光照强度连续测量仪的研制

王青彩 向卓 黄冬霞

摘 要：针对温室育苗的需要，文章设计一种低成本、简单、实用的光照强度连续测量仪，其采用数字光照强度采集模块BH1750FVI完成光照信息的采集，STC12C5A60S2单片机作为中央处理器，通过试验进行系统性能验证。试验结果表明，在日光灯下连续进行12次测量结果的相对标准偏差仅为6. 60%，具有较好稳定性，能够较好地实时响应光照情况。

关键词：单片机；光照强度；连续测量

光照是植物进行光合作用的必要因素[1-2]。因此光照强度对植物生长的影响不容小觑，在大棚种植中可以改变光照强度使光照强度达到农作物最佳的种植光照强度，确保农作物育苗适宜生长。所以设计一种能够对农作物光照强度进行实时监控的测量仪在大棚种植农作物的发展中有着重要意义。

目前，光照强度测量仪作为一种数字型仪器代表着新技术和新工艺的发展[3-4]。本设计采用模块化的方式，以高速度、低功耗、高可靠的STC12C5A60S2单片机为中心处理器、LCD1602液晶作为显示器件、利用串口通信传输数据、用16位数字输出型光照强度传感器BH1750FVI模块采集光照强度信号等建立光照强度连续测量系统，并对其各个模块进行分析。

1 硬件结构设计及工作原理

1.1 总体设计

通过下位机和上位机的分工合作就可以完成光照强度及时显示和数据的处理，各模块的关系如图1所示。光照强度测量仪主要包括下位机和上位机两大部分，下位机由单片机控制模块、光照采集模块、时钟模块、液晶显示模块、按键控制模块构成。上位机主要由串口通信、数据库模块、数据分析模块构成。该测量仪通过BH1750FVI数字光照强度采集模块将采集到的光照小电流信号经过放大、AD转换、界面公式的计算，将模拟小信号变成单片机可以识别的数字信号，单片机再将信息交给液晶显示。每10 min的间隔，数据将会被保存在单片机的EEPROM中一次。单片机把一天中保存的数据传给上位机后会自动将数据擦除。上位机通过单片机串口输送的数据进行数据库的整理和分析。其中在单片机中保存的数据可以通过按键来上翻和下翻进行查看。

1.2 硬件设计

光照采集是整个设计中非常重要的一块，数据的精确度由它来确定。GY-30光照采集模块主要从数据的来源和转换进行分析。在选择光照传感器时有介绍过其内部结构由光敏二极管、运算放大器、模数转换器、寄存器和内部振荡器构成。BH1750FVI是通过IIC总线协议和单片机通信的。内置662 k稳压芯片是高纹波抑制率、低功耗、低压差具有过流和短路保护的CMOS降压型电压稳压器，输出电压3.3 V。

（1）光敏二极管和普通二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，比一般PN结面积更大，从而增加对光的敏感度。

（2）集成运算放大器（简称“运放”）将光敏二极管采集到的微小PD电流转换为PD电压，运放对于输入电路阻抗越大越好，电路输出阻抗越小越好。

（3）模数转换模块是将采集到的模拟光强度信号转换为数字信号，模块使用了AD719X系列模数转换器，AD719X支持PGA和宽范围的可编程输出数据速率，以不同的数据速率来转换不同幅度的信号。

（4）BH1750FVI光照采集模块寄存器部分分为数据寄存器和测量时间寄存器。数据寄存器就是暂时保存16位光强度数值，初始值为：0000 0000 0000 0000。测量时间寄存器初始值为：0100 0101。

2 軟件程序设计

光照传感器数据采集模块通过程序中单片机设定的定时器每隔30 s采集并发送1次。首先对单片机端口进行初始化，使用查询方式。显示模块上显示的时间部分刚好为00，10，20，30，40，50时CPU 感应并立刻发采集的信号给BH1750FVI模块采集当前数据，指令是通过IIC总线传输的。数据输出是光照采集部分，程序流程如图2所示。

3 试验与结果

完成光照强度连续测量仪调试后，该连续测量仪与高精度照度计UT383同时进行测量。选择在日光灯下，上午11：10～13：00。每10 min测量一个数据，设置好仪器相应的参数后启动测量仪连续进行12次测量，其测量结果如表1所示。

连续测量2个小时对比分析其12个数据， 从表1可以看出，数值集中在20 000 lx左右。连续测量仪的读数与UT383照度计测量的数值变化趋势相同。综合试验得到的数据，连续测量仪相对标准偏差为6. 60%，测量准确度较高。表明该连续测量仪测量的结果能够信任光照强度连续测量的需要，能够较好的实时响应环境光照情况。

4 结语

实验结果表明，采用这款光照强度连续测量仪能有效地了解农业生产、养殖业或者人们自己生活环境中的光照情况，从而判断光照值是否为农作物的最佳光照强度，也可以判断今年是减产还是有增产的可能，在大棚种植中可以在知道了农作物最佳种植光照强度之后，根据需要改变光照强度。使得农业生产和养殖业在调节光照强度后达到最大经济利益。

[参考文献]

[1]高飞，柯燚，金韬，等.光照对植物合成花色素苷的影响研究进展[J].中国农学通报，2014（34）：6-10.

[2]魏永赞，李伟才，董晨，等.光照对植物花色素苷生物合成的调控及机制[J].植物生理学报，2017（9）：1577-1585.

[3]云中华，白天蕊.基于BH1750FVI的室内光照强度测量仪[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（6）：27-29.

[4]田安红，付承彪.一种虚拟光照强度测试仪系统设计[J].实验技术与管理，2017（4）：115-117.