设施农业LED智能系统

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1系统整体设计

本系统采用模块化设计，分为电源模块、检测模块、控制模块、补光模块、用户交互模块，总体结构如图1所示。其中，电源模块采用太阳能供电，分别提供5V，12V两种供电电压，为整个系统供电;智能控制模块应用STC系列单片机为核心，根据系统采集到的数据、设置阈值，实现对应PWM控制信号的占空比计算和两路PWM控制信号输出;检测模块分波段检测红、蓝光强和实时温度，并将检测信号进行滤波、放大后传入单片机，实现相关环境信息的检测;补光模块采用两路带有PWM电流控制功能的恒流驱动电路，分别控制红、蓝光led补光阵列灯的亮度，从而实现定量精确补光;用户交互模块采用液晶屏完成检测结果显示，键盘实现按需阈值修改等功能，完成阈值修改与设置，有效提高系统使用的方便性、扩展性。

2硬件设计

2．1电源模块

本系统电源模块由太阳能电池板、蓄电池和控制电路组成，整个系统利用太阳能电池供电，原理图如图2所示。其中，控制电路的输入端与太阳能电池连接，输入电压通过LM317及其外围标准电路对12V蓄电池充电，蓄电池为整个系统供电。蓄电池输出端利用MIC29302稳压变压模块输出12V稳压电源信号，并调整匹配电阻产生5V稳压电源信号，从而提供本系统需要12V和5V两个供电电源。其中，单片机、检测模块以及用户交互模块均使用5V电源供电，LED补光模块采用12V电源供电。

2．2控制模块

控制模块选用STC12C5A60S2单片机作为核心处理器，采用5V电源供电，具有8路10位A/D接口、2路PWM输出口、Flash存储空间56K、静态存取内存1280B、可编程只读存储器1K，完成节点任务调度、数据采集、智能管理、控制信号输出、阈值的调整、数据转储等工作，电路如图3所示。其中，P0口连接液晶屏的8路数据口;P1口负责与采样信号连接，P1．0接入温度检测信号、P1．1接入红光检测信号、P1．2接入蓝光检测信号，从而完成对传感器监测数据的采集;P2口连接4×4矩阵键盘，P3．0，P3．1用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程序的下载;P3．2～P3．7位液晶控制端;P4．2，P4．3为单片机PWM控制端输出口，其根据单片机计算出与两波段所需补光量对应的PWM信号占空比，输出PWM信号对LED灯组的亮度进行控制。

2．3检测模块

检测模块利用光照传感器、温度传感器实时检测设施内部光照强度和温度，并将采集数据提供给单片机进行处理，原理图如图4所示。其中，温度检测模块由温度传感器18B20及其标准调理电路组成，数据线接入单片机P1．0口，实现对温度的采集。光照检测包括红光光强检测和蓝光光强检测，采用波长范围在400～500nm的蓝光2BU6硅光电池和波长范围600～700nm的红光2BU6硅光电池作为检测元件。采用4路运算放大器LM324设计运算放大器将硅光电池的微弱模拟信号分别进行转换和放大，最终将模拟信号接入单片机P1．1，P1．2端口进行A/D转换，从而实现分波段光强检测。

2．4补光模块

补光模块包括LED灯组及其驱动电路，驱动电路采用PT4115驱动模块电路，红光和蓝光两个模块独立工作，原理图如图5所示。其中，LED灯组采用额定功率1W、中心波长为660nm的窄带红光LED阵列和中心波长为450nm的窄带蓝光LED阵列。由单片机输出的两路PWM信号分别与红蓝光两路PT4115的DIM控制端相连，其中红光驱动芯片与P4．2产生的PWM信号接通，蓝光则与P4．3产生的PWM信号接通。利用PWM的信号控制驱动芯片PT4115的输出电流，由此实现LED灯组的定量补光。

2．5用户交互模块

用户交互模块主要包括液晶显示屏和键盘两部分，其中显示屏采用OCM12864－3液晶屏，可实现系统数据的查询显示;而键盘采用4×4矩阵键盘，实现对系统相关数据的设定及改变。

3软件设计

该系统软件主要包括传感器解析函数、数据管理与参数设定程序、PWM信号控制程序和显示程序，实现3类参数设置、环境因子采集以及对受控灯组的自动控制功能，软件流程如图6所示。系统工作时，首先需要对温度，红蓝光强阈值进行设置，温度传感器周期对设施内温度监测，判断温度是否超出不利于光合作用的阈值范围，超出则关断LED补光灯组。当温度在所设阈值范围内，再分别对红、蓝光进行光强检测，实际光强在阈值之内时，系统进入自动定量补光状态，根据所设阈值与实际值之差计算实际需光量，进而再根据与实际需光量对应的两路PWM控制信号的占空比，分别产生对应的PWM信号，达到控制LED灯的亮度对植物实施精确补光的目的。

4运行结果分析

该系统充分考虑了植物补光时的各种影响因素，通过对各因素的监测、设置、数据管理和决策程序，精确计算植物所需光照与实际光照总体差值，采用均值方式计算每个LED的输出光强;基于LED驱动电流和输出光强的关系式，系统就可以通过对PWM输出电流的控制，从而实现对补光量的控制。该系统已于2010年在西北农林科技大学甜瓜基地投入试用，实现了设计方案中各类部分功能，可长期有效实现定量精确补光，图7为设备原型界面。

5结论

本文研发了一种基于STC12C5A60S2单片机的植物智能精确补光系统。该系统利用太阳能供电，根据温度、光照传感器监测结果，通过核心处理器STC12C5A60S2利用PWM信号，控制特定波长的红、蓝光两路LED灯组驱动电流，从而控制光源亮度，解决现有补光设备的不足，实现了对农作物的智能化、精确化补光。系统试验证明其具有良好的稳定性，可满足在不同生长阶段对不同植物进行智能化、精确化的补光要求，作物产品产量、品质提高，耗能明显降低。同时，具有误差低、响应速度快、使用方便、部署灵活、成本低廉、维护简单等特点。