2018年03月22日 | 基于MSP430单片机的智能自适应间断光控系统设计

    为了克服现有补光系统补光时间、补光程度不能调节，全光谱不能被光合作用充分利用的缺点，系统基于MSP430单片机，利用光合作用光反应速率大于暗反应的原理，将持续补光改进为间断补光，避免浪费光反应产物，抑制暗反映；由光敏传感电路检测当前环境光强，以设定占空比进行间断补光至最适宜该植物生长的光强；采用红色：蓝色为5：1的高亮LED灯组代替普通补光灯，光谱吸收率高。该系统创新、高效、节能，适合温室、大棚、家庭等广泛应用。

    传统的温室大棚光照系统，在光照强度不够的情况下就进行补光，补光的时间不能调节，是一直亮着的，而且补光的程度都一致，不能调节。这样在有些情况下，不仅会浪费多余的光照，浪费了宝贵的电能，不利于节能减排，而且如果外界环境中的光照强度加上补光产生的光照强度的总和超过了植物的光饱和点，这样对于植物的生长不但没有帮助，还会由于光照强度过强对植物的光合作用产生抑制作用。传统补光灯通常为白光，白光中大部分光谱能量都不能被光合作用利用。传统补光灯的成本，以满足1 mx1 mx1 m空间补光，电费以0．6元／度，一个月以30天计算，一盏普通功率40 W，持续照射1个月耗能28．8度，需要5盏，合计电费86元，5盏灯售价约400元，支架、电线约30元，总计516元，超出大部分农户及家庭的承受能力。因此传统补光灯不但浪费能源，而且价格高昂，适用性较差。

    本光控装置，可以依据当前环境光强变化进行间断补光，将光强补至最适宜该植物生长的光饱和点，以可调占空比间断补光，光饱和点可通过编程设定。采用红色：蓝色为5：1的高亮LED灯组进行补光，光合作用利用率最佳。操作简单，高效节能，价格低廉，应用广泛。

    1 系统硬件设计

    项目系统硬件框图如图1所示。

    
    系统采用了美国TI公司的低功耗MSP430系列芯片作为主控模块。通过由光敏电阻为核心的采光模块对目前的环境中的光照强度进行采样，再利用了MSP430系列单片机对其进行分析处理，从而对具有明显补光效果的LED阵列补光模块进行控制。
    图1中，将装置接入220 V交流电，经过适配器将220 V交流电转化为14 V直流电，为光敏电阻及LED灯组供电。光敏电阻将光信号转换为电信号，经ACD模／数转换器转换为数字信号，经MSP430系列单片机每隔1 s采样，与单片机程序预设值进行比对(设光饱和点为18 kLux，一组LED灯组在距离1 m处光强为6 kLux)。当外界光照强度大于18 kLux时不点灯，当12 kLux<光强<18 kLux，⑥单片机给⑦功率放大器点灯控制信号，点一盏⑩灯；当6 kLux<光强<12 kLux，⑥单片机给⑦⑧功率放大器点灯控制信号，点两盏⑩灯；当光强<6 kLux，⑥单片机给⑦⑧⑨功率放大器点灯控制信号，点三盏⑩灯。
    图2是图1中的图例：(a)为红色LED灯珠，(b)为蓝色LED灯珠，排列方式如图2所示。

    
1．1 采光模块
    在采光电路，利用MSP430中的VCC作为采光模块的电源，利用光敏电阻对于光照的敏感程度所引起的电变化，通过MSP430 ADC采样模块，通过和已经存贮在MSP430中的数据进行对比、分析，从而确定目前的外界环境的光照情况。然后，确定出在这种情况下，选择出最适宜植物生长的一种系统中对应的模式。再通过项目中的补光部分对植物进行补光。
    采光模块所采用的光敏电阻是GL5528型号。具体电路图如图3所示。

    
    此电路设计思路简单，容易实现，在精度方面也基本能够满足要求。
1．2 LED补光模块
    利用MSP430产生控制开关信号，信号通过达林顿管，让达林顿管工作在开关状态。由于是50％占空比的方波，所以达林顿管开关时间由MSP430产生的开关信号控制。为了保证足够光照强度，从而选用了相对较大功率的LED灯来进行补光。因此，这些LED灯单独由一个14 V的电源供电。

    由于光线光谱的不同会直接影响到植物光合作用的效率，所以最终选择LED比例红：蓝为5：1。
    而为了针对外界不同的光照环境进行选择性补光，在项目中，选用了三组LED灯灯组。根据采光模块采集到的外界的光照强度，选择出三组LED灯灯组的亮暗情况。具体电路图如图4所示。

1．3 液晶显示模块
    液晶型号为12864，由单片机控制，显示当前外界光强值和点亮LED灯盏数。

2 项目系统软件设计
    本系统采用C语言进行软件部分的编程工作。软件部分主要包括主函数，定时器中断程序，各部分子程序。
    定时器A和定时器B分别控制采光模块的中断和LED补光模块的中断。具体框图如图5所示。

    

3 装置实验结果及分析
    对番茄幼苗采用控制变量法，在向阳室内的生长对比如图6所示。
    图6中左边植物持续补光，右边植物以50％占空比间断补光，补光点设为番茄光饱和点。
    编号1～6依次为发芽15天后每隔3天拍摄一组照片。不补光对照组未拍摄图片。实验现象为：
    (1)选用50％占空比补光和持续补光的植物生长状况相比，前者更佳。
    (2)补光同不补光植物相比生长状况明显更佳。
    由此得出间断补光可以代替持续补光。
    图7为对甜瓜幼苗采用控制变量法做同样实验的对比结果。编号1～6依次为发芽5天后每隔2天拍摄一组照片。不补光对照组未拍摄图片。实验现象同上。

    
    由此得出间断补光可以代替持续补光。
    成本核算：以满足1 mx1 mx1 m空间补光，电费以0．6元／度，一个月以30天计算。每组LED功率为1．5 W，持续照射1个月耗电1．08度，需要6组灯，合计电费为3．888元。MSP430单片机+ADC+液晶显示器共100元，采用LED排组48颗／组×6组共120元，机箱、开关、电线、PCB板、支架共50元，总计约274元。批量生产后每套设备成本可降至200元以下，因此整套装置成本即低于传统非LED补光灯，与普通LED补光灯相比亦节约一半电费，使用更长时间将节省更多开支。

4 结语
    本装置以50％占空比间断补光节省一半电能，提高光合作用效率；补光至光饱和点，节省过渡补光时那部分电能；以红蓝光谱补光，避免多余光谱浪费能量；成本低廉，操作方便。有良好的可操作性和应用前景。