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微型植物工厂补光控制系统设计

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月30日 10:03:34

史维东,贾鹤鸣,朱传旭,张 森,邢致恺,强 韬

(东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

摘 要:基于STM32F103C8T6单片机设计了一种适用于微型植物工厂的LED补光灯组控制系统,介绍了微型植物工厂补光控制系统的整体设计,详细阐述了单片机系统、传感器系统、人机交互系统、补光系统、供电系统的硬件设计以及微型植物工厂补光控制系统的软件设计,指出该系统根据光照强度传感器采集的数据,并通过STM32系列单片机强大的中断服务系统,实现对LED补光灯组的光照强度的精确控制与调整,完全满足了系统的设计要求,提供了满足植物优化生长的最适光照条件。

关键词:自动控制;单片机;植物工厂;植物生长;补光灯控制;数据采集

中图分类号:TP273;S31文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.102

近年来,随着工业化进程的逐步加快和全球人口的进一步增长,人类对赖以生存的地球环境破坏得越来越严重。全球变暖、土地污染、水土流失等问题的出现,使得仅有的可供种植的土地面积进一步减少。植物工厂控制系统是一种新型的资源节约型绿色环保控制系统,该理念最早是由日本学者提出的[1]。简而言之,就是运用技术手段,采集环境因子,并通过控制系统自动控制环境因子,使植物始终处于最适生长环境,从而达到缩短植物生长时间、提高产量的目的[2]。

光是影响植物生长发育的重要因子之一,对植物的生长发育、形态建成乃至植物体内的基因表达均具有重要的调控作用[3]。因此,补光系统在植物工厂控制系统中的作用很大。植物工厂发光二极管(Light Emitting Diode,LED)灯光调节控制系统的重点在于调节和控制。笔者设计的LED补光系统主要从光照强度方面入手,根据不同植物的需求,设定最适光照强度,然后利用单片机和光照强度传感器形成反馈控制,达到调节光照强度的目的。

1 微型植物工厂补光控制系统的整体设计

微型植物工厂补光控制系统主要包括单片机系统、传感器系统、人机交互系统、补光系统和供电系统。传感器系统的光照强度传感器采集光照强度信息,并将光照强度信息进行处理,转换为数字信号,最后传输到单片机系统。单片机系统采用STM32系列单片机作为主控芯片,芯片内部先设置好总的调控逻辑,将传感器系统的数字信号处理后,产生脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号,传输到补光系统。补光系统主要由LED驱动和LED补光灯组组成,LED驱动将单片机系统传入的PWM信号进行处理,进而控制LED补光灯的亮度。人机交互系统主要包括液晶显示屏和键盘,液晶显示屏主要用于显示植物工厂内部的光照强度信息,键盘主要用于改变光照强度的设定值。供电系统由一个12 V开关电源供电,光照强度传感器和STM32系列单片机需要3.3 V供电,液晶显示屏和键盘需要5 V供电,LED补光灯组需要12 V供电。

2 微型植物工厂补光控制系统的硬件设计

2.1单片机系统

单片机系统作为整个系统的控制核心,它的处理能力和运行速度关系到整个系统的运行状态。笔者选择STM32F103C8T6单片机,该单片机是基于ARM Cortex-M3内核的高速、低功耗的高性能控制器[4]。工作频率为72 MHz,在存储器的0等待周期访问时可达1.25 DMIPS/MHz [5]。片内集成了64 kB闪存和20 kB静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,SRAM),内部具有集成电路总线(Inter-Integrated Circuit,I2C或IIC)、串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)、通用同步/异步串行接收/发送器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter,USART)、控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)等多种接口模块,并且具有4个定时器,满足该系统的设计要求。

2.2传感器系统

传感器系统主要包括光照强度传感器。光照强度传感器采用BH1750FVI型数字传感器,该传感器对光源几乎没有依赖性,红外线对其影响可以忽略不计,电路结构简单,需要的外围器件较少,内部集成了16位高精度模拟/数字(A/D)转换器,可检测到的照度范围为1~65 535 lx,精度可达1 lx,最小误差变动范围为±20%,采用标准I2C接口,能方便地与STM32系列单片机的I2C接口通信,实现光照强度信息采集。

2.3人机交互系统

人机交互系统采用工业级1602液晶显示屏。该液晶显示屏属于字符型液晶显示模块,是专门用于显示字母、数字元、符号等的点阵型液晶显示模块。采用8位数据传输方式,提供5×7点阵显示模式和游标模式。同时提供了丰富的指令设置,内部集成复位电路,接通电源时自动复位。工业级液晶显示屏工作温度范围宽、功耗低、对比度高,它可以在-20~70 ℃范围内正常工作,正常工作时的工作电流为550 μA,待机时工作电流仅为30 μA,高对比度可以使其在强烈的阳光下清楚地显示字符。

2.4补光系统

补光系统由LED驱动电路和LED补光灯组组成。LED驱动电路采用两颗D4184金属—氧化物—半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)并联组成。MOSFET是一种将输入电压的变化转化为输出电流的变化的压控型器件,内阻很低,允许通过较大电流。采用双MOSFET并联的方式,可以进一步降低MOSFET的内阻,进而增大电流通过能力。笔者采用的驱动电路负载端输入电压范围为直流5~36 V,在常温下允许通过的电流可达15 A,完全满足系统需求。图1为LED驱动电路图。LED补光灯采用的是高亮度贴片LED灯珠,单颗功率为1 W,亮度为100~130 lm,完全满足植物补光的需求。

2.5供电系统

供电系统由直流12 V-直流5 V降压电路和直流5 V-直流3.3 V降压电路两部分组成。5 V供电电路采用RT7272芯片,它是一种效率比较高且电流模式同步降压的电压转换芯片,其输入电压为4.5~36 V,范围宽。RT7272芯片内部集成了一个内阻很低的MOSFET,用于提高其转换效率。3.3 V供电电路采用TPS7333Q芯片,它是一种微功耗低压差稳压芯片,具有延时微处理器复位功能,内部集成电源电压监控电路,可对稳压器的输出电压进行实时监控。TPS7333Q芯片的压差极低,在输入输出电流为100 mA时,其压差最大值为35 mV。

3微型植物工厂补光控制系统的软件设计

光在植物生长的过程中起着至关重要的作用,是植物完成光合作用的必要条件,甚至还影响着植物某些基因的表达。光照不足或者过量都能导致经济作物减产甚至死亡。因此,在植物工厂中,作物的补光系统起着至关重要的作用。笔者设计的补光控制系统,其主要任务是控制LED补光灯组的光照强度。植物在不同的生长阶段需要的光照强度是不同的,为了使植物在一定的时间内的生长达到最大化,就需要根据植物各个生长阶段的不同需求,精确控制光照强度。

系统采用STM32F103C8T6单片机,该单片机的中断系统很强大,在内核水平上搭载了一个异常响应系统,单片机内部的外设都可以产生中断,其中系统异常有8个,外部中断有60个。除了个别中断的优先级为系统预先设定的以外,其他异常中断的优先级都是定义的。因此该系统以中断为核心,通过单片机响应不同优先级的中断来完成对光照强度的控制。

笔者设计了LED补光灯控制系统中断服务程序,即LED整体亮度控制中断服务程序。其控制系统的程序流程如下:首先,对系统各部分硬件进行初始化,包括定时器初始化、I2C初始化、通用输入/输出(General Purpose Input Output,GPIO)初始化等。然后,STM32系列单片机根据光照强度传感器采集的数据,判断光照强度是否达到设定值,如果达到设定值,则执行其他程序;如果没有达到设定值,则进入LED整体亮度控制中断服务程序,通过比例-积分-微分(Proportion Integral Differential,PID)算法,控制LED补光灯组的光照强度,使其达到设定的数值。图2为控制系统的程序流程图。

4结束语

笔者设计了一套适用于微型植物工厂的LED补光灯组控制系统。该系统采用大功率LED作为照明光源,与传统荧光灯相比,LED光源具有效率高、亮度大、寿命长等优点。该系统根据光照强度传感器采集的数据来调整LED补光灯组的亮度,使之满足植物生长的最适光照条件。该系统采用STM32F103C8T6单片机作为控制核心,其内部包含丰富的硬件资源且具有较高的性能,完全满足系统的控制要求。通过STM32系列单片机强大的中断服务系统,可以实现对LED补光灯组的光照强度的精确控制,完全满足了系统的设计要求,提供了植物优化生长的光照条件。