基于MSP430的智能自適應(yīng)間斷光控系統(tǒng)

摘要：為了克服現(xiàn)有補(bǔ)光系統(tǒng)補(bǔ)光時(shí)間、補(bǔ)光程度不能調(diào)節(jié)，全光譜不能被光合作用充分利用的缺點(diǎn)，系統(tǒng)基于MSP430單片機(jī)，利用光合作用光反應(yīng)速率大于暗反應(yīng)的原理，將持續(xù)補(bǔ)光改進(jìn)為間斷補(bǔ)光，避免浪費(fèi)光反應(yīng)產(chǎn)物，抑制暗反映；由光敏傳感電路檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)，以設(shè)定占空比進(jìn)行間斷補(bǔ)光至最適宜該植物生長(zhǎng)的光強(qiáng)；采用紅色：藍(lán)色為5：1的高亮LED燈組代替普通補(bǔ)光燈，光譜吸收率高。該系統(tǒng)創(chuàng)新、高效、節(jié)能，適合溫室、大棚、家庭等廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：間斷；補(bǔ)光；MSP430；光反應(yīng)；暗反應(yīng)；節(jié)能

0 引言
    傳統(tǒng)的溫室大棚光照系統(tǒng)，在光照強(qiáng)度不夠的情況下就進(jìn)行補(bǔ)光，補(bǔ)光的時(shí)間不能調(diào)節(jié)，是一直亮著的，而且補(bǔ)光的程度都一致，不能調(diào)節(jié)。這樣在有些情況下，不僅會(huì)浪費(fèi)多余的光照，浪費(fèi)了寶貴的電能，不利于節(jié)能減排，而且如果外界環(huán)境中的光照強(qiáng)度加上補(bǔ)光產(chǎn)生
的光照強(qiáng)度的總和超過(guò)了植物的光飽和點(diǎn)，這樣對(duì)于植物的生長(zhǎng)不但沒(méi)有幫助，還會(huì)由于光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)對(duì)植物的光合作用產(chǎn)生抑制作用。傳統(tǒng)補(bǔ)光燈通常為白光，白光中大部分光譜能量都不能被光合作用利用。傳統(tǒng)補(bǔ)光燈的成本，以滿足1 mx1 mx1 m空間補(bǔ)光，電費(fèi)以0．6元／度，一個(gè)月以30天計(jì)算，一盞普通功率40 W，持續(xù)照射1個(gè)月耗能28．8度，需要5盞，合計(jì)電費(fèi)86元，5盞燈售價(jià)約400元，支架、電線約30元，總計(jì)516元，超出大部分農(nóng)戶及家庭的承受能力。因此傳統(tǒng)補(bǔ)光燈不但浪費(fèi)能源，而且價(jià)格高昂，適用性較差。
    本光控裝置，可以依據(jù)當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)變化進(jìn)行間斷補(bǔ)光，將光強(qiáng)補(bǔ)至最適宜該植物生長(zhǎng)的光飽和點(diǎn)，以可調(diào)占空比間斷補(bǔ)光，光飽和點(diǎn)可通過(guò)編程設(shè)定。采用紅色：藍(lán)色為5：1的高亮LED燈組進(jìn)行補(bǔ)光，光合作用利用率最佳。操作簡(jiǎn)單，高效節(jié)能，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    項(xiàng)目系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)采用了美國(guó)TI公司的低功耗MSP430系列芯片作為主控模塊。通過(guò)由光敏電阻為核心的采光模塊對(duì)目前的環(huán)境中的光照強(qiáng)度進(jìn)行采樣，再利用了MSP430系列單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析處理，從而對(duì)具有明顯補(bǔ)光效果的LED陣列補(bǔ)光模塊進(jìn)行控制。
    圖1中，將裝置接入220 V交流電，經(jīng)過(guò)適配器將220 V交流電轉(zhuǎn)化為14 V直流電，為光敏電阻及LED燈組供電。光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)ACD模／數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)MSP430系列單片機(jī)每隔1 s采樣，與單片機(jī)程序預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)(設(shè)光飽和點(diǎn)為18 kLux，一組LED燈組在距離1 m處光強(qiáng)為6 kLux)。當(dāng)外界光照強(qiáng)度大于18 kLux時(shí)不點(diǎn)燈，當(dāng)12 kLux<光強(qiáng)<18 kLux，⑥單片機(jī)給⑦功率放大器點(diǎn)燈控制信號(hào)，點(diǎn)一盞⑩燈；當(dāng)6 kLux<光強(qiáng)<12 kLux，⑥單片機(jī)給⑦⑧功率放大器點(diǎn)燈控制信號(hào)，點(diǎn)兩盞⑩燈；當(dāng)光強(qiáng)<6 kLux，⑥單片機(jī)給⑦⑧⑨功率放大器點(diǎn)燈控制信號(hào)，點(diǎn)三盞⑩燈。
    圖2是圖1中的圖例：(a)為紅色LED燈珠，(b)為藍(lán)色LED燈珠，排列方式如圖2所示。

1．1 采光模塊
    在采光電路，利用MSP430中的VCC作為采光模塊的電源，利用光敏電阻對(duì)于光照的敏感程度所引起的電變化，通過(guò)MSP430 ADC采樣模塊，通過(guò)和已經(jīng)存貯在MSP430中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析，從而確定目前的外界環(huán)境的光照情況。然后，確定出在這種情況下，選擇出最適宜植物生長(zhǎng)的一種系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的模式。再通過(guò)項(xiàng)目中的補(bǔ)光部分對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光。
    采光模塊所采用的光敏電阻是GL5528型號(hào)。具體電路圖如圖3所示。

    此電路設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，在精度方面也基本能夠滿足要求。
1．2 LED補(bǔ)光模塊
    利用MSP430產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)信號(hào)，信號(hào)通過(guò)達(dá)林頓管，讓達(dá)林頓管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于是50％占空比的方波，所以達(dá)林頓管開(kāi)關(guān)時(shí)間由MSP430產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)控制。為了保證足夠光照強(qiáng)度，從而選用了相對(duì)較大功率的LED燈來(lái)進(jìn)行補(bǔ)光。因此，這些LED燈單獨(dú)由一個(gè)14 V的電源供電。
    由于光線光譜的不同會(huì)直接影響到植物光合作用的效率，所以最終選擇LED比例紅：藍(lán)為5：1。
    而為了針對(duì)外界不同的光照環(huán)境進(jìn)行選擇性補(bǔ)光，在項(xiàng)目中，選用了三組LED燈燈組。根據(jù)采光模塊采集到的外界的光照強(qiáng)度，選擇出三組LED燈燈組的亮暗情況。具體電路圖如圖4所示。

1．3 液晶顯示模塊
    液晶型號(hào)為12864，由單片機(jī)控制，顯示當(dāng)前外界光強(qiáng)值和點(diǎn)亮LED燈盞數(shù)。

2 項(xiàng)目系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件部分的編程工作。軟件部分主要包括主函數(shù)，定時(shí)器中斷程序，各部分子程序。
    定時(shí)器A和定時(shí)器B分別控制采光模塊的中斷和LED補(bǔ)光模塊的中斷。具體框圖如圖5所示。

3 裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    對(duì)番茄幼苗采用控制變量法，在向陽(yáng)室內(nèi)的生長(zhǎng)對(duì)比如圖6所示。
    圖6中左邊植物持續(xù)補(bǔ)光，右邊植物以50％占空比間斷補(bǔ)光，補(bǔ)光點(diǎn)設(shè)為番茄光飽和點(diǎn)。
    編號(hào)1～6依次為發(fā)芽15天后每隔3天拍攝一組照片。不補(bǔ)光對(duì)照組未拍攝圖片。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：
    (1)選用50％占空比補(bǔ)光和持續(xù)補(bǔ)光的植物生長(zhǎng)狀況相比，前者更佳。
    (2)補(bǔ)光同不補(bǔ)光植物相比生長(zhǎng)狀況明顯更佳。
    由此得出間斷補(bǔ)光可以代替持續(xù)補(bǔ)光。
    圖7為對(duì)甜瓜幼苗采用控制變量法做同樣實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果。編號(hào)1～6依次為發(fā)芽5天后每隔2天拍攝一組照片。不補(bǔ)光對(duì)照組未拍攝圖片。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象同上。

    由此得出間斷補(bǔ)光可以代替持續(xù)補(bǔ)光。
    成本核算：以滿足1 mx1 mx1 m空間補(bǔ)光，電費(fèi)以0．6元／度，一個(gè)月以30天計(jì)算。每組LED功率為1．5 W，持續(xù)照射1個(gè)月耗電1．08度，需要6組燈，合計(jì)電費(fèi)為3．888元。MSP430單片機(jī)+ADC+液晶顯示器共100元，采用LED排組48顆／組×6組共120元，機(jī)箱、開(kāi)關(guān)、電線、PCB板、支架共50元，總計(jì)約274元。批量生產(chǎn)后每套設(shè)備成本可降至200元以下，因此整套裝置成本即低于傳統(tǒng)非LED補(bǔ)光燈，與普通LED補(bǔ)光燈相比亦節(jié)約一半電費(fèi)，使用更長(zhǎng)時(shí)間將節(jié)省更多開(kāi)支。

4 結(jié)語(yǔ)
    本裝置以50％占空比間斷補(bǔ)光節(jié)省一半電能，提高光合作用效率；補(bǔ)光至光飽和點(diǎn)，節(jié)省過(guò)渡補(bǔ)光時(shí)那部分電能；以紅藍(lán)光譜補(bǔ)光，避免多余光譜浪費(fèi)能量；成本低廉，操作方便。有良好的可操作性和應(yīng)用前景。