略談補光系統的設計及應用論文
1系統硬件設計
系統硬件以STC12C5A60S2單片機為處理核心，采用標準接口電路5V電源供電;時(shí)鐘模塊的主體芯片DS1302可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計時(shí)，具有閏年補償功能;液晶顯示模塊采用OCM12864－3128×64點(diǎn)陣型液晶，可顯示各種字符及圖形;按鍵則用4×4排列原理，直接購買(mǎi)了按鍵貼膜，通過(guò)8根排線(xiàn)直接與主板連接。單片機基本外圍電路中晶振頻率為12MHz，兩路紅綠指示燈方便程序的調試。系統通過(guò)紅藍光濾光片和ISL29010光傳感器監測環(huán)境中紅藍光光照強度。
1．1控制模塊
控制模塊以51單片機為處理核心，外圍連接鍵盤(pán)、LCD和傳感器等外設，采用標準接口電路5V電源供電，其中:P0口連接液晶屏的8路數據口;P2口連接4*4矩陣鍵盤(pán);P3．0和P3．1用于單片機與串口連接的數據讀寫(xiě)線(xiàn)，完成程序的下載;P3．2～P3．7為液晶控制端;P4．2和P4．3為單片機PWM控制端輸出口。采用內部分頻技術(shù)實(shí)現對PWM信號頻率的控制，將輸出頻率降至300Hz，實(shí)現植物補光的溫室精確控制。
1．2檢測模塊
檢測模塊利用紅藍光濾光片和ISL29010光照傳感器實(shí)時(shí)檢測設施內部紅藍光光照強度，并將采集數據提供給單片機進(jìn)行處理。濾光片采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(lái)，通過(guò)ISL29010光照傳感器檢測出紅藍光強，上傳給單片機進(jìn)行相應處理，從而實(shí)現環(huán)境中紅藍光強檢測。
1．3補光模塊
補光模塊包括LED補光燈陣列和驅動(dòng)電路，LED補光燈陣列由波600～700nm的窄帶紅光和波長(cháng)400～500nm的窄帶藍光組成。驅動(dòng)電路采用PT4107為核心控制芯片，利用繼電器來(lái)控制外接市電電源為核心控制芯片供電，當滿(mǎn)足外部調光條件繼電器導通時(shí)，其接收單片機發(fā)送PWM控制信號實(shí)現對調節燈組亮度的調節。
2系統軟件設計
系統采用模塊化和多控制模式的設計思路，以IAR為軟件開(kāi)發(fā)平臺，采用C語(yǔ)言完成系統軟件開(kāi)發(fā)，分別設計了數據采集程序、專(zhuān)家指導程序、定量控制程序、按鍵程序、顯示程序和計時(shí)程序，實(shí)現各模塊對應功能及數據傳輸。其專(zhuān)家指導程序以櫻桃生長(cháng)各生境參數為標準進(jìn)行設定，設計了基于專(zhuān)家規則的溫室光環(huán)境調控方法，實(shí)現了手動(dòng)和自動(dòng)兩種階段轉換方式，可根據當前階段信息自行計算紅藍光PWM值和需補光量，完成不同階段的按需智能補光。以番茄為例，其每個(gè)階段的生長(cháng)累積時(shí)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(gè)階段，其階段累積時(shí)間和適宜光強系統可以根據番茄這一階段特性進(jìn)行專(zhuān)家規則的修定，對番茄在不同階段進(jìn)行生長(cháng)時(shí)間的`模擬累積和光強檢測，通過(guò)專(zhuān)家規則實(shí)現階段參數的智能調控和不同階段的按需定量補光。系統針對當前生長(cháng)階段信息，基于專(zhuān)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(shí)間，通過(guò)對外界光強的監測，采用PWM技術(shù)控制LED補光燈陣列工作電流，同時(shí)統計該階段尚需工作時(shí)間，實(shí)現對植物的分階段按需定量補光。由于同類(lèi)植物生長(cháng)的微弱差異，系統提供手動(dòng)參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(shí)現
本系統以櫻桃為目標作物，分為休眠期、萌芽期、開(kāi)花期、幼果期、落果期和收獲期，每個(gè)時(shí)期所需時(shí)間和補光量各不相同�；诟麟A段生長(cháng)時(shí)間和補光量信息的專(zhuān)家規則，完成相應階段時(shí)間累積后跳入下個(gè)階段，自動(dòng)調用下階段相關(guān)參數，實(shí)現定量補光。為了驗證設備的性能，于西北農林科技大學(xué)櫻桃實(shí)驗基地對系統進(jìn)行了調試驗證。系統運行到開(kāi)花期時(shí)的實(shí)時(shí)信息，包括開(kāi)花期的需補光量和距離下階段的時(shí)間。當手動(dòng)強制進(jìn)入下階段(即進(jìn)入幼果期)后，由于前后兩階段需光量的不同，對應的PWM值也會(huì )不同，系統所輸出PWM占空比也會(huì )隨之變化。開(kāi)花期和幼果期兩階段的PWM值輸出占空比信號。以上說(shuō)明系統可完成各項功能要求，證明了系統的可實(shí)現性和正確性。
4結論
1)系統研究實(shí)現了基于專(zhuān)家規則的動(dòng)態(tài)智能補光系統，其結合時(shí)下熱門(mén)的專(zhuān)家系統，對植物各生境參數進(jìn)行設定，通過(guò)系統監測到的實(shí)時(shí)光照信息，完成不同階段植物需光量計算，實(shí)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(shí)鐘芯片對植物生長(cháng)累積時(shí)間進(jìn)行模擬，采用專(zhuān)家系統對櫻桃生長(cháng)各生境參數進(jìn)行設定，根據植物生長(cháng)特性自動(dòng)進(jìn)行階段轉換，實(shí)現了分階段按需定量補光。
3)經(jīng)驗證表明，該系統具有良好的穩定性，可以滿(mǎn)足在不同階段對不同植物進(jìn)行按需精確補光的要求，促進(jìn)了植物的生長(cháng)，極大地提高了溫室作物的產(chǎn)量和效益，帶動(dòng)了相關(guān)農業(yè)又好又快發(fā)展。
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