基于TSL2561的溫室智能調光系統設計

虞楊陽，余紅英

（中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

基于TSL2561的溫室智能調光系統設計

虞楊陽，余紅英

（中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

光是作物生長最首要的環境因子之一。該方案基于TSL2651數字光度傳感器，通過I2C總線將光度信息傳送給MCU（STC89C52）處理，根據設置的光度閥值控制遮陽網、LED燈的開啟和調節LED燈亮度。該系統設計結構簡單，效率高，更加環保和節能，十分適用于溫室等環境光照調節的應用。

TSL2561；調光；LED驅動；溫室

光照是植物生長發育的關鍵條件之一。無論是陰天或由于季節變化造成光照不足還是光照強度過高都可能成為溫室植物生長、發育的限制因子。因此，對溫室植物的光照度和光照時間進行一定的調節、控制是十分必要的。我國目前主要依靠增強或減弱溫室設施內的自然光照，適當進行補光，而在發達國家補光已成為重要的手段。因此，本文選用TSL2561作為光照強度傳感器，對光強度進行測量，使用遮陽網和人工補光，將人造光和自然光結合起來，實現光強的調節和控制，從而促進植物的良好生長。

1 系統的構成

溫室智能調光系統的結構，見圖1。

圖1 溫室智能調光系統的構架

本系統根據 TSL2561光強度傳感器采集溫室的光照度信息，并將光照度信息傳送到單片機并進行處理。設置兩個光度閥值：光飽和點和光適宜點。當在光照時間內，光照度高于作物的光飽和點時，則通過繼電器控制遮陽網的開啟，從而降低溫室的光照度；當在光照時間內，光照度低于作物的光適宜點時，則通過單片機控制LED的亮度，對溫室進行人工補光，從而為作物的生長提供足夠的光照，促進其生長。

2 光強度采集部分

光強度傳感器主要用來檢測周圍環境的光強度，并根據環境亮度來開/關 LED燈或調節其亮度值。由于光敏二極管和光敏電阻溫度特性和線性度差，本系統采用數字光強度傳感器TSL2561。

TSL2561是TAOS推出的一款高速、低功耗、可編程、靈活配置的光強度數字轉換芯片，具有標準的I2C總線接口，涵蓋1～70000 Lx的寬強度范圍，非常適合溫室環境下光強度的測量。內部集成兩路光敏二極管，通道0對可見光和紅外線都敏感，通道1僅對紅外線敏感。兩路積分式ADC分別對兩個光敏二極管的電流積分，轉化為數字量，并保存在各路的數字寄存器中。其硬件電路，見圖2。

TSL2561的讀寫操作嚴格遵循I2C總線協議的時序。該總線支持以字節方式發送和接收數據。以下是TSL2561數據采集程序的部分代碼。

圖2 TSL2561與MCU硬件連接電路

3 LED驅動設計

本系統采用單顆功率為1 W，按照紅藍光發光顆粒數比為4∶2比例混合帶光源式LED作為燈負載，額定電流350 mA，20～28 V直流輸入。LED驅動方式可分為恒壓源驅動和恒流源驅動。為了保證LED的亮度恒定和防止其過流燒壞，本系統采用恒流源驅動，若采用恒壓源驅動，LED的正向電流對外加電壓敏感，可靠性差。LED的調光方式分為模擬調光和PWM調光。其中模擬調光是直接改變通過LED的最大電流，但光質差，易形成色偏，故本設計選擇PWM調光。

本系統選用LM3407作為LED驅動器，其本質是一個浮地的Buck變流器，開關管內置，可提供高達350 mA的恒流。硬件電路如圖3所示。R1是電流檢測電阻，用來設定LED負載電流，R2用來設定開關管的工作頻率，本系統采用350 mA、1 MHz開關頻率。DIM引腳的PWM調光信號由單片機提供，通過控制占空比來調節LED亮度。根據作物對光照不同的要求，系統自動設置相應定時值，由定時器0得到相應的調光頻率。

圖3 LED驅動設計圖

4 遮陽網控制部分

圖4 遮陽網控制輸出驅動電路

夏季光照強度較大時會灼傷作物，對植物生長不利，可采用遮陽網進行適當遮陽。傳感器采集環境參數值，經過處理后，MCU（STC89C52）發出控制信號到執行機構進行相應操作。而執行設備的功率一般都比較大，單片機為了驅動這些設備，必須把低電壓、小電流信號轉換成高電壓、大電流信號，不過同時也會帶來被控設備的干擾問題；為了驅動執行設備，必須提高接口的抗干擾能力，本設計采用光電隔離方式驅動繼電器輸出，光耦選用 6N137，繼電器選用 JZC－23F，觸點功率為5A/220VAC。接口的電路原理圖，見圖4。

5 結束語

本文設計并實現了基于STC89C52單片機控制的溫室光照智能調節系統，在補光上采用效率更高、更節能的LED燈光系統，有別于傳統的白熾燈、熒光燈、氣體發光光源等，而且LED的亮度可根據環境的變化而進行自動調節，實現更加簡單，耗能更少，更加環保。

此外，本系統附加了遮陽網功能，防止光照強度過大燒傷作物，結合LED從而滿足了不同作物對光照的需求。

1 許安祥.我國溫室農業的現狀與發展趨勢［J］.排灌技術，2000（1）

2 TAOS.TSL2560, TSL2561 light－to－digital converter［EB/OL］,2009.11.01http://www.taosinc.com/productsearch.aspx?Srch=TS L2561

3 周志敏、周紀海、紀愛華.LED驅動電路設計實例［M］.北京：電子工業出版社，2008：48～88

4 National semiconductor.350mA, constant current output floating buck switching converter for high power LEDs［EB/OL］, 2009.11.01http://www.national.com/JS/searchDocument.do?Textfield=LM3407

5 劉君華、申忠如、郭福田等.現代測試技術與系統集成［M］.北京：電子工業出版社，2004.10

Design Of Intelligent Light－Dimmer For The Greenhouse Based On The Light－To－Digital Sensors（TSL2651）

Yu Yangyang，Yu Hongying

Light is the one of the most priority environmental factor about the growth of the crops.The scheme is based on the light－todigital sensors（TSL2651）.The MCU（STC89C52）gets the photometric message through the I2C bus wires, and it controls the opening of shading nets, LED lamp and adjusts LED lights degrees according to set the photometric threshold value.The system design has simple structure, high efficiency, energy－saving, environmental protection and is very applicable about light regulation of applications in the greenhouse and other environmental.

TSL2651; Light regulation; LED Drive; Greehouse

TP39

A

1000－8136（2011）06－0012－02