基于TSL2561的温室智能调光系统设计

虞杨阳，余红英

（中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

基于TSL2561的温室智能调光系统设计

虞杨阳，余红英

（中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

光是作物生长最首要的环境因子之一。该方案基于TSL2651数字光度传感器，通过I2C总线将光度信息传送给MCU（STC89C52）处理，根据设置的光度阀值控制遮阳网、LED灯的开启和调节LED灯亮度。该系统设计结构简单，效率高，更加环保和节能，十分适用于温室等环境光照调节的应用。

TSL2561；调光；LED驱动；温室

光照是植物生长发育的关键条件之一。无论是阴天或由于季节变化造成光照不足还是光照强度过高都可能成为温室植物生长、发育的限制因子。因此，对温室植物的光照度和光照时间进行一定的调节、控制是十分必要的。我国目前主要依靠增强或减弱温室设施内的自然光照，适当进行补光，而在发达国家补光已成为重要的手段。因此，本文选用TSL2561作为光照强度传感器，对光强度进行测量，使用遮阳网和人工补光，将人造光和自然光结合起来，实现光强的调节和控制，从而促进植物的良好生长。

1 系统的构成

温室智能调光系统的结构，见图1。

图1 温室智能调光系统的构架

本系统根据 TSL2561光强度传感器采集温室的光照度信息，并将光照度信息传送到单片机并进行处理。设置两个光度阀值：光饱和点和光适宜点。当在光照时间内，光照度高于作物的光饱和点时，则通过继电器控制遮阳网的开启，从而降低温室的光照度；当在光照时间内，光照度低于作物的光适宜点时，则通过单片机控制LED的亮度，对温室进行人工补光，从而为作物的生长提供足够的光照，促进其生长。

2 光强度采集部分

光强度传感器主要用来检测周围环境的光强度，并根据环境亮度来开/关 LED灯或调节其亮度值。由于光敏二极管和光敏电阻温度特性和线性度差，本系统采用数字光强度传感器TSL2561。

TSL2561是TAOS推出的一款高速、低功耗、可编程、灵活配置的光强度数字转换芯片，具有标准的I2C总线接口，涵盖1～70000 Lx的宽强度范围，非常适合温室环境下光强度的测量。内部集成两路光敏二极管，通道0对可见光和红外线都敏感，通道1仅对红外线敏感。两路积分式ADC分别对两个光敏二极管的电流积分，转化为数字量，并保存在各路的数字寄存器中。其硬件电路，见图2。

TSL2561的读写操作严格遵循I2C总线协议的时序。该总线支持以字节方式发送和接收数据。以下是TSL2561数据采集程序的部分代码。

图2 TSL2561与MCU硬件连接电路

3 LED驱动设计

本系统采用单颗功率为1 W，按照红蓝光发光颗粒数比为4∶2比例混合带光源式LED作为灯负载，额定电流350 mA，20～28 V直流输入。LED驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。为了保证LED的亮度恒定和防止其过流烧坏，本系统采用恒流源驱动，若采用恒压源驱动，LED的正向电流对外加电压敏感，可靠性差。LED的调光方式分为模拟调光和PWM调光。其中模拟调光是直接改变通过LED的最大电流，但光质差，易形成色偏，故本设计选择PWM调光。

本系统选用LM3407作为LED驱动器，其本质是一个浮地的Buck变流器，开关管内置，可提供高达350 mA的恒流。硬件电路如图3所示。R1是电流检测电阻，用来设定LED负载电流，R2用来设定开关管的工作频率，本系统采用350 mA、1 MHz开关频率。DIM引脚的PWM调光信号由单片机提供，通过控制占空比来调节LED亮度。根据作物对光照不同的要求，系统自动设置相应定时值，由定时器0得到相应的调光频率。

图3 LED驱动设计图

4 遮阳网控制部分

图4 遮阳网控制输出驱动电路

夏季光照强度较大时会灼伤作物，对植物生长不利，可采用遮阳网进行适当遮阳。传感器采集环境参数值，经过处理后，MCU（STC89C52）发出控制信号到执行机构进行相应操作。而执行设备的功率一般都比较大，单片机为了驱动这些设备，必须把低电压、小电流信号转换成高电压、大电流信号，不过同时也会带来被控设备的干扰问题；为了驱动执行设备，必须提高接口的抗干扰能力，本设计采用光电隔离方式驱动继电器输出，光耦选用 6N137，继电器选用 JZC－23F，触点功率为5A/220VAC。接口的电路原理图，见图4。

5 结束语

本文设计并实现了基于STC89C52单片机控制的温室光照智能调节系统，在补光上采用效率更高、更节能的LED灯光系统，有别于传统的白炽灯、荧光灯、气体发光光源等，而且LED的亮度可根据环境的变化而进行自动调节，实现更加简单，耗能更少，更加环保。

此外，本系统附加了遮阳网功能，防止光照强度过大烧伤作物，结合LED从而满足了不同作物对光照的需求。

1 许安祥.我国温室农业的现状与发展趋势［J］.排灌技术，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、周纪海、纪爱华.LED驱动电路设计实例［M］.北京：电子工业出版社，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 刘君华、申忠如、郭福田等.现代测试技术与系统集成［M］.北京：电子工业出版社，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