MSP430單片機在調控LED植物智能補光系統中的應用

摘 要：基于單片機的LED植物智能定量補光系統。以MSP430單片機控制單元，通過傳感器實時檢測溫室內環境溫度和光照度，當檢測的溫度在所設溫度閾值以內時，根據紅、藍光所設閾值和實際值之差計算實際補光量，通過脈寬調制（PWM）信號控制紅、藍光LED燈組亮度，實現作物按紅藍光照度需定量進行智能補光。從而避免不同植物在不同生長階段補光不足或過度的問題，以提高能源利用率，達到精確化，智能化，低能耗的特點。

關鍵詞：單片機 智能補光 光照度 LED

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0007-02

中國是一個發展中的農業大國，農業問題始終是關系到中國經濟社會發展的根本問題。在我國，農業的現狀在極大程度上依然按傳統方式，高成本，低效率，投入較高，產值較低，這些特征使得農業成為國民經濟中亟待發展的一環。科學研究表明，光照度和光質對植物的光合作用、生長發育、物質代謝及結構形態等具有重要影響，其中380～760 nm可見光波段是決定光合作用最重要的光照波段，但有效吸收波段主要為其中紅、藍兩波段。對農作物使用紅、藍光進行補光，使其處于最佳生長環境中，可以很大程度提高農作物產量，緩解我國的農業問題，為人們提供更加新鮮、高質量與高效的農產品。同時，本項目采用了新光源LED燈（發光二極管，lighting emitting diode，簡稱LED）。與目前傳統光源（白熾燈、日光燈、高壓鈉燈）相比，擁有光源純、波長類型多、節能環保、使用壽命長、發熱少和易于控制等優點，更有利于節約能源。同時我們設計的植物智能補光系統可以根據不同植物在不同生長階段的需光量不同，進行精準化定量補光，從而能以最少的能耗使植物處于最佳生長狀態。

本項目以LED植物智能補光系統為研究對象，通過科學的研究與分析，最終做成一個基于單片機的LED植物智能補光系統的模擬機。在此系統工作前預先設定好該時期植物生長所需的溫度、紅藍光照度閥值，溫度傳感器對溫室內溫度進行檢測，當溫度高于促進光合作用的溫度閥值時，再分別對紅、藍光照度進行檢測，實際光照度在閥值以內時，系統可以自動對補光狀態，根據所設閾值與實際值之差計算實際需光量，進而再根據與實際需光量對應的兩路PWM控制信號的占空比，分別產生對應的PWM信號，達到控制LED燈組的亮度對植物實施精確補光的目的。從而保證植物一直處于最佳生長狀態。

1 系統硬軟件設計

1.1 系統整體結構

整個系統由五個模塊組成，分別是控制模塊、檢測模塊、電源模塊、補光模塊和用戶交換模塊組成。電源模塊分別產生12 V，5 V和3.3 V的穩定直流電為其他各模塊供電。檢測模塊將檢測到的紅藍光光照度和溫度送給控制模塊，控制模塊根據用戶交換模塊得到的閾值，計算出準確的補光量，送入補光模塊進行補光和用戶交換模塊進行顯示。各個模塊相互協作，從而保證系統的正常工作。

1.2 功能模塊介紹

1.2.1 單片機控制模塊

單片機選擇MSP430F149單片機，是一款功能強大的16位微控制器，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。超低功耗、運算速度快能實現數字信號處理的某些算法（如FFT等），且具有非常豐富的片上資源，如：豐富的管腳，強大的定時器，中斷源多，可以任意嵌套，使用時靈活方便，大容量的RAM和ROM，而且內部集成了A/D轉換器，具有較強的應用價值。

1.2.2 鍵盤輸入模塊

選用4個輕觸按鍵開關。輕觸式按鍵超小超薄，管腳簡單，使用方便。由于我們在不同功能中按鍵復用，所以我們整個系統操作只需要4個按鍵，更加簡潔方便。

1.2.3 電源模塊

本系統的控制器采用3.3 V供電，并采用LM7805和AMS1117-3.3進行穩壓，對單片機、檢測模塊以及用戶交互模塊分別使用3.3 V和5 V電源供電。對LED補光模塊單獨提供12 V的穩定直流電壓。由于補光模塊功耗較大，對補光模塊的單獨供電，保證了單片機最小系統工作的穩定性，和整個系統工作的流暢性。

1.2.4 檢測模塊

檢測模塊利用硅光電池作為傳感器、溫度傳感器實時檢測設施內部光照強度和溫度，并將采集數據提供給單片機進行處理。其中，溫度檢測模塊由數字溫度傳感器DS18B20及其標準調理電路組成，數據線接入單片機P2.3口，實現對溫度的采集。光照檢測包括紅光光照度檢測和藍光光照度檢測，采用波長范圍在400～500 nm的藍光S116EG硅光電池和波長范圍600～700 nm 的紅光S116EG硅光電池作為檢測元件，分別對溫室內的紅光與藍光光照度進行檢測。采用4路運算放大器LM324設計運算放大器將光照傳感器的微弱模擬電流信號分別轉化成模擬電壓信號并進行放大，最終將模擬電壓信號接入單片機P6.0，P6.1端口，通過單片機內部A/D進行模數轉換，從而實現分波段光照度檢測。

1.2.5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊選用12864液晶顯示屏，屏幕寬大，顯示清晰，提供了良好的人機界面。

1.2.6 補光模塊

補光模塊包括LED燈組及其驅動電路，驅動電路采用PT4115驅動模塊電路，如圖3所示，紅光和藍光兩個模塊獨立工作。其中，LED燈組采用各3個額定功率1 W、中心波長為660 nm的窄帶紅光LED燈和中心波長為450 nm的窄帶藍光LED燈。由單片機輸的兩路PWM信號分別與紅藍光兩路PT4115的DIM控制端相連，其中紅光驅動芯片與單片機的P1.2端口連接，藍光則與單片機P1.3端口連接。利用PWM的信號控制驅動芯片PT4115的輸出電流，由此實現紅藍LED燈組的定量補光。

1.3 軟件設計

本系統采用開發環境是IAR7，本系統用C語言編程，軟件采用模塊化結構程序設計方式。

2 功能實現

通過按鍵控制系統，輸入不同植物在不同生長階段所需要的溫度和光照度閾值。再通過傳感器實時檢測溫室內環境溫度和光照度，當檢測的溫度低于溫度閾值時，系統處于待機狀態；當檢測的溫度高于溫度閾值時，根據紅、藍光所設閾值和實際值之差計算實際補光量，通過脈寬調制（PWM）信號控制紅、藍光LED燈組亮度，實現作物按紅藍光照度需定量進行智能補光。同時，在遇到特殊情況時，還可以手動調節LED燈組亮度，手動控制對植物的補光量。從而避免不同植物在不同生長階段補光不足或過度的問題，以提高能源利用率，達到精確化，智能化，低能耗的特點。

3 結語

實驗結果表明，由于植物在低溫下光合作用弱，所以當溫度大于溫度閾值時要進行補光，促進植物光合作用，光照度始終維持在設定溫度。如圖4液晶顯示所示，假定一個溫度閾值，當實際溫度上升時，進行自動補光來確保植物生長所需光量。本系統采用了MSP430單片機，通過按鍵和傳感器將外部信息傳給單片機，從而控制液晶顯示模塊數據顯示以及進行閾值比較，采用脈寬調制信號控制紅藍光LED亮度，提高了光的利用率，減少能耗，同時能手動調節補光，反應快適應性強，具有很好的實際意義。

參考文獻

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