基于STC單片機(jī)的LED自動補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計

□毛勇鵬 張海輝

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 陜西 咸陽 712100）

基于STC單片機(jī)的LED自動補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計

□毛勇鵬 張海輝

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 陜西 咸陽 712100）

針對現(xiàn)有LED補(bǔ)光系統(tǒng)在溫室大棚應(yīng)用時補(bǔ)光不足和補(bǔ)光過度的問題，本文設(shè)計了一種LED植物補(bǔ)光測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚植物的定量補(bǔ)光，以滿足不同植物在不同階段的光照需求。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)合專用的光照設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)自動化補(bǔ)光和光照調(diào)節(jié)，非常適用于菌類作物的栽培補(bǔ)光，具有良好的實(shí)用性和較強(qiáng)的推廣性。

單片機(jī)曰LED曰脈寬調(diào)制曰補(bǔ)光系統(tǒng)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)包括主控設(shè)備、LED光源驅(qū)動模塊以及光照強(qiáng)度檢測模塊三部分組成，設(shè)備采用STC12C5A60S2作為系統(tǒng)中心處理芯片，各個模塊之間通過有線互聯(lián)方式進(jìn)行信息通信。主控設(shè)備根據(jù)反饋信息量進(jìn)行修正補(bǔ)光強(qiáng)度；LED驅(qū)動模塊主要完成光環(huán)境開啟與關(guān)閉的功能，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)微弱信號至大電流轉(zhuǎn)變的過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)信息動態(tài)調(diào)控過程，支持光強(qiáng)信息的無極變化，可根據(jù)需光量，動態(tài)周期性調(diào)節(jié)光強(qiáng)信息；光照強(qiáng)度檢測模塊主要對特定波段光源強(qiáng)度進(jìn)行檢測，并通過IIC通信接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。如圖1所示為本系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 LED光源驅(qū)動模塊

本LED光源驅(qū)動電路從AC220V交流電接入，首先是由熱敏電阻NTC和保險絲F1組成的涌浪保護(hù)電路，由電感L1、L2和電容CX1組成的EMC濾波電路，由四個二極管組成的模塊DB1是全橋整流電路，然后是由二極管D1、D2、D3，電阻R1和電容C1、C2組成的上位機(jī)F電路，由電阻R2-R4，電容C4-C6，二極管D4和晶體管T1組成的降壓穩(wěn)壓電路，由主驅(qū)動芯片PT4107、滑動變阻器RT、線性微調(diào)電阻R5、開關(guān)頻率設(shè)計電阻R6、采樣電阻R7-R10和MOSFET管Q1組成的PWM控制電路，最后是由續(xù)流二極管D5、鎮(zhèn)流電感L3和電容C3組成的擴(kuò)流恒流電路。如圖2所示為該電路的電路原理圖。

圖2 LED驅(qū)動電路原理圖

2.2 光照度檢測模塊

應(yīng)用ISL29010光照傳感器對完成對預(yù)處理的多色光進(jìn)行監(jiān)測分析。采用I2C總線方式對檢測信號進(jìn)行接入，本系統(tǒng)的一個主要特點(diǎn)是應(yīng)用分時復(fù)用原理，有效的減少了總線空間的占用，同時減少芯片管腳的數(shù)量。光照度檢測模塊采用電壓為4.5V的直流電源供電，信號數(shù)據(jù)接入單片機(jī)的P1.6口線路，時鐘模塊接入P1.7口線路，該檢測模塊可測定系統(tǒng)的分波段光照強(qiáng)度。

2.3 主控設(shè)備

采用STC12C5A60S2作為核心處理器。采用5V電源供電，電源電路模塊將外接的12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，外接的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，為系統(tǒng)提供電源。INPUT端接入12V電壓，OUTPUT端輸出的電壓即為5V與3.3V。OUTPUT電壓輸出端設(shè)置了一個LED，可提示整個系統(tǒng)供電情況。主控設(shè)備人機(jī)交互模塊主要為液晶顯示屏和鍵盤兩部分，數(shù)據(jù)存儲通過SD卡實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)選用SPI形式讀寫SD卡。通過RS232接口電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

本文采用模塊化設(shè)計的軟件系統(tǒng)，程序?qū)ο到y(tǒng)初始化后，首先調(diào)用光照度檢測模塊函數(shù)獲取特定波段的分波段光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并傳到單片機(jī)模塊上，通過邏輯運(yùn)算，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參考值范圍與實(shí)際值之差得出植物實(shí)際所需的光照強(qiáng)度，進(jìn)而計算得出實(shí)際需光量，并產(chǎn)生對應(yīng)的PWM信號，相應(yīng)設(shè)備接受控制信號執(zhí)行補(bǔ)光動作，從而實(shí)現(xiàn)LED燈的照度自動控制，對植物進(jìn)行精確補(bǔ)光。圖3為該系統(tǒng)的程序流程圖。

4 結(jié)論

本文研發(fā)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的設(shè)施菌類補(bǔ)光系統(tǒng)，選用紅、黃、藍(lán)、綠四種顏色濾光片，實(shí)現(xiàn)在一定的波段范圍內(nèi)對特定波長的光信號進(jìn)行檢測的效果，根據(jù)光照傳感器的檢測結(jié)果，通過單片機(jī)核心控制模塊發(fā)出的PWM信號，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)LED燈組的光波控制，從而控制溫室大棚光源的照度，從根本上解決溫室大棚內(nèi)補(bǔ)光難、補(bǔ)光效果欠佳的問題，實(shí)現(xiàn)溫室大棚內(nèi)植物補(bǔ)光的自動化控制。系統(tǒng)試驗(yàn)證明其具有良好的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施菌類的高效定量的調(diào)控目的。

1004-7026（2017）1-0065-02

TM923.02

A

10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.01.042