設(shè)施農(nóng)業(yè)LED智能系統(tǒng)

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1系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分為電源模塊、檢測模塊、控制模塊、補光模塊、用戶交互模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電源模塊采用太陽能供電，分別提供5V，12V兩種供電電壓，為整個系統(tǒng)供電;智能控制模塊應(yīng)用STC系列單片機(jī)為核心，根據(jù)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)、設(shè)置閾值，實現(xiàn)對應(yīng)PWM控制信號的占空比計算和兩路PWM控制信號輸出;檢測模塊分波段檢測紅、藍(lán)光強和實時溫度，并將檢測信號進(jìn)行濾波、放大后傳入單片機(jī)，實現(xiàn)相關(guān)環(huán)境信息的檢測;補光模塊采用兩路帶有PWM電流控制功能的恒流驅(qū)動電路，分別控制紅、藍(lán)光led補光陣列燈的亮度，從而實現(xiàn)定量精確補光;用戶交互模塊采用液晶屏完成檢測結(jié)果顯示，鍵盤實現(xiàn)按需閾值修改等功能，完成閾值修改與設(shè)置，有效提高系統(tǒng)使用的方便性、擴(kuò)展性。

2硬件設(shè)計

2．1電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊由太陽能電池板、蓄電池和控制電路組成，整個系統(tǒng)利用太陽能電池供電，原理圖如圖2所示。其中，控制電路的輸入端與太陽能電池連接，輸入電壓通過LM317及其外圍標(biāo)準(zhǔn)電路對12V蓄電池充電，蓄電池為整個系統(tǒng)供電。蓄電池輸出端利用MIC29302穩(wěn)壓變壓模塊輸出12V穩(wěn)壓電源信號，并調(diào)整匹配電阻產(chǎn)生5V穩(wěn)壓電源信號，從而提供本系統(tǒng)需要12V和5V兩個供電電源。其中，單片機(jī)、檢測模塊以及用戶交互模塊均使用5V電源供電，LED補光模塊采用12V電源供電。

2．2控制模塊

控制模塊選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心處理器，采用5V電源供電，具有8路10位A/D接口、2路PWM輸出口、Flash存儲空間56K、靜態(tài)存取內(nèi)存1280B、可編程只讀存儲器1K，完成節(jié)點任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)采集、智能管理、控制信號輸出、閾值的調(diào)整、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲等工作，電路如圖3所示。其中，P0口連接液晶屏的8路數(shù)據(jù)口;P1口負(fù)責(zé)與采樣信號連接，P1．0接入溫度檢測信號、P1．1接入紅光檢測信號、P1．2接入藍(lán)光檢測信號，從而完成對傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集;P2口連接4×4矩陣鍵盤，P3．0，P3．1用于單片機(jī)與串口連接的數(shù)據(jù)讀寫線，完成程序的下載;P3．2～P3．7位液晶控制端;P4．2，P4．3為單片機(jī)PWM控制端輸出口，其根據(jù)單片機(jī)計算出與兩波段所需補光量對應(yīng)的PWM信號占空比，輸出PWM信號對LED燈組的亮度進(jìn)行控制。

2．3檢測模塊

檢測模塊利用光照傳感器、溫度傳感器實時檢測設(shè)施內(nèi)部光照強度和溫度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機(jī)進(jìn)行處理，原理圖如圖4所示。其中，溫度檢測模塊由溫度傳感器18B20及其標(biāo)準(zhǔn)調(diào)理電路組成，數(shù)據(jù)線接入單片機(jī)P1．0口，實現(xiàn)對溫度的采集。光照檢測包括紅光光強檢測和藍(lán)光光強檢測，采用波長范圍在400～500nm的藍(lán)光2BU6硅光電池和波長范圍600～700nm的紅光2BU6硅光電池作為檢測元件。采用4路運算放大器LM324設(shè)計運算放大器將硅光電池的微弱模擬信號分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，最終將模擬信號接入單片機(jī)P1．1，P1．2端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)分波段光強檢測。

2．4補光模塊

補光模塊包括LED燈組及其驅(qū)動電路，驅(qū)動電路采用PT4115驅(qū)動模塊電路，紅光和藍(lán)光兩個模塊獨立工作，原理圖如圖5所示。其中，LED燈組采用額定功率1W、中心波長為660nm的窄帶紅光LED陣列和中心波長為450nm的窄帶藍(lán)光LED陣列。由單片機(jī)輸出的兩路PWM信號分別與紅藍(lán)光兩路PT4115的DIM控制端相連，其中紅光驅(qū)動芯片與P4．2產(chǎn)生的PWM信號接通，藍(lán)光則與P4．3產(chǎn)生的PWM信號接通。利用PWM的信號控制驅(qū)動芯片PT4115的輸出電流，由此實現(xiàn)LED燈組的定量補光。

2．5用戶交互模塊

用戶交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤兩部分，其中顯示屏采用OCM12864－3液晶屏，可實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢顯示;而鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，實現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定及改變。

3軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件主要包括傳感器解析函數(shù)、數(shù)據(jù)管理與參數(shù)設(shè)定程序、PWM信號控制程序和顯示程序，實現(xiàn)3類參數(shù)設(shè)置、環(huán)境因子采集以及對受控?zé)艚M的自動控制功能，軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)工作時，首先需要對溫度，紅藍(lán)光強閾值進(jìn)行設(shè)置，溫度傳感器周期對設(shè)施內(nèi)溫度監(jiān)測，判斷溫度是否超出不利于光合作用的閾值范圍，超出則關(guān)斷LED補光燈組。當(dāng)溫度在所設(shè)閾值范圍內(nèi)，再分別對紅、藍(lán)光進(jìn)行光強檢測，實際光強在閾值之內(nèi)時，系統(tǒng)進(jìn)入自動定量補光狀態(tài)，根據(jù)所設(shè)閾值與實際值之差計算實際需光量，進(jìn)而再根據(jù)與實際需光量對應(yīng)的兩路PWM控制信號的占空比，分別產(chǎn)生對應(yīng)的PWM信號，達(dá)到控制LED燈的亮度對植物實施精確補光的目的。

4運行結(jié)果分析

該系統(tǒng)充分考慮了植物補光時的各種影響因素，通過對各因素的監(jiān)測、設(shè)置、數(shù)據(jù)管理和決策程序，精確計算植物所需光照與實際光照總體差值，采用均值方式計算每個LED的輸出光強;基于LED驅(qū)動電流和輸出光強的關(guān)系式，系統(tǒng)就可以通過對PWM輸出電流的控制，從而實現(xiàn)對補光量的控制。該系統(tǒng)已于2010年在西北農(nóng)林科技大學(xué)甜瓜基地投入試用，實現(xiàn)了設(shè)計方案中各類部分功能，可長期有效實現(xiàn)定量精確補光，圖7為設(shè)備原型界面。

5結(jié)論

本文研發(fā)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的植物智能精確補光系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽能供電，根據(jù)溫度、光照傳感器監(jiān)測結(jié)果，通過核心處理器STC12C5A60S2利用PWM信號，控制特定波長的紅、藍(lán)光兩路LED燈組驅(qū)動電流，從而控制光源亮度，解決現(xiàn)有補光設(shè)備的不足，實現(xiàn)了對農(nóng)作物的智能化、精確化補光。系統(tǒng)試驗證明其具有良好的穩(wěn)定性，可滿足在不同生長階段對不同植物進(jìn)行智能化、精確化的補光要求，作物產(chǎn)品產(chǎn)量、品質(zhì)提高，耗能明顯降低。同時，具有誤差低、響應(yīng)速度快、使用方便、部署靈活、成本低廉、維護(hù)簡單等特點。