基于单片机的温室植物LED补光系统设计＊

周益民，周国泉，徐一清

(浙江农林大学理学院，浙江临安 311300)

“万物生长靠太阳”，光照是作物进行光合作用的必备要素之一，光照条件的好坏直接影响作物的产量和品质。发光二极管(light-emitting diode，简称LED)作为新一代光源，除了环保节能的特点外，相较于目前农业领域常用的荧光灯或高压钠灯等人工光源，具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与允许提高单位面积栽培量等优点，对封闭有环控的农业生产环境，如温室、植物组培室等是一种非常适合的人工光源［1］。目前单颗超高亮度LED还未能提供足够的光照强度以供温室植物正常生长，但多颗LED通过组装设计就能满足温室植物的光需求［2］。随着半导体技术的发展及LED性能的提高和经济成本的迅速下降，以LED作为光源的植物补光灯不断面世，相关研究已不鲜见，各有其理论依据和应用价值。但现有的研发方案和产品多采用小功率的红、蓝或红蓝光组合，只能获得2或3种组合光谱，与植物的选择性吸收谱欠匹配，且多采用连续照射方式，不能对光密度、光周期和照射方式实施定量调制［3-6］，未考虑不同植物不同阶段需光量的差异，造成补光不足和补光过度并存的现象，仍未能真正意义上解决低能耗精准化补光的问题［7］。

针对以上问题，本文依据植物的光合作用、光形态建成、光周期调节对光谱的选择性吸收，研发了一种基于单片机的温室植物LED补光系统，该系统可以对红、蓝、远红、紫外等4种光色的LED进行精确组合调制，实现光色、光强和照射时段、时长的分段自动调控。基于分波段光强检测技术、温度传感技术和智能控制技术等现代电子信息技术，该系统采用 STC12C5A60S2单 片 机 作 为 核 心 处 理 器［8］，PT4115为LED驱动模块［9］，根据温度和光强检测结果，利用脉宽调制(pulse width modulation，简称PWM)信号实现LED的精确定量补光，以满足温室植物在不同阶段对补光量的需求。

1 设计原理

1.1 温室植物对光的需求

研究［10-11］表明，参与植物光合作用的主要是400-520 nm的蓝光和610-720 nm的红光，720-800 nm的远红光和315-400 nm的紫外光对植物生长也有积极影响。植物吸收光谱的最强区域是波长为640-660 nm的红光部分和波长为430-450 nm的蓝光部分。红光是在转录水平上调节光合机构的组装，从而直接影响植物的光合作用。蓝光对光合作用的调控，主要集中于气孔的开启，叶绿体的分化和运动，以及调节光合作用酶的活性。红光和蓝光对植物生长发育的影响不同，蓝光有利于植物叶的生长，红光促进植物茎的伸长。较强的蓝光将使得植物形成较矮的形态，较强的红光使得植物茎部过长而出现黄化现象，因此，合适的红光与蓝光光通量之比即R/B是培育出形态健全的植物的必要条件［2］。光不仅作为一种能源控制植物的光合作用，而且作为一种信号源影响植物生长发育的所有方面。蓝光会影响植物的隐花色素，从而调控植物的向光性等;红光会影响植物的光敏素而调节植物叶的分化等，所以，通过改变R/B可以调节植物的光形态建成，培育出满足特定形态需求的植物。波长为720-800 nm的远红光有利于增加植株高度，波长为315-400 nm的紫外光有利于植物的趋光性和杀灭病菌病毒，减少病害传播。610-720 nm的红光和720-800 nm的的远红光两者光通量之比即R/FR比对植株高度调节具有重要影响［12］。610-720 nm的红光能降低植物体内赤霉素的含量，从而减小节间长度和植株高度;而720-800 nm的远红光其作用恰好相反，能提高植物体内赤霉素的含量，从而增加节间长度和植株高度。R/FR比已成为控制植株形态的一个重要评价参数。在大自然中随着季节和天气的变化，光照强度是不同的，隆冬与初春比盛夏与早秋光照弱，阴雨天比晴天弱，不同的植物对光照强度的要求也不同，阴性植物需500-2500 lx(勒克斯)，中性植物需2500-30000 lx强度的光照，阳性植物则需大于30000 lx。温室与大棚中栽培的作物，尤需补光。

1.2 补光模式与植物生长

不同的植物需要的光照时间不同，补光模式与植物的生长和节电又有很大关系［13］。LED是未来植物工厂的一种重要光源，它除了节能耗电外，使用寿命也大大延长，而且可以进行跳动式的间歇照射，对于植物发育来说比连续照射更具效率。从植物的光合生理来说，光反应过程分为明反应与暗反应两个阶段，植物的叶绿素a与叶绿素b在接受光照射后，受光量子激发而产生电子跃迁，形成电流，这些能量为光合成提供了大量的ATP能量，而这种把二氧碳及水合成有机物的过程却是在暗反应条件下形成。明反应需要光才能进行，而暗反应不需要光，在黑暗环境中进行。根据这个机理进行间歇式补光与连续性补光的对比试验，在光量子相同的情况下，以明暗周期为 1∶2 且幅度为 200 μs∶400 μs 情况下进行莴巨栽培，发现日生长率可提高20%-25%，甚至达30%以上，表现出明显的增长效果。并且在试验中发现，在相同补光时间下，以间歇或脉冲的补光方式最好，可节能20%-30%左右。

2 设计方法

基于单片机的温室植物LED补光系统主要包括系统硬件(四色LED组合补光模块、驱动电路模块、控制模块、检测模块和人机接口模块)、光谱组合与调控方法(光质、光强、照射方式和温度的调控)以及系统软件。

2.1 系统硬件的设计

该系统的硬件部分采用模块化设计，主要由四色LED组合补光模块、驱动电路模块、控制模块、检测模块(包括光强检测和温度检测)和人机接口模块(包括薄膜键盘和液晶显示)组成，其组成框图如图1所示。

2.1.1 四色LED组合补光模块 根据上述原理，本研究设计的“四色LED组合补光模块”从多数植物对光照强度要求的实际情况出发及综合考虑R/B、R/FR合适比值和适当的紫外光照射强度，确定选择超高亮圆形LED，其规格如表1所示。

为突破传统的点、线光源技术缺陷，本补光板采用模块化阵列式设计理念［14］，选取4种单色LED，以行、列数各为7之方阵组成单元模块(由8只红光、8只蓝光、4只远红光和1只紫外光LED组成)，见图2，再由若干个单元模块组成LED阵列的平面光源，每种光色LED先串联再与对应驱动模块连接，达到均匀照射、快速安装、更换和拓展之目的。

图1 LED光源系统硬件框图Fig.1 Hardware chart of LED light system

表1 LED发光管的主要光色电参数Tab.1 The main light color electrical parameters of LED

2.1.2 驱动电路模块 LED阵列采用降压恒流驱动方式［15］，LED可获得恒定的颜色输出。该模块选用PT4115恒流驱动芯片，驱动电路如图3所示。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，它具有直流6 V到30 V的较宽输入电压范围，输出电流可调，最大可达1.2A，可满足驱动点亮N颗串并联的小功率LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。LED的最大平均电流由连接在VIN和CSN两端的电阻RS决定，通过在DIM管脚加入可变占空比的PWM信号可以调节输出电流以实现调光，可通过公式Iout=0.1×D/Rs计算，式中 D是 PWM的占空比，RS为采样电阻。本系统由单片机输出两路PWM信号分别与红蓝光两路PT4115的DIM控制端相连，利用PWM的信号控制驱动芯片PT4115的输出电流，由此实现LED灯组的定量补光。

图2 LED单元模块Fig.2 LED Primitive module

图3 LED驱动电路原理图Fig.3 LED driver circuit schematic

2.1.3 控制模块 控制模块选用STC12C5A60S2单片机作为核心处理器，该单片机是深圳宏晶科技有限公司推出的新一代单时钟8051单片机，具有高速、低功耗及超强抗干扰等特点，采用5 V电源供电，具有8路10位A/D接口、2路PWM输出口，4个16位定时器，56 K Flash存储空间、1280 B静态存取内存、1 K可编程只读存储器，能够满足数据采集、智能管理、光谱调控、PWM信号输出等工作，为系统的功能实现提供了基础和保障。电路如图4所示。其中，P0口连接液晶屏的8路数据口;P1口连接采样信号和控制PWM输出，P1.0接入红光检测信号、P1.1接入蓝光检测信号、P1.2接入远红光检测信号、P1.6接入温度检测信号，从而完成对传感器检测数据的采集;P1.3，P1.4为单片机PWM控制端输出口，其根据单片机计算出与两波段所需补光量对应的PWM信号占空比，输出PWM信号对LED灯组的亮度进行控制。P2口连接4×4矩阵键盘，P3.0，P3.1用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程序的下载;P3.3-P3.6为液晶控制端，控制液晶屏实时显示系统的设定频率、占空比、红蓝远红光光强和LED基板温度等参数。

2.1.4 检测模块 检测模块利用光照传感器、温度传感器实时检测温室内部光照强度和LED基板温度，并将采集数据提供给单片机进行处理，原理图如图5所示。其中温度检测模块由温度传感器18B20及其标准调理电路组成，数据线接入单片机P1.6口，实现对温度的采集。光照检测包括红光光强、蓝光光强和远红光光强检测，采用波长范围在400-500 nm的蓝光2BU6硅光电池、波长范围在600-700 nm的红光2BU6硅光电池和波长范围在700-800 nm的远红光2BU6硅光电池作为检测元件，采用4路运算放大器LM324设计运放电路将硅光电池的微弱模拟信号分别进行转换和放大，最终将模拟信号接入单片机 P1.0、P1.1和 P1.2端口进行 A/D转换，从而实现分波段光强检测。

图4 控制模块电路原理图Fig.4 Control module schematic

2.1.5 人机接口模块 人机接口模块主要包括液晶显示屏和按键系统两部分，其中显示屏采用FYD12864-0402B液晶显示模块，分辨率为128×64，采用并行操作方式，可实现系统数据的查询显示;而键盘采用4×4矩阵键盘，实现对系统相关数据的设定及改变。

图5 检测模块原理图Fig.5 Detection module architecture

2.2 光谱组合与调控方法

图6 系统光源调控原理图Fig.6 Regulate and control of light system architecture

为实现温室光环境调控，需要实时分波段自动采集温室光照度与LED基板温度，反馈给控制器。控制器根据设定照度值调节LED驱动电路PWM的占空比，进而调节温室光照度近似等于设定值，最终达到照度调控以及R/B、R/FR的设定值。同时，控制器根据LED基板反馈的温度值与设定值比较，当温度超过设定值时启动降温风扇。系统LED光环境调控原理图如图6所示。系统光照度调整使用增量式的比例积分微分(PID)算法［16］，根据变换量按比例调整 PWM定时器CCAP1L、CCAP1H的值，输出不同占空比的PWM信号调节LED照度，其中PID表达式为△uk=Aek-Bek-1+Cek-2。式中△uk为控制量的增量;k为采样序号;ek为第k次采样的输入偏差值;ek-1为第k-1次采样的输入偏差值。当光照度当前值小于输入设定值时，则PWM波形占空比增加，当光照度当前值大于输入设定值时，则PWM波形占空比减小，直到输出值等于设定值，通过不断检测与调整，保持光照度恒定。

LED基板由于LED数量较多，在工作中会产生热量的积累，而热量的积累会降低LED的发光性能，甚至引起严重的光衰现象。为保证LED的发光性能，LED基板温度通过温度传感器检测，当温度高于设定值时，单片机控制启动降温风扇，使系统工作在安全的温度范围内。

为了提高补光效率，本系统对LED照射方式进行调控，可选择连续、间断或闪烁的补光模式。其中频闪设定范围为 0.1～9.9 s，间隔设定范围为1～99 min，并可进行定时设置，使补光灯仅在植物需要补光的时期照射，其余时间都关闭，以达到降耗节能的目的。

2.3 系统软件设计

系统软件采用模块化程序设计思想［17］，用C语言编写，程序流程图见图7，主要包括主程序模块、时基调控模块、检测模块、PWM信号控制模块和显示模块等。子模块各司其能，有主程序统筹协调各模块依存关系，以期达到操作界面友好，控制效果理想，系统高度稳定的目标。系统首先完成各模块的初始化，并进行系统参数设置，包括温度、红蓝红外光强设定和-后采集温室光环境参数和LED基板温度并把参数实时显示在液晶屏上。接下来进行测量值与设定值得比较，利用相关算法对光照度和温度以及R/B、R/FR等数据进行调控，达到对温室植物实施精确补光的目的。

3 结论

本文研发了一种基于STC12C5A60S2单片机的温室植物LED补光系统，采用红、蓝、远红、紫外等4种光色的LED进行精确组合调制，根据温度、光照传感器监测结果，通过核心处理器的PWM信号，控制特定波长的红、蓝、两路LED灯组驱动电流，实现光色、光强和照射时段、时长的分段自动调控，并有多种工作方式(闪频、连续和间断)，其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于温室植物补光，针对性强，光效高。系统试验证明其具有良好的稳定性，可满足在不同阶段对不同温室植物进行智能化、精确化的补光要求，具有很强的实用性和推广性。

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