基于LED的培养箱光控制系统设计
2014-12-02崔靖林段鹏伟杨延荣单慧勇王俊学
崔靖林+段鹏伟+杨延荣+单慧勇+王俊学
摘 要：随着LED照明技术的迅速发展，对LED自适应调光技术的需求越来越强烈。该文以AVR单片机中Atmega16作为控制器，利用基于（Inter Intergrate Circuit）总线的数字型光强度传感器集成电路BH1750FVI采集室内环境光照度，完成LED自适应调光系统的硬件设计和软件编程，最终维持温室箱内植物光照强度在一个设定水平。
关键词：LED BH1750FVI 自适应调光 脉冲宽度调制
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0088-02
随着半导体技术的发展，其成本很快降低，近期出现了LED在植物补光中的应用研究。但已有的补光装置通常采用定光质、定光照度的补光方式，未考虑外界光照条件因素及植物不同生长阶段需光量的差异性，从而造成过度或补光不足现象。根据以上问题，该文设计了一款调动的补光系统。该系统控制对象是微型模型温室，用于小学生观察实验、家庭阳台种植等，充分考虑温度对光合作用的影响，根据植物在不同阶段不同环境下的实际需光量，对植物进行按需分波长定量补光，从而提高能源利用效率。
1 整体方案设计
系统采用模块化设计，包括检测模块、控制模块、补光模块以及用户交互模块，系统原理如图1所示。
其中，电源模块采用12V供电模式；检测模块分波段检测红、蓝光光照度，将检测信号进行处理后传入单片机，实现光照信息的数据采集；控制模块采用Atmega16单片机为核心，根据用户所设阈值以及检测模块采集到的数据，计算对应PWM控制信号的占空比，并输出两路PWM控制信号；补光模块采用多组两路恒流驱动电路，利用PWM控制技术，分别控制红、蓝光LED补光灯组的亮度，考虑到实际大规模应用中LED灯组输出耗电问题采用12V供电；用户交互模块分别采用液晶屏完成检测结果显示，键盘实现对阈值的处理等功能。
2 硬件设计
2.1 控制模块
采用Atmega16作为核心处理器，该单片机是AVR系列中最具代表性的一款。它采用精简指令集结构、运行速度快，并且包含PWM信号输出、总线等多种功能[2-3]。
2.2 检测模块
本系统采用新型单片测光芯片BH1750，较好地解决了传统测光系统的弊端。BH1750是半导体制造商ROHM为适应以移动电话手机为首的便携式机器和液晶电视等的
要求而开发出的具有优良光谱灵敏度特性的产品，是数字输出的环境亮度传感器，内部集成16位AD转化器，可实现数字值的直接输出。另外，BH1750与主控制器atmega16通过协议进行通信，而atmega16本身具
有硬件接口容易的特点，在硬件上的运行速率和稳定性又得到提高[4]。
这种集成电路是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围（1lx-65535lx）的光强度变化[5]。由于植物光合作用主要吸收波长范围在400～500nm的蓝光，波长范围600～700 nm的红光，首先采用在透光波段400～500 nm、600～700 nm，透光率为90%的滤光片进行光照检测的预处理；而后应用BH1750光照传感器完对红、蓝光分别进行检测。
2.3 补光模块
根据温室的实际面积确定LED灯个数，LED灯组内红、蓝光LED灯比例根据种植植物不同而改变，红光的阈值3000lux，蓝光的阈值600lux[6]。补光系统全程维持在设定的较好的利用率范围内，满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中智能化、精确化的补光要求。采用单个功率为0.5W的高亮度LED，实际布置如图2所示，外面一周为10个红色LED，分成两组，内圈为四个蓝色LED串联，由系统选择控制红蓝光比例为10∶4或者5∶4。
补光模块采用两路恒流驱动电路，利用PWM 控制技术，分别控制红、蓝光LED补光灯组的亮度，采用12V供电。补光模块包括LED阵列和外部驱动电路，LED阵列由继电器和PWM信号控制，驱动电路采用GS6300驱动模块[7-9]，原理图如图3所示。
2.4 用户交互模块
用户交互模块主要包括液晶显示屏和键盘，其中显示屏采用LCD1602，实现系统数据显示，键盘采用4×4矩阵键盘进行系统参数设置。
3 系统软件
系统软件主要包括传感器解析函数、数据管理与决策程序、PWM信号控制程序、参数设定程序和显示程序，实现了环境因子采集与受控灯组的自动控制功能。系统启动时，先检测是否已完成初始化，若未初始化则进入红蓝光目标光照度阈值设置。由光照传感器检测当前红蓝光光照度，根据滤光片滤光率90%的特性，可计算红蓝光实际光照度，进而判断是否在设定阈值范围内，根据目标光照度计算出红蓝光补光量，并通过调节PWM信号占空比实现红蓝光精确补光。经过周期T，再次检测红蓝光光照度，软件流程图略。
4 结语
该文提出了一种基于Atmega16单片机的植物补光系统，实现了按需、分波长的定量补光方式。在满足植物生长所需光照前提下，最大程度的提高输出光能的利用率，满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中智能化、精确化的补光要求[10]。试验结果表明，该设计采用的PWM补光控制模式中可在满足作物需光量的前提下，提高光能利用率，同时具有反应快，灵活性强的功能。
参考文献
[1] 艾朝霞，姬妍.LED照明光源前景展望[J].榆林学院学报，2006，16（4）：40-42.
[2] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航天航空大学出版社，2007：447-484.
[3] 宋适，刘廷章.基于AVR单片机的LED自适应调光系统[J].电气自动化，2009（31）：33-35.
[4] ROMH公司.BH1750FVI手册[EB/OL].http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/350139/ROHM/BH1750FVI.html.
[5] 何安科.基于STM32与光强传感器BH1750的无线路灯控制系统[J].企业科技与发展，2011（20）：15-17.
[6] 张海辉，杨青，胡瑾，等.可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程学报，2011（9）.
[7] 朱虹.LED照明驱动及自适应调光研究[D].上海：上海大学硕士学位论文，2007.
[8] 胡永光，李萍萍，邓庆安，等.温室人工补光效果的研究及补光光源配置设计[J].江苏理工大学学报，2001，22（3）：37-40.
[9] 王声学，吴广宁，蒋伟，等.LED原理及其照明应用[J].灯与照明，2006，30（4）：32-35.
[10] 王晓明，郭伟玲，高国，等.LED-新一代照明光源[J].现代显示，2005，53（7）：15-19.endprint
摘 要：随着LED照明技术的迅速发展，对LED自适应调光技术的需求越来越强烈。该文以AVR单片机中Atmega16作为控制器，利用基于（Inter Intergrate Circuit）总线的数字型光强度传感器集成电路BH1750FVI采集室内环境光照度，完成LED自适应调光系统的硬件设计和软件编程，最终维持温室箱内植物光照强度在一个设定水平。
关键词：LED BH1750FVI 自适应调光 脉冲宽度调制
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0088-02
随着半导体技术的发展，其成本很快降低，近期出现了LED在植物补光中的应用研究。但已有的补光装置通常采用定光质、定光照度的补光方式，未考虑外界光照条件因素及植物不同生长阶段需光量的差异性，从而造成过度或补光不足现象。根据以上问题，该文设计了一款调动的补光系统。该系统控制对象是微型模型温室，用于小学生观察实验、家庭阳台种植等，充分考虑温度对光合作用的影响，根据植物在不同阶段不同环境下的实际需光量，对植物进行按需分波长定量补光，从而提高能源利用效率。
1 整体方案设计
系统采用模块化设计，包括检测模块、控制模块、补光模块以及用户交互模块，系统原理如图1所示。
其中，电源模块采用12V供电模式；检测模块分波段检测红、蓝光光照度，将检测信号进行处理后传入单片机，实现光照信息的数据采集；控制模块采用Atmega16单片机为核心，根据用户所设阈值以及检测模块采集到的数据，计算对应PWM控制信号的占空比，并输出两路PWM控制信号；补光模块采用多组两路恒流驱动电路，利用PWM控制技术，分别控制红、蓝光LED补光灯组的亮度，考虑到实际大规模应用中LED灯组输出耗电问题采用12V供电；用户交互模块分别采用液晶屏完成检测结果显示，键盘实现对阈值的处理等功能。
2 硬件设计
2.1 控制模块
采用Atmega16作为核心处理器，该单片机是AVR系列中最具代表性的一款。它采用精简指令集结构、运行速度快，并且包含PWM信号输出、总线等多种功能[2-3]。
2.2 检测模块
本系统采用新型单片测光芯片BH1750，较好地解决了传统测光系统的弊端。BH1750是半导体制造商ROHM为适应以移动电话手机为首的便携式机器和液晶电视等的
要求而开发出的具有优良光谱灵敏度特性的产品，是数字输出的环境亮度传感器，内部集成16位AD转化器，可实现数字值的直接输出。另外，BH1750与主控制器atmega16通过协议进行通信，而atmega16本身具
有硬件接口容易的特点，在硬件上的运行速率和稳定性又得到提高[4]。
这种集成电路是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围（1lx-65535lx）的光强度变化[5]。由于植物光合作用主要吸收波长范围在400～500nm的蓝光，波长范围600～700 nm的红光，首先采用在透光波段400～500 nm、600～700 nm，透光率为90%的滤光片进行光照检测的预处理；而后应用BH1750光照传感器完对红、蓝光分别进行检测。
2.3 补光模块
根据温室的实际面积确定LED灯个数，LED灯组内红、蓝光LED灯比例根据种植植物不同而改变，红光的阈值3000lux，蓝光的阈值600lux[6]。补光系统全程维持在设定的较好的利用率范围内，满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中智能化、精确化的补光要求。采用单个功率为0.5W的高亮度LED，实际布置如图2所示，外面一周为10个红色LED，分成两组，内圈为四个蓝色LED串联，由系统选择控制红蓝光比例为10∶4或者5∶4。
补光模块采用两路恒流驱动电路，利用PWM 控制技术，分别控制红、蓝光LED补光灯组的亮度，采用12V供电。补光模块包括LED阵列和外部驱动电路，LED阵列由继电器和PWM信号控制，驱动电路采用GS6300驱动模块[7-9]，原理图如图3所示。
2.4 用户交互模块
用户交互模块主要包括液晶显示屏和键盘，其中显示屏采用LCD1602，实现系统数据显示，键盘采用4×4矩阵键盘进行系统参数设置。
3 系统软件
系统软件主要包括传感器解析函数、数据管理与决策程序、PWM信号控制程序、参数设定程序和显示程序，实现了环境因子采集与受控灯组的自动控制功能。系统启动时，先检测是否已完成初始化，若未初始化则进入红蓝光目标光照度阈值设置。由光照传感器检测当前红蓝光光照度，根据滤光片滤光率90%的特性，可计算红蓝光实际光照度，进而判断是否在设定阈值范围内，根据目标光照度计算出红蓝光补光量，并通过调节PWM信号占空比实现红蓝光精确补光。经过周期T，再次检测红蓝光光照度，软件流程图略。
4 结语
该文提出了一种基于Atmega16单片机的植物补光系统，实现了按需、分波长的定量补光方式。在满足植物生长所需光照前提下，最大程度的提高输出光能的利用率，满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中智能化、精确化的补光要求[10]。试验结果表明，该设计采用的PWM补光控制模式中可在满足作物需光量的前提下，提高光能利用率，同时具有反应快，灵活性强的功能。
参考文献
[1] 艾朝霞，姬妍.LED照明光源前景展望[J].榆林学院学报，2006，16（4）：40-42.
[2] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航天航空大学出版社，2007：447-484.
[3] 宋适，刘廷章.基于AVR单片机的LED自适应调光系统[J].电气自动化，2009（31）：33-35.
[4] ROMH公司.BH1750FVI手册[EB/OL].http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/350139/ROHM/BH1750FVI.html.
[5] 何安科.基于STM32与光强传感器BH1750的无线路灯控制系统[J].企业科技与发展，2011（20）：15-17.
[6] 张海辉，杨青，胡瑾，等.可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程学报，2011（9）.
[7] 朱虹.LED照明驱动及自适应调光研究[D].上海：上海大学硕士学位论文，2007.
[8] 胡永光，李萍萍，邓庆安，等.温室人工补光效果的研究及补光光源配置设计[J].江苏理工大学学报，2001，22（3）：37-40.
[9] 王声学，吴广宁，蒋伟，等.LED原理及其照明应用[J].灯与照明，2006，30（4）：32-35.
[10] 王晓明，郭伟玲，高国，等.LED-新一代照明光源[J].现代显示，2005，53（7）：15-19.endprint
摘 要：随着LED照明技术的迅速发展，对LED自适应调光技术的需求越来越强烈。该文以AVR单片机中Atmega16作为控制器，利用基于（Inter Intergrate Circuit）总线的数字型光强度传感器集成电路BH1750FVI采集室内环境光照度，完成LED自适应调光系统的硬件设计和软件编程，最终维持温室箱内植物光照强度在一个设定水平。
关键词：LED BH1750FVI 自适应调光 脉冲宽度调制
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0088-02
随着半导体技术的发展，其成本很快降低，近期出现了LED在植物补光中的应用研究。但已有的补光装置通常采用定光质、定光照度的补光方式，未考虑外界光照条件因素及植物不同生长阶段需光量的差异性，从而造成过度或补光不足现象。根据以上问题，该文设计了一款调动的补光系统。该系统控制对象是微型模型温室，用于小学生观察实验、家庭阳台种植等，充分考虑温度对光合作用的影响，根据植物在不同阶段不同环境下的实际需光量，对植物进行按需分波长定量补光，从而提高能源利用效率。
1 整体方案设计
系统采用模块化设计，包括检测模块、控制模块、补光模块以及用户交互模块，系统原理如图1所示。
其中，电源模块采用12V供电模式；检测模块分波段检测红、蓝光光照度，将检测信号进行处理后传入单片机，实现光照信息的数据采集；控制模块采用Atmega16单片机为核心，根据用户所设阈值以及检测模块采集到的数据，计算对应PWM控制信号的占空比，并输出两路PWM控制信号；补光模块采用多组两路恒流驱动电路，利用PWM控制技术，分别控制红、蓝光LED补光灯组的亮度，考虑到实际大规模应用中LED灯组输出耗电问题采用12V供电；用户交互模块分别采用液晶屏完成检测结果显示，键盘实现对阈值的处理等功能。
2 硬件设计
2.1 控制模块
采用Atmega16作为核心处理器，该单片机是AVR系列中最具代表性的一款。它采用精简指令集结构、运行速度快，并且包含PWM信号输出、总线等多种功能[2-3]。
2.2 检测模块
本系统采用新型单片测光芯片BH1750，较好地解决了传统测光系统的弊端。BH1750是半导体制造商ROHM为适应以移动电话手机为首的便携式机器和液晶电视等的
要求而开发出的具有优良光谱灵敏度特性的产品，是数字输出的环境亮度传感器，内部集成16位AD转化器，可实现数字值的直接输出。另外，BH1750与主控制器atmega16通过协议进行通信，而atmega16本身具
有硬件接口容易的特点，在硬件上的运行速率和稳定性又得到提高[4]。
这种集成电路是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用它的高分辨率可以探测较大范围（1lx-65535lx）的光强度变化[5]。由于植物光合作用主要吸收波长范围在400～500nm的蓝光，波长范围600～700 nm的红光，首先采用在透光波段400～500 nm、600～700 nm，透光率为90%的滤光片进行光照检测的预处理；而后应用BH1750光照传感器完对红、蓝光分别进行检测。
2.3 补光模块
根据温室的实际面积确定LED灯个数，LED灯组内红、蓝光LED灯比例根据种植植物不同而改变，红光的阈值3000lux，蓝光的阈值600lux[6]。补光系统全程维持在设定的较好的利用率范围内，满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中智能化、精确化的补光要求。采用单个功率为0.5W的高亮度LED，实际布置如图2所示，外面一周为10个红色LED，分成两组，内圈为四个蓝色LED串联，由系统选择控制红蓝光比例为10∶4或者5∶4。
补光模块采用两路恒流驱动电路，利用PWM 控制技术，分别控制红、蓝光LED补光灯组的亮度，采用12V供电。补光模块包括LED阵列和外部驱动电路，LED阵列由继电器和PWM信号控制，驱动电路采用GS6300驱动模块[7-9]，原理图如图3所示。
2.4 用户交互模块
用户交互模块主要包括液晶显示屏和键盘，其中显示屏采用LCD1602，实现系统数据显示，键盘采用4×4矩阵键盘进行系统参数设置。
3 系统软件
系统软件主要包括传感器解析函数、数据管理与决策程序、PWM信号控制程序、参数设定程序和显示程序，实现了环境因子采集与受控灯组的自动控制功能。系统启动时，先检测是否已完成初始化，若未初始化则进入红蓝光目标光照度阈值设置。由光照传感器检测当前红蓝光光照度，根据滤光片滤光率90%的特性，可计算红蓝光实际光照度，进而判断是否在设定阈值范围内，根据目标光照度计算出红蓝光补光量，并通过调节PWM信号占空比实现红蓝光精确补光。经过周期T，再次检测红蓝光光照度，软件流程图略。
4 结语
该文提出了一种基于Atmega16单片机的植物补光系统，实现了按需、分波长的定量补光方式。在满足植物生长所需光照前提下，最大程度的提高输出光能的利用率，满足了不同植物在不同生长阶段、不同生长环境中智能化、精确化的补光要求[10]。试验结果表明，该设计采用的PWM补光控制模式中可在满足作物需光量的前提下，提高光能利用率，同时具有反应快，灵活性强的功能。
参考文献
[1] 艾朝霞，姬妍.LED照明光源前景展望[J].榆林学院学报，2006，16（4）：40-42.
[2] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航天航空大学出版社，2007：447-484.
[3] 宋适，刘廷章.基于AVR单片机的LED自适应调光系统[J].电气自动化，2009（31）：33-35.
[4] ROMH公司.BH1750FVI手册[EB/OL].http：//cnpdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/350139/ROHM/BH1750FVI.html.
[5] 何安科.基于STM32与光强传感器BH1750的无线路灯控制系统[J].企业科技与发展，2011（20）：15-17.
[6] 张海辉，杨青，胡瑾，等.可控LED亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程学报，2011（9）.
[7] 朱虹.LED照明驱动及自适应调光研究[D].上海：上海大学硕士学位论文，2007.
[8] 胡永光，李萍萍，邓庆安，等.温室人工补光效果的研究及补光光源配置设计[J].江苏理工大学学报，2001，22（3）：37-40.
[9] 王声学，吴广宁，蒋伟，等.LED原理及其照明应用[J].灯与照明，2006，30（4）：32-35.
[10] 王晓明，郭伟玲，高国，等.LED-新一代照明光源[J].现代显示，2005，53（7）：15-19.endprint
