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)有補光系統(tǒng)補光時間、補光程度不能調(diào)節(jié)，全光譜不能被光合作用充分利用的缺點，系統(tǒng)基于MSP430單片機，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)補光改進為間斷補光，避免浪費光反應(yīng)產(chǎn)物，抑制暗反映；由光敏傳感電路檢測當(dāng)前環(huán)境光強，以設(shè)定占空比進行間斷補光至最適宜該植物生長的光強；采用紅色：藍色為5：1的高亮LED燈組代替普通補光燈，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)，在光照強度不夠的情況下就進行補光，補光的時間不能調(diào)節(jié)，是一直亮著的，而且補光的程度都一致，不能調(diào)節(jié)。這樣在有些情況下，不僅會浪費多余的光照，浪費了寶貴的電能，不利于節(jié)能減排，而且如果外界環(huán)境中的光照強度加上補光產(chǎn)生
的光照強度的總和超過了植物的光飽和點，這樣對于植物的生長不但沒有幫助，還會由于光照強度過強對植物的光合作用產(chǎn)生抑制作用。傳統(tǒng)補光燈通常為白光，白光中大部分光譜能量都不能被光合作用利用。傳統(tǒng)補光燈的成本，以滿足1 mx1 mx1 m空間補光，電費以0．6元／度，一個月以30天計算，一盞普通功率40 W，持續(xù)照射1個月耗能28．8度，需要5盞，合計電費86元，5盞燈售價約400元，支架、電線約30元，總計516元，超出大部分農(nóng)戶及家庭的承受能力。因此傳統(tǒng)補光燈不但浪費能源，而且價格高昂，適用性較差。
    本光控裝置，可以依據(jù)當(dāng)前環(huán)境光強變化進行間斷補光，將光強補至最適宜該植物生長的光飽和點，以可調(diào)占空比間斷補光，光飽和點可通過編程設(shè)定。采用紅色：藍色為5：1的高亮LED燈組進行補光，光合作用利用率最佳。操作簡單，高效節(jié)能，價格低廉，應(yīng)用廣泛。

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

    系統(tǒng)采用了美國TI公司的低功耗MSP430系列芯片作為主控模塊。通過由光敏電阻為核心的采光模塊對目前的環(huán)境中的光照強度進行采樣，再利用了MSP430系列單片機對其進行分析處理，從而對具有明顯補光效果的LED陣列補光模塊進行控制。
    圖1中，將裝置接入220 V交流電，經(jīng)過適配器將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。光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)ACD模／數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)MSP430系列單片機每隔1 s采樣，與單片機程序預(yù)設(shè)值進行比對(設(shè)光飽和點為18 kLux，一組LED燈組在距離1 m處光強為6 kLux)。當(dāng)外界光照強度大于18 kLux時不點燈，當(dāng)12 kLux<光強<18 kLux，⑥單片機給⑦功率放大器點燈控制信號，點一盞⑩燈；當(dāng)6 kLux<光強<12 kLux，⑥單片機給⑦⑧功率放大器點燈控制信號，點兩盞⑩燈；當(dāng)光強<6 kLux，⑥單片機給⑦⑧⑨功率放大器點燈控制信號，點三盞⑩燈。
    圖2是圖1中的圖例：(a)為紅色LED燈珠，(b)為藍色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，利用光敏電阻對于光照的敏感程度所引起的電變化，通過MSP430 ADC采樣模塊，通過和已經(jīng)存貯在MSP430中的數(shù)據(jù)進行對比、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的一種系統(tǒng)中對應(yīng)的模式。再通過項目中的補光部分對植物進行補光。
    采光模塊所采用的光敏電阻是GL5528型號。具體電路圖如圖3所示。

    此電路設(shè)計思路簡單，容易實現(xiàn)，在精度方面也基本能夠滿足要求。
1．2 LED補光模塊
    利用MSP430產(chǎn)生控制開關(guān)信號，信號通過達林頓管，讓達林頓管工作在開關(guān)狀態(tài)。由于是50％占空比的方波，所以達林頓管開關(guān)時間由MSP430產(chǎn)生的開關(guān)信號控制。為了保證足夠光照強度，從而選用了相對較大功率的LED燈來進行補光。因此，這些LED燈單獨由一個14 V的電源供電。
    由于光線光譜的不同會直接影響到植物光合作用的效率，所以最終選擇LED比例紅：藍為5：1。
    而為了針對外界不同的光照環(huán)境進行選擇性補光，在項目中，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
    液晶型號為12864，由單片機控制，顯示當(dāng)前外界光強值和點亮LED燈盞數(shù)。

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

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

    由此得出間斷補光可以代替持續(xù)補光。
    成本核算：以滿足1 mx1 mx1 m空間補光，電費以0．6元／度，一個月以30天計算。每組LED功率為1．5 W，持續(xù)照射1個月耗電1．08度，需要6組燈，合計電費為3．888元。MSP430單片機+ADC+液晶顯示器共100元，采用LED排組48顆／組×6組共120元，機箱、開關(guān)、電線、PCB板、支架共50元，總計約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補光燈，與普通LED補光燈相比亦節(jié)約一半電費，使用更長時間將節(jié)省更多開支。

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