引言

在農(nong) 作物生長過程中，光照條件對農(nong) 作物的生長速度、產(chan) 量以及品質都具有重要的影響[1，2]。現階段我國大部分設施農(nong) 業(ye) 仍依靠白熾燈、鹵鎢燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈等作為(wei) 光源對植物進行補光[3 - 4]，這些傳(chuan) 統的補光方法存在著光譜匹配不理想[5 - 6]、光能利用率低、未考慮其他環境因素的影響等缺點，其能耗過高導致難以在實際生產(chan) 中形成較高投入產(chan) 出比。隨著半導體(ti) 技術的發展，采用LED冷光源作為(wei) 補光燈光源的方案也已被提出[7]，可在一定程度解決(jue) 上述補光光源的問題。但由於(yu) 大部分研發方案和產(chan) 品仍采用定光強、定光質的補光方式，未考慮不同植物不同階段需光量的差異，造成補光不足和補光過度並存的現象，仍未能真正意義(yi) 上解決(jue) 低能耗精準化補光的問題[8]。

針對以上問題，本文研發了一種智能、精確、節能的補光係統，該係統充分考慮不同植物在不同階段不同環境對補光需光量的影響。基於(yu) 分波段光強檢測技術、智能控製技術等現代電子信息技術，采用STC12C5A60S2 單片機作為(wei) 核心處理器[9]，PT4115 為(wei) LED 驅動模塊[10]，根據溫度和光強檢測結果，實現對各類植物在合適環境下按需分波長定量補光。在滿足其生長所需光照前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，具有誤差低、響應速度快、成本低、維護簡單等特點。
 
1 係統整體(ti) 設計

本係統采用模塊化設計，分為(wei) 電源模塊、檢測模塊、控製模塊、補光模塊、用戶交互模塊，總體(ti) 結構如圖1 所示。其中，電源模塊采用太陽能供電，分別提供5V，1 2V 兩(liang) 種供電電壓，為(wei) 整個(ge) 係統供電; 智能控製模應用STC 係列單片機為(wei) 核心，根據係統采集到的數據、設置閾值，實現對應PWM 控製信號的占空比計算和兩(liang) 路PWM 控製信號輸出; 檢測模塊分波段檢測紅、藍光強和實時溫度，並將檢測信號進行濾波、放大後傳(chuan) 入單片機，實現相關(guan) 環境信息的檢測; 補光模塊采用兩(liang) 路帶有PWM 電流控製功能的恒流驅動電路，分別控製紅、藍光LED補光陣列燈的亮度，從(cong) 而實現定量精確補光; 用戶交互模塊采用液晶屏完成檢測結果顯示，鍵盤實現按需閾值修改等功能，完成閾值修改與(yu) 設置，有效提高係統使用的方便性、擴展性。
 
2 硬件設計

2. 1 電源模塊

本係統電源模塊由太陽能電池板、蓄電池和控製電路組成，整個(ge) 係統利用太陽能電池供電，原理圖如圖2 所示。其中，控製電路的輸入端與(yu) 太陽能電池連接，輸入電壓通過LM317 及其外圍標準電路對12V蓄電池充電，蓄電池為(wei) 整個(ge) 係統供電。蓄電池輸出端利用MIC29302 穩壓變壓模塊輸出12V 穩壓電源信號，並調整匹配電阻產(chan) 生5V 穩壓電源信號，從(cong) 而提供本係統需要12V 和5V 兩(liang) 個(ge) 供電電源。其中，單片機、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。

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2. 2 控製模塊

控製模塊選用STC12C5A60S2 單片機作為(wei) 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(chu) 空間56K、靜態存取內(nei) 存1 280B、可編程隻讀存儲(chu) 器1K，完成節點任務調度、數據采集、智能管理、控製信號輸出、閾值的調整、數據轉儲(chu) 等工作，電路如圖3 所示。其中，P0 口連接液晶屏的8 路數據口; P1 口負責與(yu) 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 接入藍光檢測信號，從(cong) 而完成對傳(chuan) 感器監測數據的采集;P2 口連接4 × 4 矩陣鍵盤，P3. 0，P3. 1 用於(yu) 單片機與(yu) 串口連接的數據讀寫(xie) 線，完成程序的下載; P3. 2 ～ P3.7 位液晶控製端; P4. 2，P4. 3 為(wei) 單片機PWM 控製端輸出口，其根據單片機計算出與(yu) 兩(liang) 波段所需補光量對應的PWM 信號占空比，輸出PWM 信號對LED 燈組的亮度進行控製。

2. 3 檢測模塊

檢測模塊利用光照傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器實時檢測設施內(nei) 部光照強度和溫度，並將采集數據提供給單片機進行處理，原理圖如圖4 所示。其中，溫度檢測模塊由溫度傳(chuan) 感器18B20 及其標準調理電路組成，數據線接入單片機P1. 0 口，實現對溫度的采集。光照檢測包括紅光光強檢測和藍光光強檢測，采用波長範圍在400 ～ 500nm 的藍光2BU6 矽光電池和波長範圍600 ～ 700nm 的紅光2BU6 矽光電池作為(wei) 檢測元件。采用4 路運算放大器LM324 設計運算放大器將矽光電池的微弱模擬信號分別進行轉換和放大，最終將模擬信號接入單片機P1. 1，P1. 2 端口進行A/D 轉換，從(cong) 而實現分波段光強檢測。

2. 4 補光模塊

補光模塊包括LED 燈組及其驅動電路，驅動電路采用PT4115 驅動模塊電路，紅光和藍光兩(liang) 個(ge) 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(wei) 660nm 的窄帶紅光LED 陣列和中心波長為(wei) 450nm 的窄帶藍光LED 陣列。由單片機輸出的兩(liang) 路PWM 信號分別與(yu) 紅藍光兩(liang) 路PT4115的DIM 控製端相連，其中紅光驅動芯片與(yu) P4. 2 產(chan) 生的PWM 信號接通，藍光則與(yu) P4. 3 產(chan) 生的PWM 信號接通。利用PWM 的信號控製驅動芯片PT4115 的輸出電流，由此實現LED 燈組的定量補光。#p#分頁標題#e#

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(liang) 部分，其中顯示屏采用OCM12864 - 3 液晶屏，可實現係統數據的查詢顯示; 而鍵盤采用4 × 4 矩陣鍵盤，實現對係統相關(guan) 數據的設定及改變。

3 軟件設計

該係統軟件主要包括傳(chuan) 感器解析函數、數據管理與(yu) 參數設定程序、PWM 信號控製程序和顯示程序，實現3 類參數設置、環境因子采集以及對受控燈組的自動控製功能，軟件流程如圖6 所示。係統工作時，首先需要對溫度，紅藍光強閾值進行設置，溫度傳(chuan) 感器周期對設施內(nei) 溫度監測，判斷溫度是否超出不利於(yu) 光合作用的閾值範圍，超出則關(guan) 斷LED 補光燈組。當溫度在所設閾值範圍內(nei) ，再分別對紅、藍光進行光強檢測，實際光強在閾值之內(nei) 時，係統進入自動定量補光狀態，根據所設閾值與(yu) 實際值之差計算實際需光量，進而再根據與(yu) 實際需光量對應的兩(liang) 路PWM 控製信號的占空比，分別產(chan) 生對應的PWM 信號，達到控製LED 燈的亮度對植物實施精確補光的目的。

4 運行結果分析

該係統充分考慮了植物補光時的各種影響因素，通過對各因素的監測、設置、數據管理和決(jue) 策程序，精確計算植物所需光照與(yu) 實際光照總體(ti) 差值，采用均值方式計算每個(ge) LED 的輸出光強; 基於(yu) LED 驅動電流和輸出光強的關(guan) 係式，係統就可以通過對PWM 輸出電流的控製，從(cong) 而實現對補光量的控製。該係統已於(yu) 2010 年在西北農(nong) 林科技大學甜瓜基地投入試用，實現了設計方案中各類部分功能，可長期有效實現定量精確補光，圖7 為(wei) 設備原型界麵。

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5 結論

本文研發了一種基於(yu) STC12C5A60S2 單片機的植物智能精確補光係統。該係統利用太陽能供電，根據溫度、光照傳(chuan) 感器監測結果，通過核心處理器STC12C5A60S2 利用PWM 信號，控製特定波長的紅、藍光兩(liang) 路LED 燈組驅動電流，從(cong) 而控製光源亮度，解決(jue) 現有補光設備的不足，實現了對農(nong) 作物的智能化、精確化補光。係統試驗證明其具有良好的穩定性，可滿足在不同生長階段對不同植物進行智能化、精確化的補光要求，作物產(chan) 品產(chan) 量、品質提高，耗能明顯降低。同時，具有誤差低、響應速度快、使用方便、部署靈活、成本低廉、維護簡單等特點。