略談補光系統的設計及應用論文

　　1系統硬體設計

　　系統硬體以STC12C5A60S2微控制器為處理核心，採用標準介面電路5V電源供電;時鐘模組的主體晶片DS1302可以對年、月、日、週日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能;液晶顯示模組採用OCM12864－3128×64點陣型液晶，可顯示各種字元及圖形;按鍵則用4×4排列原理，直接購買了按鍵貼膜，透過8根排線直接與主機板連線。微控制器基本外圍電路中晶振頻率為12MHz，兩路紅綠指示燈方便程式的除錯。系統透過紅藍光濾光片和ISL29010光感測器監測環境中紅藍光光照強度。

　　1．1控制模組

　　控制模組以51微控制器為處理核心，外圍連線鍵盤、LCD和感測器等外設，採用標準介面電路5V電源供電，其中:P0口連線液晶屏的8路資料口;P2口連線4*4矩陣鍵盤;P3．0和P3．1用於微控制器與串列埠連線的資料讀寫線，完成程式的下載;P3．2～P3．7為液晶控制端;P4．2和P4．3為微控制器PWM控制端輸出口。採用內部分頻技術實現對PWM訊號頻率的控制，將輸出頻率降至300Hz，實現植物補光的溫室精確控制。

　　1．2檢測模組

　　檢測模組利用紅藍光濾光片和ISL29010光照感測器實時檢測設施內部紅藍光光照強度，並將採集資料提供給微控制器進行處理。濾光片採用高通濾光片和低通濾光片兩種，分別將自然光中600～700nm和400～500nm的紅藍光提取出來，透過ISL29010光照感測器檢測出紅藍光強，上傳給微控制器進行相應處理，從而實現環境中紅藍光強檢測。

　　1．3補光模組

　　補光模組包括LED補光燈陣列和驅動電路，LED補光燈陣列由波600～700nm的窄帶紅光和波長400～500nm的窄帶藍光組成。驅動電路採用PT4107為核心控制晶片，利用繼電器來控制外接市電電源為核心控制晶片供電，當滿足外部調光條件繼電器導通時，其接收單片機發送PWM控制訊號實現對調節燈組亮度的調節。

　　2系統軟體設計

　　系統採用模組化和多控制模式的設計思路，以IAR為軟體開發平臺，採用C語言完成系統軟體開發，分別設計了資料採集程式、專家指導程式、定量控制程式、按鍵程式、顯示程式和計時程式，實現各模組對應功能及資料傳輸。其專家指導程式以櫻桃生長各生境引數為標準進行設定，設計了基於專家規則的溫室光環境調控方法，實現了手動和自動兩種階段轉換方式，可根據當前階段資訊自行計算紅藍光PWM值和需補光量，完成不同階段的按需智慧補光。以番茄為例，其每個階段的生長累積時間和適宜光強各不相同。如在番茄的初花期、盛花期和末花期3個階段，其階段累積時間和適宜光強系統可以根據番茄這一階段特性進行專家規則的修定，對番茄在不同階段進行生長時間的`模擬累積和光強檢測，透過專家規則實現階段引數的智慧調控和不同階段的按需定量補光。系統針對當前生長階段資訊，基於專家系統，根據不同階段需光量的差異性，設定該階段需補光量和當前累積補光時間，透過對外界光強的監測，採用PWM技術控制LED補光燈陣列工作電流，同時統計該階段尚需工作時間，實現對植物的分階段按需定量補光。由於同類植物生長的微弱差異，系統提供手動引數修改與階段強制調整功能，從而提高了系統的通用性。

　　3系統功能實現

　　本系統以櫻桃為目標作物，分為休眠期、萌芽期、開花期、幼果期、落果期和收穫期，每個時期所需時間和補光量各不相同。基於各階段生長時間和補光量資訊的專家規則，完成相應階段時間累積後跳入下個階段，自動呼叫下階段相關引數，實現定量補光。為了驗證裝置的效能，於西北農林科技大學櫻桃實驗基地對系統進行了除錯驗證。系統執行到開花期時的實時資訊，包括開花期的需補光量和距離下階段的時間。當手動強制進入下階段(即進入幼果期)後，由於前後兩階段需光量的不同，對應的PWM值也會不同，系統所輸出PWM佔空比也會隨之變化。開花期和幼果期兩階段的PWM值輸出佔空比訊號。以上說明系統可完成各項功能要求，證明了系統的可實現性和正確性。

　　4結論

　　1)系統研究實現了基於專家規則的動態智慧補光系統，其結合時下熱門的專家系統，對植物各生境引數進行設定，透過系統監測到的實時光照資訊，完成不同階段植物需光量計算，實現了對植物的分階段按需精確補光。

　　2)與其他補光系統相比，運用DS1302時鐘晶片對植物生長累積時間進行模擬，採用專家系統對櫻桃生長各生境引數進行設定，根據植物生長特性自動進行階段轉換，實現了分階段按需定量補光。

　　3)經驗證表明，該系統具有良好的穩定性，可以滿足在不同階段對不同植物進行按需精確補光的要求，促進了植物的生長，極大地提高了溫室作物的產量和效益，帶動了相關農業又好又快發展。