基于单片机的温室大棚智能补光系统设计

李金彦

（宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021）

0 引言

农业是国民经济的基础，发展智慧农业，提高农业生产效率，是当前和今后一个时期的重点工作[1]。由于生长快，产量高，温室大棚已经广泛应用于农业种植业，极大地提高了农业生产力。但受季节和气候变化，农作物的光照始终成为制约农业生产的一个重要因素[2]。因此，有必要对农作物进行实时补光。传统的农业补光主要是人工补光，在人为感知光强较弱时进行补光灯的操作，这样费时费力，且补光效率不高。因此，设计智能化的补光系统非常必要，国内外学者对农作物补光系统进行了研究，主要集中在对补光的时间和光质进行研究，但是都不能对农作物光照强度进行实时监测和补光，且对光质不能进行有效筛选，因此有待对补光系统进行改进。本文通过对农作物成长需要的光源、光谱进行分析,选择寿命长、易于控制的LED补光光源,当光照传感器检测到温室中光照不符合预定光照条件时，通过单片机控制LED补光灯进行实时监测和补光[3-4]。

本文以AT89C52单片机为控制核心，设计温室大棚智能补光控制系统，实现光强检测、A/D转换、光强显示、LED灯智能补光等功能。温室大棚智能补光控制系统包含STC89C52单片机最小系统、ADC0804模数转换、按键模块、光敏传感器、LCD1602显示等模块。软件部分包含光敏采集程序、KEY按键程序、LCD光强显示程序、智能补光控制程序、计时显示程序。

1 系统功能与实现方案

本文采用AT89C52单片机为控制核心、以光敏电阻为感光检测器件、以ADC0804为A/D转换器件、以LCD1602为农作物光照强度显示器件、外加农作物智能补光灯、LED工作状态显示指示灯，构成农业大棚智能补光系统。本设计的工作原理是光敏电阻检测到环境光照强度，通过A/D转换送给STC89C52单片机，单片机计算光照强度，与预设光照值进行比较，并在LCD1602上显示环境光照强度，当环境光照强度低于设定值时开启补光灯对温室大棚进行补光，当环境光照度高于设定值时关闭补光灯，构成一个闭环控制系统，从而实现温室大棚智能补光功能。另外，在非补光状态下，系统处于待机功能，对非补光状态进行计时，以记录非补光状态，收集农作物生长数据。该补光系统可根据不同农作物进行环境温度设定，具有一定的移植性。系统的结构图如图1所示，系统的控制图如图2所示。

图1 系统总体结构图

图2 控制系统框图

2 系统硬件合计

智能系统硬件组成包括AT89C52单片机最小系统电路、光照强度检测电路、A/D转换电路、按键电路、状态指示灯电路及PWM控制LED补光灯电路组成。

2.1 单片机最小系统

智能补光系统采用AT89C52单片机作为控制核心，其优点是价格低，功耗低、运算速度高，包括40个引脚、32个I/O口、两级中断嵌套、2个外部中断、2个定时器/计数器中断、1个串口中断、4KB地ROM存储。其最小系统电路如图3所示，主要由处理器、晶振电路和复位电路构成。晶振电路由晶体振荡器和瓷片电容组成，容值为22pF，用于过滤高频信号，产生稳定的时钟频率为12MHz。复位引脚为第9脚，当此引脚连接高电平持续2个机器周期以上，即可产生复位的动作。单片机的复位可以通过上电复位，直接采用直流5V电源供电。

2.2 光照强度检测电路与AD转换

2.2.1 光照检测

根据农作物生长对不同光质需求特性，利用滤光片对红光（400～500nm）和蓝光（600～700nm）进行预处理，选用LDX系列的红光LXD23CV-R和蓝光LXD23CV-B硅光电池二极管，分别检测红光和蓝光的强度，采用红蓝两色的光照传感器来检测不同的光照强度可以充分发挥各自的检测优势，达到红光和蓝光最佳匹配。硅光二极管依据吸收的光能释放和加速半导体载流子，把光能变为电信号，产生电信号。输出电压与光强呈线性关系，从而间接测出光照强度。LXD23CV光电二极管的转换电路如图4所示。光电二极管的输出与模数转换器ADC0804的VIN+连接，ADC0804将传感器采集到的光强数据反馈给单片机，单片机控制LCD显示当前光照数值。

图4 光照检测电路

2.2.2 AD转换

硅光电池二极管测得产生的电压信号为模拟信号，需要将模拟信号转化为数字信号，模数转换电路选用ADC0804集成模块。ADC0804逐次逼近型模数转换器，价格低、转换精度较差、单通道，用于将光照强度的模拟信号转化为单片机可以识别的数字信号。在本设计中，ADC0804能把光敏电阻上电压值的变化，以数字量的形式传送给单片机，单片机控制1602显示出环境光强。具体连接是CS片选信号，低电平有效，接单片机P2.5引脚。WR引脚启动ADC0804进行ADC采样，接单片机P2.7引脚。RD引脚与单片机P2.6引脚连接，低电平有效，即RD=0时，ADC0804把转换的数据加载到DB口，通过数据端口DB0～DB7读出本次的采样结果，DB口接单片机P3口。VIN(+)和VIN(–)为模拟电压输入端，光照传感器检测到的模拟信号送至ADC0804的输入引脚VIN+，经A/D转换后，由三态特性数字信号输出端DB口输出八位二进制数字信号，发送到单片机，由LCD显示器示出其测量值。A/D转换电路如图5所示。

图5 A/D转换电路

其转换过程是上电后CS端初始化函数void init（）拉低使A/D一直处于工作状态，判断是否处于检测，若在检测状态，则用检测命令和显示命令使单片机实时检测。上电后RD和WR输出默认电平，无需初始化。将WR拉低，调用void delay（）函数，用delay（1）；语句延时约1毫秒，让ADC0804读取电压值。RD拉高后，开始转换，再用delay（5）转换完成。再让RD端拉低，同样软件延时1毫秒，让单片机读走数据。

2.3 LCD1602 液晶显示电路设计

光敏二极管检测到红光和蓝光光强，需要在数字器件显示，本设计中选用LCD1602液晶显示屏。LCD1602的特点是每行输出16个字符、两行、不带中文字库，只能显示数字、字母和普通字符。LCD1602连接方法：D0～D7口接P0.0～P0.7、接1K上拉电阻提高驱动能力。连接方式是1脚接地、2脚接电源为1602供电，15、16脚接正和负提供背光电源，5脚接电阻调节亮度，3脚接电阻调节对比度。控制脚RS、R/W、E接P2.0、P2.1、P2.2控制液晶显示。数据口通过电阻接P0口，当读状态时RS为低电平、R/W为高电平、E为高电平、D0～D7=状态字1；读数据时RS为高电平、R/W为高电平、E为高电平、D0～D7=数据；写指令时RS为低电平、R/W为低电平、E为高电平、D0～D7=指令码；写数据时RS为高电平、R/W为低电平，E为高电平，D0～D7=电平。LCD1602显示电路可通过程序实现读写操作、显示操作，其控制时序如图6所示。

2.4 补光模块

补光模块包括LED阵列和外部驱动电路，LED阵列光源是30V的红蓝两色光源，通过并联组成红蓝两色灯组[5-6]。每个灯组包括中心波长为660nm的红光和450nm的蓝光光质，LED光源驱动电路采用PT4107驱动模块电路，原理如图7所示。PT4107是降压恒流源，工作时连续电感电流导通，电压范围是6～30V，输出电流可调，最大可达1.2A，可同时满足多颗LED串并联电路。补光电路由红蓝两色LED补光灯和NPN型的三极管9012组成，三极管通过基极与单片机P1.2引脚相连接。当单片机P1.2引脚给9012的基极发送一个低电平信号时，三极管导通，三极管控制功率MOS管导通，LED补光灯导通，开始补光。根据农作物的生长特点，需要对LED亮度进行控制，其亮度由PWM 信号控制。由于AT89C52没有自带PWM信号，因此PWM方波信号可由定时器T0在工作方式1下产生，PWM占空比成正比输出电流，LED输出能量与PWM占空比成正比。用独立键盘控制频率、占空比的大小，实现红光和蓝光亮度调节。亮度通过公式Ppwm=LightSupneed/LightSupmax计算，其中LightSupneed为所需补光量，LightSupmax为阵列最大补光量，故可通过PWM占空比有效控制LED补光灯输出亮度。当系统确定农作物补光量LightSupneed时，单片机控制功率MOS管导通，LED阵列通电，通过计算得到的两路PWM占空比，输出两路PWM信号分别控制与红蓝光相连的PT4107驱动电路，从而控制红蓝光驱动芯片输出电流，完成LED灯组的亮度控制。

图6(a) 读操作时序

图7 LED 光源驱动电路

2.5 外围电路

外围电路包括LED状态指示电路、按键电路灯，其设计如下。

2.5.1 按键电路

智能补光系统设计采用按键控制，分别为开始智能补光S1按键和停止智能补光S2按键，S1接单片机P2.3引脚,S2接单片机P2.4。其中，停止状态下实行计时，以计算自然光照下的持续时间，为农作物生长收集数据。其控制方法是当按下S1按钮，拉低P2.3引脚电平，执行开启LED补光灯，并执行光照检测，LCD显示光强；按下S2按钮时，停止LED补光，LCD显示计时。其控制电路如图8所示。

2.5.2 LED状态指示电路

LED智能补光系统设计两路状态指示，分别是执行智能补光和停止智能补光状态指示，其连接方式为执行状态与单片机P1.0引脚相连，停止状态与单片机P1.1引脚相连。当执行不同状态，相应状态指示灯高亮显示，其电路如图9所示。

图9 LED 状态指示电路

3 系统软件设计

本系统的控制流程是，设计待机按键S2和补光按键S1，当按键S2按下时执行待机程序，此时LCD1602显示非补光状态，只进行计时，记录农作物生长数据。当按下按键S1时，执行光照补光，此时执行光强检测程序、AD转换程序、1602显示、LED光源开启及亮度控制等。操作人员可以从键盘上输入要设定的红光和蓝光光强值，红光和蓝光分别独立控制，达到最佳匹配。光照传感器分别检测两种光质光强，当红光或者蓝光某一光质光强高于设定阈值时，系统关闭该路LED补光灯。当光照检测值低于设计阈值时，执行该路补光操作。此时LED补光灯开启，在此过程中单片机实时监测光照时，并结合农作物生长数据，进行光照时间和光照亮度控制，亮度控制采用PWM技术。当执行一定时间时，补光灯关闭，开始待机模式，其控制流程图如图10所示。

图10 系统工作流程图

4 仿真测试验证

为便于仿真测试，只测试蓝光光质。采用模块化思路用keil对单片机进行编程，然后编译后生成HEX文件，下载到单片机后能进行智能补光检测和待机计时，测试的各项功能是AD检测程序是按下智能补光控制检测按键后，能实现模拟数字信号转换；Flag调试让主函数执行待机程序、光强检测程序和状态指示程序；按键程序调试是切换智能补光和待机计时，能进行有效补光和计时；液晶显示程序调试时能正确显示环境亮度和待机计时；定时器与定时器中断调试能产生PWM方波信号，用定时器实现5ms定时，然后中断5次后为1秒计时，实现计时功能；亮度控制能进行PWM占空比的LED灯亮度有效控制。系统总体测试能实现光强检测、LCD显示、A/D转换、LED补光灯开启及亮度控制，系统仿真如图11所示。

5 结论

针对北方地区农作物受气候和光照时间的影响，设计了农业大棚LED补光灯系统，通过分析农作物生长的光照环境，分析农作物对不同光质的需求情况，研发了一种基于单片机的智能补光系统。应用光照传感器，检测环境光照强度，并显示在LCD屏幕上。系统对光照实时监控，通过占空比可调的PWM控制技术，控制LED工作电流，进而控制红光和蓝光亮度，达到农作物生长光照最佳匹配，实现按需精确补光，避免了补光过度和补光不足的问题。经过测试，系统运行稳定，使用方便，针对性强、补光效率高，人机互动良好，移植性好，可促进农作物的健康成长，适用于智能农业大棚种植，具有一定的推广性。

图11 系统仿真图