略談補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件以STC12C5A60S2單片機(jī)為處理核心，采用標(biāo)準(zhǔn)接口電路5V電源供電;時(shí)鐘模塊的主體芯片DS1302可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能;液晶顯示模塊采用OCM12864－3128×64點(diǎn)陣型液晶，可顯示各種字符及圖形;按鍵則用4×4排列原理，直接購(gòu)買(mǎi)了按鍵貼膜，通過(guò)8根排線直接與主板連接。單片機(jī)基本外圍電路中晶振頻率為12MHz，兩路紅綠指示燈方便程序的調(diào)試。系統(tǒng)通過(guò)紅藍(lán)光濾光片和ISL29010光傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境中紅藍(lán)光光照強(qiáng)度。

1．1控制模塊

控制模塊以51單片機(jī)為處理核心，外圍連接鍵盤(pán)、LCD和傳感器等外設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口電路5V電源供電，其中:P0口連接液晶屏的8路數(shù)據(jù)口;P2口連接4*4矩陣鍵盤(pán);P3．0和P3．1用于單片機(jī)與串口連接的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)線，完成程序的下載;P3．2～P3．7為液晶控制端;P4．2和P4．3為單片機(jī)PWM控制端輸出口。采用內(nèi)部分頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM信號(hào)頻率的控制，將輸出頻率降至300Hz，實(shí)現(xiàn)植物補(bǔ)光的溫室精確控制。

1．2檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊利用紅藍(lán)光濾光片和ISL29010光照傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)施內(nèi)部紅藍(lán)光光照強(qiáng)度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機(jī)進(jìn)行處理。濾光片采用高通濾光片和低通濾光片兩種，分別將自然光中600～700nm和400～500nm的紅藍(lán)光提取出來(lái)，通過(guò)ISL29010光照傳感器檢測(cè)出紅藍(lán)光強(qiáng)，上傳給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中紅藍(lán)光強(qiáng)檢測(cè)。

1．3補(bǔ)光模塊

補(bǔ)光模塊包括LED補(bǔ)光燈陣列和驅(qū)動(dòng)電路，LED補(bǔ)光燈陣列由波600～700nm的窄帶紅光和波長(zhǎng)400～500nm的窄帶藍(lán)光組成。驅(qū)動(dòng)電路采用PT4107為核心控制芯片，利用繼電器來(lái)控制外接市電電源為核心控制芯片供電，當(dāng)滿(mǎn)足外部調(diào)光條件繼電器導(dǎo)通時(shí)，其接收單片機(jī)發(fā)送PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)燈組亮度的調(diào)節(jié)。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化和多控制模式的設(shè)計(jì)思路，以IAR為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言完成系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，分別設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集程序、專(zhuān)家指導(dǎo)程序、定量控制程序、按鍵程序、顯示程序和計(jì)時(shí)程序，實(shí)現(xiàn)各模塊對(duì)應(yīng)功能及數(shù)據(jù)傳輸。其專(zhuān)家指導(dǎo)程序以櫻桃生長(zhǎng)各生境參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)計(jì)了基于專(zhuān)家規(guī)則的溫室光環(huán)境調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種階段轉(zhuǎn)換方式，可根據(jù)當(dāng)前階段信息自行計(jì)算紅藍(lán)光PWM值和需補(bǔ)光量，完成不同階段的按需智能補(bǔ)光。以番茄為例，其每個(gè)階段的生長(zhǎng)累積時(shí)間和適宜光強(qiáng)各不相同。如在番茄的初花期、盛花期和末花期3個(gè)階段，其階段累積時(shí)間和適宜光強(qiáng)系統(tǒng)可以根據(jù)番茄這一階段特性進(jìn)行專(zhuān)家規(guī)則的修定，對(duì)番茄在不同階段進(jìn)行生長(zhǎng)時(shí)間的模擬累積和光強(qiáng)檢測(cè)，通過(guò)專(zhuān)家規(guī)則實(shí)現(xiàn)階段參數(shù)的智能調(diào)控和不同階段的按需定量補(bǔ)光。系統(tǒng)針對(duì)當(dāng)前生長(zhǎng)階段信息，基于專(zhuān)家系統(tǒng)，根據(jù)不同階段需光量的差異性，設(shè)定該階段需補(bǔ)光量和當(dāng)前累積補(bǔ)光時(shí)間，通過(guò)對(duì)外界光強(qiáng)的監(jiān)測(cè)，采用PWM技術(shù)控制LED補(bǔ)光燈陣列工作電流，同時(shí)統(tǒng)計(jì)該階段尚需工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的分階段按需定量補(bǔ)光。由于同類(lèi)植物生長(zhǎng)的微弱差異，系統(tǒng)提供手動(dòng)參數(shù)修改與階段強(qiáng)制調(diào)整功能，從而提高了系統(tǒng)的通用性。

3系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以櫻桃為目標(biāo)作物，分為休眠期、萌芽期、開(kāi)花期、幼果期、落果期和收獲期，每個(gè)時(shí)期所需時(shí)間和補(bǔ)光量各不相同。基于各階段生長(zhǎng)時(shí)間和補(bǔ)光量信息的專(zhuān)家規(guī)則，完成相應(yīng)階段時(shí)間累積后跳入下個(gè)階段，自動(dòng)調(diào)用下階段相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定量補(bǔ)光。為了驗(yàn)證設(shè)備的性能，于西北農(nóng)林科技大學(xué)櫻桃實(shí)驗(yàn)基地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證。系統(tǒng)運(yùn)行到開(kāi)花期時(shí)的實(shí)時(shí)信息，包括開(kāi)花期的需補(bǔ)光量和距離下階段的時(shí)間。當(dāng)手動(dòng)強(qiáng)制進(jìn)入下階段(即進(jìn)入幼果期)后，由于前后兩階段需光量的不同，對(duì)應(yīng)的PWM值也會(huì)不同，系統(tǒng)所輸出PWM占空比也會(huì)隨之變化。開(kāi)花期和幼果期兩階段的PWM值輸出占空比信號(hào)。以上說(shuō)明系統(tǒng)可完成各項(xiàng)功能要求，證明了系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和正確性。

4結(jié)論

1)系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)了基于專(zhuān)家規(guī)則的動(dòng)態(tài)智能補(bǔ)光系統(tǒng)，其結(jié)合時(shí)下熱門(mén)的專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)植物各生境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)光照信息，完成不同階段植物需光量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物的分階段按需精確補(bǔ)光。

2)與其他補(bǔ)光系統(tǒng)相比，運(yùn)用DS1302時(shí)鐘芯片對(duì)植物生長(zhǎng)累積時(shí)間進(jìn)行模擬，采用專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)櫻桃生長(zhǎng)各生境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)植物生長(zhǎng)特性自動(dòng)進(jìn)行階段轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了分階段按需定量補(bǔ)光。

3)經(jīng)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可以滿(mǎn)足在不同階段對(duì)不同植物進(jìn)行按需精確補(bǔ)光的要求，促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，極大地提高了溫室作物的產(chǎn)量和效益，帶動(dòng)了相關(guān)農(nóng)業(yè)又好又快發(fā)展。

作者：劉翔 胡瑾 樊宏攀 喬俊楓 單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)