基于太阳能的LED食用菌补光控制系统设计

杨秀增，韦树贡

(广西民族师范学院物理与电子工程学院，广西 崇左532200)

0 引言

食用菌是一种大型真菌，食用菌子实体不仅含有人体必需的营养成分，还含有抗癌、抗菌抗病毒、促进消化、降血糖、通便利尿和提高人体免疫力的生物活性物质。随着人们生活质量的提高，食用菌不仅是重要绿色食物，还成为重要的保健品，越来越来受到广大消费者的青睐。

研究表明，光照不仅影响食用菌菌丝生长，还会影响食用菌的产量与品质，但不同品种食用菌对不同波长可见光的反应各异[1-3]。因此，在食用菌的工业化生产中，根据食用菌的生长情况，及时对食用菌进行补光，是提高食用菌产量和品质的重要保障。

然而，目前对食用菌补光控制系统的研究报道较少，本文利用太阳能LED节能技术，设计食用菌智能补光控制系统，系统由太阳能电池板组件、太阳能充电管理模块、锂电池、LED补光灯、单片机控制器、定时器模块、键盘、LCD显示器和光照传感器组成，补光强度和补光时间可以设置。该补光控制系统的研究及应用，有利于提高工厂化栽培食用菌的产量和品质[4-5]。

1 总体框架

食用菌补光控制系统总体框架如图1所示，该系统由太阳能电池板组件、太阳能充电管理模块、锂电池、LED补光灯、单片机控制器、定时器模块、键盘、LCD显示器和光照传感器组成[6-9]。

太阳能电池板组件把光能转换成电能，电能通过太阳能充电管理模块，被高效地储存在锂电池中。LED恒流驱动电源模块作用是把锂电池中的电能转换成恒定电流，供给LED补光灯使用。定时器模块作用是给补光系统提供定时时钟，定时时间由键盘设置。光照传感器模块作用是检测菇房中LED补光灯发出的光线强度。LCD显示器作用是实时显示定时时间、光照强度值及其他值。

2 硬件设计

2.1太阳能充电管理模块

太阳能充电管理模块电路设计，采用锂电池充电管理芯片CN3722。CN3722是如韵电子有限公司的一片PWM降压型太阳能电池充电管理芯片，具备最大功率跟踪(MPPT)功能。CN3722还具有恒流、恒压充电模式，非常适合锂电池充电，其典型应用电路如图2所示，M1为P沟道MOS场效应晶体管，其栅极连接CN3722的内部驱动电路。M1、D1、D2和L构成降压型DCDC开关电路，D2为续流二极管，输出电压由MOS管M1的占空比决定。Rc为电流取样电阻，其取值大小决定电流大小。电路中其他元件的作用可参考如韵电子有限公司CN3722芯片手册。

2.2定时器模块

定时器模块电路原理如图3所示，采用美国DALLAS公司高性能和低功耗的实时时钟芯片DS1302进行设计。该时钟芯片具有双电源供电模式，芯片第8引脚接上可充电的蓄电池，可作为备用电源使用。第1引脚上的电压VCC2为主电源，当1引脚主电源VCC2的电压小于8引脚备用电源时，备用电源给芯片供电。2、3引脚外接的32.768 kHz晶振为本芯片提供计时数字脉冲。5、6和7引脚为芯片的串行通信引脚，5脚为片选控制端，在读写数据时，该引脚必须通高电压；6引脚为串行双向数据线，7引脚为串行时钟输入端，其读写时序，可参考芯片数据手册。

2.3光照传感器模块电路

光照传感器模块电路设计原理如图4所示，为提高测量精度，采用BH1750进行设计。BH1750是一款集光信号采集、放大和模数转换于一体的光传感集成电路。BH1750内置16位的模数转换器，用户通过相关指令，可把芯片设置为高、中和低3种分辨率测量模式，分辨率分别为0.5、1和4 LUX。BH1750内部还集成了I2C通信接口，芯片通过I2C数据总路线与外部的CPU进行通信，SCL为输入时钟信号，SDA为数据信号。电路设计如图4所示，单片机通过P1.3和P1.4口，再通过SCL和SDA与BH1750R进行通信，C1为滤波电容，C2复位电容，R1和R2为上拉电阻。

2.4LED恒流驱动电源模块

补光控制系统恒流驱动电源模块电路原理如图5所示，采用一片升压型(Boost)恒流驱动芯片XL6006进行设计[10-11]。此芯片具有5～32 V直流输入电压能力，芯片的输出驱动能力高达60V5A，转换效率最高可到90%以上。在XL6006内部集成高压功率MOSFET开关管。

如图5所示，L为大功率储能电感器件，D1为续流二极管，当XL6006内部的开关管闭合时，XL6006第3引脚接地，二极管D1反偏截止，电感器中的电流增大，电感器储能；当XL6006内部的开关管断开时，XL6006第3引脚悬空，二极管D1正偏导通，电感器放电，电流流向负载LED。R1和R2为分压电路，储电池的电压通过分压电路分压之后，输到单片机的第1脚进行模数转换，以便系统能实时监控电池的电压。单片机P2.0口是补光系统的控制口，当P2.0为低电压时，三极管T1导通，XL6006的第2脚为低电压，迫使XL6006内部电路停止工作；相反，当P2.0为高电压时，三极管T1截止，XL6006的第2脚为高电压，XL6006内部电路工作；RS为电流取样电阻，D3和RF为功率控制电路，可以控制驱动电源输出功率。

3 软件设计

图6为补光控制系统的单片机主程序算法流程，上电时，单片机首先对控制系统进行初始化，然后从FLASH中读取补光时间数据和当前时间信息，分析二者时间数据，判断当前时间是否为补光时间，如果当前时间是补光时间，则单片机把P2.0设置高电压，开启XL6006内部震荡电路，使XL6006输出恒定电流，补光控制系统开始进入补光工作模式。成功开启补光工作模式后，单片机通过光照传感器读取当前光数值，并把补光设定光强强度与当前读到的光强强度进行比较，单片机根据比较的结果调节恒流电源的输出功率，使补光系统输出的功率达到要求。

4 系统测试

根据以上原理试制成样机，开始对样机进行测试。测试时，通过键盘输入补光时间段和不同的补光强度，然后启动系统，让单片机根据设定值自动调节LED恒流电源模块的输出功率，等待系统工作稳定后，记录每次测量结果。测试结果如表1所示，补光系统在光照强度较小时，误差较大，光照度较大时，误差较小，满足设计要求。

表1 系统补光测试结果

5 结束语

食用菌的生长分为菌丝发育阶段和子实体发育阶段，光是食用菌生长的重要环境因子。在菌丝生长阶段是不需要光照的，但食用菌原基形成则需要一定的散射光照。在工厂化生产食用菌过程中，对食用菌进行合理的补光处理，是重要的生产环节，也是提高产品产量的重要措施。目前对食用菌补光系统研究较少，本文利用太阳能和LED绿色节能技术，设计食用菌智能补光控制系统，测量表明，该系统工作稳定，有一定推广和实用价值。