá)到農(nóng)作物生長光照最佳匹配，實(shí)現(xiàn)按需精確補(bǔ)光，避免了補(bǔ)光過度和補(bǔ)光不足的問題。經(jīng)過測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便，針對(duì)性強(qiáng)、補(bǔ)光效率高，人機(jī)互動(dòng)良好，移植性好，可促進(jìn)農(nóng)作物的健康成長，適用于智能農(nóng)業(yè)大棚種植，具有一定的推廣性。

圖11 系統(tǒng)仿真圖