基于單片機的LED植物補光控制系統的設計

張艷麗，牛國玲，姜永成，牛金花，邊 澤

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007)

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基于單片機的LED植物補光控制系統的設計

張艷麗，牛國玲*，姜永成，牛金花，邊 澤

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯 154007)

介紹了一種基于單片機控制的LED植物補光控制系統的具體設計方案及試驗過程。結果表明，設計的這款LED植物補光控制系統性能穩定可靠、便于操作，可完成對植物采光的全自動化控制，值得推廣應用。

補光；單片機；LED；光照強度

隨著全球設施園藝產業的快速發展，植物生長的光環境控制技術日益受到重視。在溫度、營養水平和水分維持正常的情況下，光照是影響植物生長的關鍵限制因子。另外，在緯度較高、日照時間短且溫度低的地區，人工補充光照成為保證園藝植物穩產、優質的關鍵技術。在生產過程中，傳統的補光系統主要是高壓鈉燈和熒光燈等。這些光源能夠在很大程度上保證作物的正常產量，但它們并不是最理想和高效的光源，主要原因在于其光質處理不純、光強不一致、接近或低于植物的光補償點、照射光源能效低等，而LED燈則具有光能利用效率高、能耗低、發熱少等優勢[1]。補光是植物生長的重要環節，植物補光燈的波長與植物的生長、開花、結果非常匹配。一般情況下非戶外非露天的植物，其生長發育的發展方向反而會隨著時間的增長變得越來越差，最主要的原因是缺少自然光的照射，通過匹配植物所需光譜的LED燈的照射，既能夠促進植物的生長發育，又能夠提高植物的品質和產量[2]。目前大多數的光源(如鈉燈、白熾燈泡、日光燈管)工作所需的電量較多。考慮到熱輻射，它們不能近距離地為植物提供光照，從而造成植物生長效率低。而人們對于高效、新型節能材料的研究為植物補光燈的設計提供了新的思路，最佳的選擇是新型高效節能LED光源。基于此，筆者設計了一款基于單片控制的LED植物補光控制系統，其可依照植物生長的自然規律所需光照時間長短以及光照強度特性進行適當的光源補充方面的控制。筆者現將這款基于單片機控制的LED植物補光控制系統的具體設計方案及試驗過程進行介紹，以期為園藝產業發展提供理論支撐。1LED光源作用及優勢

LED光源具有以下作用：①作為植物補充光線照射的光源，在一天任何時間都能夠實現預期目的照明時間的延長，還可以增強光線照射作用；②無論在夜間還是黃昏，均可以有成效延長和合理控制植物所需的光線照射；③在溫室或植物實驗室，可以完全替代天然光線，促進植物的生長和發育；④可從根本上解決育苗階段“看天吃飯”的被動局面，有效安排時間完全基于苗株交貨時間。采用多種特定單色LED集成光源具有以下優勢[3]：①LED光源的光譜與植物光合作用吸收譜最搭配；②可自動控制LED光源的光強、光周期；③LED光源具有節能、環保和避免受到外力影響而震動等優勢，在相同的亮度下，LED光源耗電量大約是白熾燈的1/10、日光燈的1/2，其可應用于大規模工廠化植物栽培。可見，LED光源是農業生產中的最佳給光方法，其必將成為未來發展的趨勢[4]。

2　總體設計

利用光照強度傳感器在光線較強時阻值較低，而光線較暗時阻值較大的特點實時接收光照變化值，通過放大電路放大信號，采用單片機和電阻電容等器件組成單片機最小系統作為主控模塊來控制照明電路進行智能補光。將外界光照信號放大后輸入到可編程的單片機中來判斷補光的強度，可實現根據植物生長所需光照條件智能改變補光閾值，保證了控制靈活性和穩定性。具體的系統結構如圖1所示。

圖1　系統結構示意Fig.1　Structure of the system

3　硬件設計

該系統采用模塊化設計，根據控制要求設計的系統模塊組成如圖2所示。該系統利用光照度傳感器對溫室內光照強度進行采樣處理，將采集的數據傳到單片機，單片機對采集的數據進行分析處理，輸出信號控制驅動補光模塊，進而控制LED燈實現對植物智能化補光的目的。在設計中，電源模塊充當各模塊的電源分別提供5、24V直流電和220V的交流電；以LCD顯示屏和鍵盤組成的交互模塊來實現系統數據的顯示和系統參數的設置；報警模塊用來檢驗是否達到補光要求和判斷LED燈模塊是否正常工作。

4　軟件設計

該研究設計的植物補光控制系統可工作在2個模式下，即自動補光模式和定時補光模式。在自動模式下，單片機不斷讀取外界的光照強度，并與用戶設置的光照度閾值進行比

圖2　系統模塊組成Fig.2　Modules of the system

較，當外界光照強度大于設定值時，開啟補光燈，并進行報警；相反，當外界光照強度小于設定值時，關閉補光燈。在定時補光模式下，系統會根據用戶設定的時間進行補光。系統工作流程如圖3所示。

圖3　系統工作流程Fig.3　Workflow of the system

5　試驗過程

5.1硬件系統實物搭接系統結構設計電氣如圖4所示，圖中包含主回路和控制回路2個部分，在主回路中空氣開關QF控制整個電路的通斷，采用直流24V供電，FU為保護電路。當按鍵SB0按下時，切換到定時模式，按鍵SB1按下時，開始定時補光燈L1、L2打開，定時結束后補光燈關閉；當按鍵SB0復位時屬于自動模式，此時由單片機讀取傳感器傳回數值判斷是否需要開啟補光燈L1和L2。其中KA為繼電器，K0為常開觸點。

圖4　系統結構設計電氣示意Fig.4　Electronic structure of the system

5.2光照度傳感器與單片機通信測試將光照度傳感器與A/D轉換模塊相連接，并將A/D轉換模塊接入單片機，系統上電后，將光照度傳感器置于黑暗無光處，此時系統讀取LCD顯示屏上的顯示數值，再將光照度傳感器置于5 000lx的光照強度下，再次讀取LCD顯示屏上的顯示數值。經過多次測試確定，光照度傳感器能夠返回實時光照強度，經過單片機讀取A/D轉換后的數值可準確顯示在LCD顯示器上。通信測試結果如表1所示。

5.3試驗分析將單片機系統與燈光控制系統相連接，組成完整植物補光控制系統，對系統進行通電試驗。在正常室

表1　通信測試結果

內光照度如圖5所示。STA為設置光照下限值，當實時光照值Light<100lx時，蜂鳴器報警并自動打開補光燈，此時傳感器傳回室內光照度為346lx，超過預定值，蜂鳴器不報警。當光線較弱時，LCD顯示數值如圖6所示。當光照度傳感器置于強光下時，傳回數據如圖7所示。

將光照度傳感器置于黑盒內，逐漸調整盒內光線強度，對比光照度傳感器檢測到的光照強度和光照度測試儀的顯示值。光照度傳感器與光照度測試儀對比結果如表2所示。由表2可以看出，光照度傳感器檢測數值與光照度測試儀測試結果較一致，說明該檢測系統得出數據準確、可靠。

圖5　正常室內光照度值Fig.5　Normal indoor light intensity

圖6　光線較弱時光照度值Fig.6　Light intensity in weak light

圖7　強光下光照度值Fig.7　Light intensity in strong light

Table2Comparisonofresultsobtainedbylightintensitysensorandlightintensitytester

lx

6　結論

該研究設計的基于單片控制的LED植物補光控制系統可實現光照強度實時監測顯示，數據采集精確。通過搭建試驗平臺，調整光照度傳感器被照射的光照度，運用光照度測試儀對LED照明控制系統進行測試，根據測試數據可知，該系統可以完成對環境的自動補光功能，達到了設計的目的。實踐證明，該系統性能穩定可靠、便于操作，可完成對植物采光的全自動化控制，值得推廣應用。

[1] 王婷婷，俞少娟.LED光源對植物生理生化及品質影響研究進展[J].北方園藝，2016(2)：189-193.

[2] 姜創道，石雷.從光合作用看農業照明的需求和發展[C]//第二屆全國現代農業照明智能控制技術研討會會議論文匯編.北京，2014：6-9.

[3] 馬桂芹.LED光對青蒜苗生長生理特性及品質的影響[D].泰安：山東農業大學，2015.

[4] 江天，張瀟.智能LED植物生長系統[J].照明工程學報，2013，24(S1)：168-172.

ThedesignschemeandexperimentprocessofaLEDplantsupplementallightingcontrolsystembasedonsingle-chipmicrocomputers(SCM)wereintroduced.Theresultsshowthatthesystemhasstableandreliableperformance,anditiseasytooperateit.Moreover,itcancompletethefullautomationoflightingplants,soitisworthpopularizingandapplyingthesystem.

Supplementallighting;Single-chipmicrocomputer;LED;Lightintensity

田間作業裝備創新團隊(cxtd-2013-01)；黑龍江大學生創新創業訓練計劃項目(201510222037，201610222106)；佳木斯大學校長基金項目(xzyf2016-15)；國家基金青年項目(61203052)；黑龍江省教育廳科研項目(12521539)。

張艷麗(1974- )，女，黑龍江巴彥人，講師，博士，從事農業電氣化及田間作業裝備研究。*通訊作者，副教授，碩士，從事農業電氣化及控制系統研究。

2016-06-25

S123

A

0517-6611(2016)23-248-03

DesignofaLEDPlantSupplementalLightingControlSystemBasedonSCM

ZHANGYan-li,NIUGuo-ling*,JIANGYong-chengetal(CollegeofMechanicalEngineering,JiamusiUniversity,Jiamusi,Heilongjiang154007)