略談補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用論文
1系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件以STC12C5A60S2單片機(jī)為處理核心，采用標(biāo)準(zhǔn)接口電路5V電源供電;時鐘模塊的主體芯片DS1302可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)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，直接購買了按鍵貼膜，通過8根排線直接與主板連接。單片機(jī)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(diào)試。系統(tǒng)通過紅藍(lán)光濾光片和ISL29010光傳感器監(jiān)測環(huán)境中紅藍(lán)光光照強(qiáng)度。
1．1控制模塊
控制模塊以51單片機(jī)為處理核心，外圍連接鍵盤、LCD和傳感器等外設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)接口電路5V電源供電，其中:P0口連接液晶屏的8路數(shù)據(jù)口;P2口連接4*4矩陣鍵盤;P3．0和P3．1用于單片機(jī)與串口連接的數(shù)據(jù)讀寫線，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(jī)PWM控制端輸出口。采用內(nèi)部分頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對PWM信號頻率的控制，將輸出頻率降至300Hz，實(shí)現(xiàn)植物補(bǔ)光的溫室精確控制。
1．2檢測模塊
檢測模塊利用紅藍(lán)光濾光片和ISL29010光照傳感器實(shí)時檢測設(shè)施內(nèi)部紅藍(lán)光光照強(qiáng)度，并將采集數(shù)據(jù)提供給單片機(jī)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(lán)光提取出來，通過ISL29010光照傳感器檢測出紅藍(lán)光強(qiáng)，上傳給單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中紅藍(lán)光強(qiáng)檢測。
1．3補(bǔ)光模塊
補(bǔ)光模塊包括LED補(bǔ)光燈陣列和驅(qū)動電路，LED補(bǔ)光燈陣列由波600～700nm的窄帶紅光和波長400～500nm的窄帶藍(lán)光組成。驅(qū)動電路采用PT4107為核心控制芯片，利用繼電器來控制外接市電電源為核心控制芯片供電，當(dāng)滿足外部調(diào)光條件繼電器導(dǎo)通時，其接收單片機(jī)發(fā)送PWM控制信號實(shí)現(xiàn)對調(diào)節(jié)燈組亮度的調(diào)節(jié)。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)采用模塊化和多控制模式的設(shè)計思路，以IAR為軟件開發(fā)平臺，采用C語言完成系統(tǒng)軟件開發(fā)，分別設(shè)計了數(shù)據(jù)采集程序、專家指導(dǎo)程序、定量控制程序、按鍵程序、顯示程序和計時程序，實(shí)現(xiàn)各模塊對應(yīng)功能及數(shù)據(jù)傳輸。其專家指導(dǎo)程序以櫻桃生長各生境參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)計了基于專家規(guī)則的溫室光環(huán)境調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了手動和自動兩種階段轉(zhuǎn)換方式，可根據(jù)當(dāng)前階段信息自行計算紅藍(lán)光PWM值和需補(bǔ)光量，完成不同階段的按需智能補(bǔ)光。以番茄為例，其每個階段的生長累積時間和適宜光強(qiáng)各不相同。如在番茄的初花期、盛花期和末花期3個階段，其階段累積時間和適宜光強(qiáng)系統(tǒng)可以根據(jù)番茄這一階段特性進(jìn)行專家規(guī)則的修定，對番茄在不同階段進(jìn)行生長時間的`模擬累積和光強(qiáng)檢測，通過專家規(guī)則實(shí)現(xiàn)階段參數(shù)的智能調(diào)控和不同階段的按需定量補(bǔ)光。系統(tǒng)針對當(dāng)前生長階段信息，基于專家系統(tǒng)，根據(jù)不同階段需光量的差異性，設(shè)定該階段需補(bǔ)光量和當(dāng)前累積補(bǔ)光時間，通過對外界光強(qiáng)的監(jiān)測，采用PWM技術(shù)控制LED補(bǔ)光燈陣列工作電流，同時統(tǒng)計該階段尚需工作時間，實(shí)現(xiàn)對植物的分階段按需定量補(bǔ)光。由于同類植物生長的微弱差異，系統(tǒng)提供手動參數(shù)修改與階段強(qiáng)制調(diào)整功能，從而提高了系統(tǒng)的通用性。
3系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)以櫻桃為目標(biāo)作物，分為休眠期、萌芽期、開花期、幼果期、落果期和收獲期，每個時期所需時間和補(bǔ)光量各不相同。基于各階段生長時間和補(bǔ)光量信息的專家規(guī)則，完成相應(yīng)階段時間累積后跳入下個階段，自動調(diào)用下階段相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定量補(bǔ)光。為了驗(yàn)證設(shè)備的性能，于西北農(nóng)林科技大學(xué)櫻桃實(shí)驗(yàn)基地對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證。系統(tǒng)運(yùn)行到開花期時的實(shí)時信息，包括開花期的需補(bǔ)光量和距離下階段的時間。當(dāng)手動強(qiáng)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(yīng)的PWM值也會不同，系統(tǒng)所輸出PWM占空比也會隨之變化。開花期和幼果期兩階段的PWM值輸出占空比信號。以上說明系統(tǒng)可完成各項(xiàng)功能要求，證明了系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和正確性。
4結(jié)論
1)系統(tǒng)研究實(shí)現(xiàn)了基于專家規(guī)則的動態(tài)智能補(bǔ)光系統(tǒng)，其結(jié)合時下熱門的專家系統(tǒng)，對植物各生境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過系統(tǒng)監(jiān)測到的實(shí)時光照信息，完成不同階段植物需光量計算，實(shí)現(xiàn)了對植物的分階段按需精確補(bǔ)光。
2)與其他補(bǔ)光系統(tǒng)相比，運(yùn)用DS1302時鐘芯片對植物生長累積時間進(jìn)行模擬，采用專家系統(tǒng)對櫻桃生長各生境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)植物生長特性自動進(jìn)行階段轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了分階段按需定量補(bǔ)光。
3)經(jīng)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可以滿足在不同階段對不同植物進(jìn)行按需精確補(bǔ)光的要求，促進(jìn)了植物的生長，極大地提高了溫室作物的產(chǎn)量和效益，帶動了相關(guān)農(nóng)業(yè)又好又快發(fā)展。
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