MSP430单片机在调控LED植物智能补光系统中的应用

MSP430单片机在调控LED植物智能补光系统中的应用
中国是一个发展中的农业大国，农业问题始终是关系到中国经济社会发展的根本问题。

在我国, 农业的现状在极大程度上依然按传统方式, 高成本, 低效率, 投入较高, 产值较低, 这些特征使得农业成为国民经济中亟待发展的一环。

科学研究表明，光照度和光质对植物的光合作用、生长发育、物质代谢及结构形态等具有重要影响，其中380～760 nm 可见光波段是决定光合作用最重要的光照波段，但有效吸收波段主要为其中红、蓝两波段。

对农作物使用红、蓝光进行补光，使其处于最佳生长环境中，可以很大程度提高农作物产量，缓解我国的农业问题，为人们提供更加新鲜、高质量与高效的农产品。

同时，本项目采用了新光源LED灯（发光二极管，lighting emitting diode，简称LED）。

与目前传统光源（白炽灯、日光灯、高压钠灯）相比，拥有光源纯、波长类型多、节能环保、使用寿命长、发热少和易于控制等优点，更有利于节约能源。

同时我们设计的植物智能补光系统可以根据不同植物在不同生长阶段的需光量不同，进行精准化定量补光，从而能以最少的能耗使植物处于最佳生长状态。

本项目以LED植物智能补光系统为研究对象，通过科学的研究与分析，最终做成一个基于单片机的LED植物智能补光系统的模拟机。

在此系统工作前预先设定好该时期植物生长所需的温度、红蓝光照度阀值，温度传感器对温室内温度进行检测，当温度高于促进光合作用的温度阀值时，再分别对红、蓝光照度进行检测，实际光照度在
阀值以内时，系统可以自动对补光状态，根据所设阈值与实际值之差计算实际需光量，进而再根据与实际需光量对应的两路PWM 控制信号的占空比，分别产生对应的PWM 信号，达到控制LED 灯组的亮度对植物实施精确补光的目的。

从而保证植物一直处于最佳生长状态。

2 系统硬软件设计
2.1系统整体结构
整个系统由五个模块组成，分别是控制模块、检测模块、电源模块、补光模块和用户交换模块组成。

电源模块分别产生12V，5V和3.3V的稳定直流电为其他各模块供电。

检测模块将检测到的红蓝光光照度和温度送给控制模块，控制模块根据用户交换模块得到的阈值，计算出准确的补光量，送入补光模块进行补光和用户交换模块进行显示。

各个模块相互协作，从而保证系统的正常工作。

2.2功能模块介绍
2.2.1单片机控制模块
单片机选择MSP430F149单片机，是一款功能强大的16位微控制器，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的27 条内核指令以及
大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

超低功耗、运算速度快能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等），且具有非常丰富的片上资源，如：丰富的管脚，强大的定时器，中断源多，可以任意嵌套，使用时灵活方便，大容量的RAM和ROM，而且内部集成了A/D转换器，具有较强的应用价值。

2.2.2键盘输入模块
选用4个轻触按键开关。

轻触式按键超小超薄，管脚简单，使用方便。

由于我们在不同功能中按键复用，所以我们整个系统操作只需要4个按键，更加简洁方便。

2.2.3电源模块
本系统的控制器采用3.3V供电，并采用LM7805和AMS1117-3.3进行稳压，对单片机、检测模块以及用户交互模块分别使用3.3V和5V 电源供电。

对LED 补光模块单独提供12V 的稳定直流电压。

由于补光模块功耗较大，对补光模块的单独供电，保证了单片机最小系统工作的稳定性，和整个系统工作的流畅性。

2.2.4检测模块
检测模块利用硅光电池作为传感器、温度传感器实时检测设施内
部光照强度和温度，并将采集数据提供给单片机进行处理。

其中，温度检测模块由数字温度传感器DS18B20 及其标准调理电路组成，数据线接入单片机P2．3 口，实现对温度的采集。

光照检测包括红光光照度检测和蓝光光照度检测，采用波长范围在400 ～500nm 的蓝光S116EG硅光电池和波长范围600 ～700nm 的红光S116EG硅光电池作为检测元件，分别对温室内的红光与蓝光光照度进行检测。

采用4路运算放大器LM324 设计运算放大器将光照传感器的微弱模拟电流信号分别转化成模拟电压信号并进行放大，最终将模拟电压信号接入单片机P6．0，P6．1 端口，通过单片机内部A/D 进行模数转换，从而实现分波段光照度检测。

2.2.5液晶显示模块
液晶显示模块选用12864液晶显示屏，屏幕宽大，显示清晰，提供了良好的人机界面。

2.2.6补光模块
补光模块包括LED 灯组及其驱动电路，驱动电路采用PT4115 驱动模块电路，如图3所示，红光和蓝光两个模块独立工作。

其中，LED 灯组采用各3个额定功率1W、中心波长为660nm 的窄带红光LED灯和中心波长为450nm 的窄带蓝光LED灯。

由单片机输的两路PWM 信号分别与红蓝光两路PT4115的DIM 控制端相连，其中红光驱动芯片与单片机的P1．2 端口连接，蓝光则与单片机P1．3 端
口连接。

利用PWM 的信号控制驱动芯片PT4115 的输出电流，由此实现红蓝LED 灯组的定量补光。

2.2 软件设计
本系统采用开发环境是IAR7，本系统用C语言编程,软件采用模块化结构程序设计方式。

3 功能实现
通过按键控制系统，输入不同植物在不同生长阶段所需要的温度和光照度阈值。

再通过传感器实时检测温室内环境温度和光照度，当检测的温度低于温度阈值时，系统处于待机状态；当检测的温度高于温度阈值时，根据红、蓝光所设阈值和实际值之差计算实际补光量，通过脉宽调制（PWM）信号控制红、蓝光LED灯组亮度，实现作物按红蓝光照度需定量进行智能补光。

同时，在遇到特殊情况时，还可以手动调节LED灯组亮度，手动控制对植物的补光量。

从而避免不同植物在不同生长阶段补光不足或过度的问题，以提高能源利用率，达到精确化，智能化，低能耗的特点。

4 总结
实验结果表明，由于植物在低温下光合作用弱，所以当温度大于温度阈值时要进行补光，促进植物光合作用，光照度始终维持在设定温度。

如上图液晶显示所示，假定一个温度阈值，当实际温度上升时，进行自动补光来确保植物生长所需光量。

本系统采用了MSP430单片机，通过按键和传感器将外部信息传给单片机，从而控制液晶显示模块数据显示以及进行阈值比较，采用脉宽调制信号控制红蓝光LED 亮度，提高了光的利用率，减少能耗，同时能手动调节补光，反应快适应性强，具有很好的实际意义。

参考文献
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