基于LED的培養箱光控制系統設計

崔靖林+段鵬偉+楊延榮+單慧勇+王俊學

摘 要：隨著LED照明技術的迅速發展，對LED自適應調光技術的需求越來越強烈。該文以AVR單片機中Atmega16作為控制器，利用基于（Inter Intergrate Circuit）總線的數字型光強度傳感器集成電路BH1750FVI采集室內環境光照度，完成LED自適應調光系統的硬件設計和軟件編程，最終維持溫室箱內植物光照強度在一個設定水平。

關鍵詞：LED BH1750FVI 自適應調光 脈沖寬度調制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0088-02

隨著半導體技術的發展，其成本很快降低，近期出現了LED在植物補光中的應用研究。但已有的補光裝置通常采用定光質、定光照度的補光方式，未考慮外界光照條件因素及植物不同生長階段需光量的差異性，從而造成過度或補光不足現象。根據以上問題，該文設計了一款調動的補光系統。該系統控制對象是微型模型溫室，用于小學生觀察實驗、家庭陽臺種植等，充分考慮溫度對光合作用的影響，根據植物在不同階段不同環境下的實際需光量，對植物進行按需分波長定量補光，從而提高能源利用效率。

1 整體方案設計

系統采用模塊化設計，包括檢測模塊、控制模塊、補光模塊以及用戶交互模塊，系統原理如圖1所示。

其中，電源模塊采用12V供電模式；檢測模塊分波段檢測紅、藍光光照度，將檢測信號進行處理后傳入單片機，實現光照信息的數據采集；控制模塊采用Atmega16單片機為核心，根據用戶所設閾值以及檢測模塊采集到的數據，計算對應PWM控制信號的占空比，并輸出兩路PWM控制信號；補光模塊采用多組兩路恒流驅動電路，利用PWM控制技術，分別控制紅、藍光LED補光燈組的亮度，考慮到實際大規模應用中LED燈組輸出耗電問題采用12V供電；用戶交互模塊分別采用液晶屏完成檢測結果顯示，鍵盤實現對閾值的處理等功能。

2 硬件設計

2.1 控制模塊

采用Atmega16作為核心處理器，該單片機是AVR系列中最具代表性的一款。它采用精簡指令集結構、運行速度快，并且包含PWM信號輸出、總線等多種功能[2-3]。

2.2 檢測模塊

本系統采用新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統測光系統的弊端。BH1750是半導體制造商ROHM為適應以移動電話手機為首的便攜式機器和液晶電視等的

要求而開發出的具有優良光譜靈敏度特性的產品，是數字輸出的環境亮度傳感器，內部集成16位AD轉化器，可實現數字值的直接輸出。另外，BH1750與主控制器atmega16通過協議進行通信，而atmega16本身具

有硬件接口容易的特點，在硬件上的運行速率和穩定性又得到提高[4]。

這種集成電路是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據收集的光線強度數據來調整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍（1lx-65535lx）的光強度變化[5]。由于植物光合作用主要吸收波長范圍在400～500nm的藍光，波長范圍600～700 nm的紅光，首先采用在透光波段400～500 nm、600～700 nm，透光率為90%的濾光片進行光照檢測的預處理；而后應用BH1750光照傳感器完對紅、藍光分別進行檢測。

2.3 補光模塊

根據溫室的實際面積確定LED燈個數，LED燈組內紅、藍光LED燈比例根據種植植物不同而改變，紅光的閾值3000lux，藍光的閾值600lux[6]。補光系統全程維持在設定的較好的利用率范圍內，滿足了不同植物在不同生長階段、不同生長環境中智能化、精確化的補光要求。采用單個功率為0.5W的高亮度LED，實際布置如圖2所示，外面一周為10個紅色LED，分成兩組，內圈為四個藍色LED串聯，由系統選擇控制紅藍光比例為10∶4或者5∶4。

補光模塊采用兩路恒流驅動電路，利用PWM 控制技術，分別控制紅、藍光LED補光燈組的亮度，采用12V供電。補光模塊包括LED陣列和外部驅動電路，LED陣列由繼電器和PWM信號控制，驅動電路采用GS6300驅動模塊[7-9]，原理圖如圖3所示。

2.4 用戶交互模塊

用戶交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤，其中顯示屏采用LCD1602，實現系統數據顯示，鍵盤采用4×4矩陣鍵盤進行系統參數設置。

3 系統軟件

系統軟件主要包括傳感器解析函數、數據管理與決策程序、PWM信號控制程序、參數設定程序和顯示程序，實現了環境因子采集與受控燈組的自動控制功能。系統啟動時，先檢測是否已完成初始化，若未初始化則進入紅藍光目標光照度閾值設置。由光照傳感器檢測當前紅藍光光照度，根據濾光片濾光率90%的特性，可計算紅藍光實際光照度，進而判斷是否在設定閾值范圍內，根據目標光照度計算出紅藍光補光量，并通過調節PWM信號占空比實現紅藍光精確補光。經過周期T，再次檢測紅藍光光照度，軟件流程圖略。

4 結語

該文提出了一種基于Atmega16單片機的植物補光系統，實現了按需、分波長的定量補光方式。在滿足植物生長所需光照前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，滿足了不同植物在不同生長階段、不同生長環境中智能化、精確化的補光要求[10]。試驗結果表明，該設計采用的PWM補光控制模式中可在滿足作物需光量的前提下，提高光能利用率，同時具有反應快，靈活性強的功能。

參考文獻

[1] 艾朝霞，姬妍.LED照明光源前景展望[J].榆林學院學報，2006，16（4）：40-42.

[2] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航天航空大學出版社，2007：447-484.

[3] 宋適，劉廷章.基于AVR單片機的LED自適應調光系統[J].電氣自動化，2009（31）：33-35.

[4] ROMH公司.BH1750FVI手冊[EB/OL].http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/350139/ROHM/BH1750FVI.html.

[5] 何安科.基于STM32與光強傳感器BH1750的無線路燈控制系統[J].企業科技與發展，2011（20）：15-17.

[6] 張海輝，楊青，胡瑾，等.可控LED亮度的植物自適應精準補光系統[J].農業工程學報，2011（9）.

[7] 朱虹.LED照明驅動及自適應調光研究[D].上海：上海大學碩士學位論文，2007.

[8] 胡永光，李萍萍，鄧慶安，等.溫室人工補光效果的研究及補光光源配置設計[J].江蘇理工大學學報，2001，22（3）：37-40.

[9] 王聲學，吳廣寧，蔣偉，等.LED原理及其照明應用[J].燈與照明，2006，30（4）：32-35.

[10] 王曉明，郭偉玲，高國，等.LED-新一代照明光源[J].現代顯示，2005，53（7）：15-19.endprint

摘 要：隨著LED照明技術的迅速發展，對LED自適應調光技術的需求越來越強烈。該文以AVR單片機中Atmega16作為控制器，利用基于（Inter Intergrate Circuit）總線的數字型光強度傳感器集成電路BH1750FVI采集室內環境光照度，完成LED自適應調光系統的硬件設計和軟件編程，最終維持溫室箱內植物光照強度在一個設定水平。

關鍵詞：LED BH1750FVI 自適應調光 脈沖寬度調制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0088-02

隨著半導體技術的發展，其成本很快降低，近期出現了LED在植物補光中的應用研究。但已有的補光裝置通常采用定光質、定光照度的補光方式，未考慮外界光照條件因素及植物不同生長階段需光量的差異性，從而造成過度或補光不足現象。根據以上問題，該文設計了一款調動的補光系統。該系統控制對象是微型模型溫室，用于小學生觀察實驗、家庭陽臺種植等，充分考慮溫度對光合作用的影響，根據植物在不同階段不同環境下的實際需光量，對植物進行按需分波長定量補光，從而提高能源利用效率。

1 整體方案設計

系統采用模塊化設計，包括檢測模塊、控制模塊、補光模塊以及用戶交互模塊，系統原理如圖1所示。

其中，電源模塊采用12V供電模式；檢測模塊分波段檢測紅、藍光光照度，將檢測信號進行處理后傳入單片機，實現光照信息的數據采集；控制模塊采用Atmega16單片機為核心，根據用戶所設閾值以及檢測模塊采集到的數據，計算對應PWM控制信號的占空比，并輸出兩路PWM控制信號；補光模塊采用多組兩路恒流驅動電路，利用PWM控制技術，分別控制紅、藍光LED補光燈組的亮度，考慮到實際大規模應用中LED燈組輸出耗電問題采用12V供電；用戶交互模塊分別采用液晶屏完成檢測結果顯示，鍵盤實現對閾值的處理等功能。

2 硬件設計

2.1 控制模塊

采用Atmega16作為核心處理器，該單片機是AVR系列中最具代表性的一款。它采用精簡指令集結構、運行速度快，并且包含PWM信號輸出、總線等多種功能[2-3]。

2.2 檢測模塊

本系統采用新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統測光系統的弊端。BH1750是半導體制造商ROHM為適應以移動電話手機為首的便攜式機器和液晶電視等的

要求而開發出的具有優良光譜靈敏度特性的產品，是數字輸出的環境亮度傳感器，內部集成16位AD轉化器，可實現數字值的直接輸出。另外，BH1750與主控制器atmega16通過協議進行通信，而atmega16本身具

有硬件接口容易的特點，在硬件上的運行速率和穩定性又得到提高[4]。

這種集成電路是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據收集的光線強度數據來調整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍（1lx-65535lx）的光強度變化[5]。由于植物光合作用主要吸收波長范圍在400～500nm的藍光，波長范圍600～700 nm的紅光，首先采用在透光波段400～500 nm、600～700 nm，透光率為90%的濾光片進行光照檢測的預處理；而后應用BH1750光照傳感器完對紅、藍光分別進行檢測。

2.3 補光模塊

根據溫室的實際面積確定LED燈個數，LED燈組內紅、藍光LED燈比例根據種植植物不同而改變，紅光的閾值3000lux，藍光的閾值600lux[6]。補光系統全程維持在設定的較好的利用率范圍內，滿足了不同植物在不同生長階段、不同生長環境中智能化、精確化的補光要求。采用單個功率為0.5W的高亮度LED，實際布置如圖2所示，外面一周為10個紅色LED，分成兩組，內圈為四個藍色LED串聯，由系統選擇控制紅藍光比例為10∶4或者5∶4。

補光模塊采用兩路恒流驅動電路，利用PWM 控制技術，分別控制紅、藍光LED補光燈組的亮度，采用12V供電。補光模塊包括LED陣列和外部驅動電路，LED陣列由繼電器和PWM信號控制，驅動電路采用GS6300驅動模塊[7-9]，原理圖如圖3所示。

2.4 用戶交互模塊

用戶交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤，其中顯示屏采用LCD1602，實現系統數據顯示，鍵盤采用4×4矩陣鍵盤進行系統參數設置。

3 系統軟件

系統軟件主要包括傳感器解析函數、數據管理與決策程序、PWM信號控制程序、參數設定程序和顯示程序，實現了環境因子采集與受控燈組的自動控制功能。系統啟動時，先檢測是否已完成初始化，若未初始化則進入紅藍光目標光照度閾值設置。由光照傳感器檢測當前紅藍光光照度，根據濾光片濾光率90%的特性，可計算紅藍光實際光照度，進而判斷是否在設定閾值范圍內，根據目標光照度計算出紅藍光補光量，并通過調節PWM信號占空比實現紅藍光精確補光。經過周期T，再次檢測紅藍光光照度，軟件流程圖略。

4 結語

該文提出了一種基于Atmega16單片機的植物補光系統，實現了按需、分波長的定量補光方式。在滿足植物生長所需光照前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，滿足了不同植物在不同生長階段、不同生長環境中智能化、精確化的補光要求[10]。試驗結果表明，該設計采用的PWM補光控制模式中可在滿足作物需光量的前提下，提高光能利用率，同時具有反應快，靈活性強的功能。

參考文獻

[1] 艾朝霞，姬妍.LED照明光源前景展望[J].榆林學院學報，2006，16（4）：40-42.

[2] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航天航空大學出版社，2007：447-484.

[3] 宋適，劉廷章.基于AVR單片機的LED自適應調光系統[J].電氣自動化，2009（31）：33-35.

[4] ROMH公司.BH1750FVI手冊[EB/OL].http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/350139/ROHM/BH1750FVI.html.

[5] 何安科.基于STM32與光強傳感器BH1750的無線路燈控制系統[J].企業科技與發展，2011（20）：15-17.

[6] 張海輝，楊青，胡瑾，等.可控LED亮度的植物自適應精準補光系統[J].農業工程學報，2011（9）.

[7] 朱虹.LED照明驅動及自適應調光研究[D].上海：上海大學碩士學位論文，2007.

[8] 胡永光，李萍萍，鄧慶安，等.溫室人工補光效果的研究及補光光源配置設計[J].江蘇理工大學學報，2001，22（3）：37-40.

[9] 王聲學，吳廣寧，蔣偉，等.LED原理及其照明應用[J].燈與照明，2006，30（4）：32-35.

[10] 王曉明，郭偉玲，高國，等.LED-新一代照明光源[J].現代顯示，2005，53（7）：15-19.endprint

摘 要：隨著LED照明技術的迅速發展，對LED自適應調光技術的需求越來越強烈。該文以AVR單片機中Atmega16作為控制器，利用基于（Inter Intergrate Circuit）總線的數字型光強度傳感器集成電路BH1750FVI采集室內環境光照度，完成LED自適應調光系統的硬件設計和軟件編程，最終維持溫室箱內植物光照強度在一個設定水平。

關鍵詞：LED BH1750FVI 自適應調光 脈沖寬度調制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0088-02

隨著半導體技術的發展，其成本很快降低，近期出現了LED在植物補光中的應用研究。但已有的補光裝置通常采用定光質、定光照度的補光方式，未考慮外界光照條件因素及植物不同生長階段需光量的差異性，從而造成過度或補光不足現象。根據以上問題，該文設計了一款調動的補光系統。該系統控制對象是微型模型溫室，用于小學生觀察實驗、家庭陽臺種植等，充分考慮溫度對光合作用的影響，根據植物在不同階段不同環境下的實際需光量，對植物進行按需分波長定量補光，從而提高能源利用效率。

1 整體方案設計

系統采用模塊化設計，包括檢測模塊、控制模塊、補光模塊以及用戶交互模塊，系統原理如圖1所示。

其中，電源模塊采用12V供電模式；檢測模塊分波段檢測紅、藍光光照度，將檢測信號進行處理后傳入單片機，實現光照信息的數據采集；控制模塊采用Atmega16單片機為核心，根據用戶所設閾值以及檢測模塊采集到的數據，計算對應PWM控制信號的占空比，并輸出兩路PWM控制信號；補光模塊采用多組兩路恒流驅動電路，利用PWM控制技術，分別控制紅、藍光LED補光燈組的亮度，考慮到實際大規模應用中LED燈組輸出耗電問題采用12V供電；用戶交互模塊分別采用液晶屏完成檢測結果顯示，鍵盤實現對閾值的處理等功能。

2 硬件設計

2.1 控制模塊

采用Atmega16作為核心處理器，該單片機是AVR系列中最具代表性的一款。它采用精簡指令集結構、運行速度快，并且包含PWM信號輸出、總線等多種功能[2-3]。

2.2 檢測模塊

本系統采用新型單片測光芯片BH1750，較好地解決了傳統測光系統的弊端。BH1750是半導體制造商ROHM為適應以移動電話手機為首的便攜式機器和液晶電視等的

要求而開發出的具有優良光譜靈敏度特性的產品，是數字輸出的環境亮度傳感器，內部集成16位AD轉化器，可實現數字值的直接輸出。另外，BH1750與主控制器atmega16通過協議進行通信，而atmega16本身具

有硬件接口容易的特點，在硬件上的運行速率和穩定性又得到提高[4]。

這種集成電路是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據收集的光線強度數據來調整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用它的高分辨率可以探測較大范圍（1lx-65535lx）的光強度變化[5]。由于植物光合作用主要吸收波長范圍在400～500nm的藍光，波長范圍600～700 nm的紅光，首先采用在透光波段400～500 nm、600～700 nm，透光率為90%的濾光片進行光照檢測的預處理；而后應用BH1750光照傳感器完對紅、藍光分別進行檢測。

2.3 補光模塊

根據溫室的實際面積確定LED燈個數，LED燈組內紅、藍光LED燈比例根據種植植物不同而改變，紅光的閾值3000lux，藍光的閾值600lux[6]。補光系統全程維持在設定的較好的利用率范圍內，滿足了不同植物在不同生長階段、不同生長環境中智能化、精確化的補光要求。采用單個功率為0.5W的高亮度LED，實際布置如圖2所示，外面一周為10個紅色LED，分成兩組，內圈為四個藍色LED串聯，由系統選擇控制紅藍光比例為10∶4或者5∶4。

補光模塊采用兩路恒流驅動電路，利用PWM 控制技術，分別控制紅、藍光LED補光燈組的亮度，采用12V供電。補光模塊包括LED陣列和外部驅動電路，LED陣列由繼電器和PWM信號控制，驅動電路采用GS6300驅動模塊[7-9]，原理圖如圖3所示。

2.4 用戶交互模塊

用戶交互模塊主要包括液晶顯示屏和鍵盤，其中顯示屏采用LCD1602，實現系統數據顯示，鍵盤采用4×4矩陣鍵盤進行系統參數設置。

3 系統軟件

系統軟件主要包括傳感器解析函數、數據管理與決策程序、PWM信號控制程序、參數設定程序和顯示程序，實現了環境因子采集與受控燈組的自動控制功能。系統啟動時，先檢測是否已完成初始化，若未初始化則進入紅藍光目標光照度閾值設置。由光照傳感器檢測當前紅藍光光照度，根據濾光片濾光率90%的特性，可計算紅藍光實際光照度，進而判斷是否在設定閾值范圍內，根據目標光照度計算出紅藍光補光量，并通過調節PWM信號占空比實現紅藍光精確補光。經過周期T，再次檢測紅藍光光照度，軟件流程圖略。

4 結語

該文提出了一種基于Atmega16單片機的植物補光系統，實現了按需、分波長的定量補光方式。在滿足植物生長所需光照前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，滿足了不同植物在不同生長階段、不同生長環境中智能化、精確化的補光要求[10]。試驗結果表明，該設計采用的PWM補光控制模式中可在滿足作物需光量的前提下，提高光能利用率，同時具有反應快，靈活性強的功能。

參考文獻

[1] 艾朝霞，姬妍.LED照明光源前景展望[J].榆林學院學報，2006，16（4）：40-42.

[2] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航天航空大學出版社，2007：447-484.

[3] 宋適，劉廷章.基于AVR單片機的LED自適應調光系統[J].電氣自動化，2009（31）：33-35.

[4] ROMH公司.BH1750FVI手冊[EB/OL].http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/350139/ROHM/BH1750FVI.html.

[5] 何安科.基于STM32與光強傳感器BH1750的無線路燈控制系統[J].企業科技與發展，2011（20）：15-17.

[6] 張海輝，楊青，胡瑾，等.可控LED亮度的植物自適應精準補光系統[J].農業工程學報，2011（9）.

[7] 朱虹.LED照明驅動及自適應調光研究[D].上海：上海大學碩士學位論文，2007.

[8] 胡永光，李萍萍，鄧慶安，等.溫室人工補光效果的研究及補光光源配置設計[J].江蘇理工大學學報，2001，22（3）：37-40.

[9] 王聲學，吳廣寧，蔣偉，等.LED原理及其照明應用[J].燈與照明，2006，30（4）：32-35.

[10] 王曉明，郭偉玲，高國，等.LED-新一代照明光源[J].現代顯示，2005，53（7）：15-19.endprint