基於MSP430的智能自適應間斷光控系統

2020-11-27 電子產品世界

摘要：為了克服現有補光系統補光時間、補光程度不能調節，全光譜不能被光合作用充分利用的缺點，系統基於MSP430單片機，利用光合作用光反應速率大於暗反應的原理，將持續補光改進為間斷補光，避免浪費光反應產物，抑制暗反映；由光敏傳感電路檢測當前環境光強，以設定佔空比進行間斷補光至最適宜該植物生長的光強；採用紅色：藍色為5：1的高亮LED燈組代替普通補光燈，光譜吸收率高。該系統創新、高效、節能，適合溫室、大棚、家庭等廣泛應用。
關鍵詞：間斷；補光；MSP430；光反應；暗反應；節能

0 引言
傳統的溫室大棚光照系統，在光照強度不夠的情況下就進行補光，補光的時間不能調節，是一直亮著的，而且補光的程度都一致，不能調節。這樣在有些情況下，不僅會浪費多餘的光照，浪費了寶貴的電能，不利於節能減排，而且如果外界環境中的光照強度加上補光產生
的光照強度的總和超過了植物的光飽和點，這樣對於植物的生長不但沒有幫助，還會由於光照強度過強對植物的光合作用產生抑制作用。傳統補光燈通常為白光，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，超出大部分農戶及家庭的承受能力。因此傳統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，可以依據當前環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，以可調佔空比間斷補光，光飽和點可通過編程設定。採用紅色：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，高效節能，價格低廉，應用廣泛。

1 系統硬體設計
項目系統硬體框圖如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/170520.htm


系統採用了美國TI公司的低功耗MSP430系列晶片作為主控模塊。通過由光敏電阻為核心的採光模塊對目前的環境中的光照強度進行採樣，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，經過適配器將220 V交流電轉化為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換為電信號，經ACD模／數轉換器轉換為數位訊號，經MSP430系列單片機每隔1 s採樣，與單片機程序預設值進行比對(設光飽和點為18 kLux，一組LED燈組在距離1 m處光強為6 kLux)。當外界光照強度大於18 kLux時不點燈，當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 採光模塊
在採光電路，利用MSP430中的VCC作為採光模塊的電源，利用光敏電阻對於光照的敏感程度所引起的電變化，通過MSP430 ADC採樣模塊，通過和已經存貯在MSP430中的數據進行對比、分析，從而確定目前的外界環境的光照情況。然後，確定出在這種情況下，選擇出最適宜植物生長的一種系統中對應的模式。再通過項目中的補光部分對植物進行補光。
採光模塊所採用的光敏電阻是GL5528型號。具體電路圖如圖3所示。


此電路設計思路簡單，容易實現，在精度方面也基本能夠滿足要求。
1．2 LED補光模塊
利用MSP430產生控制開關信號，信號通過達林頓管，讓達林頓管工作在開關狀態。由於是50％佔空比的方波，所以達林頓管開關時間由MSP430產生的開關信號控制。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。
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