基于MSP430的智能自適應間斷光控系統

摘要：為了克服現有補光系統補光時(shí)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(diǎn)，系統基于MSP430單片機，利用光合作用光反應速率大于暗反應的原理，將持續補光改進(jìn)為間斷補光，避免浪費光反應產(chǎn)物，抑制暗反映；由光敏傳感電路檢測當前環(huán)境光強，以設定占空比進(jìn)行間斷補光至最適宜該植物生長(cháng)的光強；采用紅色：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(chuàng )新、高效、節能，適合溫室、大棚、家庭等廣泛應用。
關(guān)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(jìn)行補光，補光的時(shí)間不能調節，是一直亮著(zhù)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(huì )浪費多余的光照，浪費了寶貴的電能，不利于節能減排，而且如果外界環(huán)境中的光照強度加上補光產(chǎn)生
的光照強度的總和超過(guò)了植物的光飽和點(diǎn)，這樣對于植物的生長(cháng)不但沒(méi)有幫助，還會(huì )由于光照強度過(guò)強對植物的光合作用產(chǎn)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(mǎn)足1 mx1 mx1 m空間補光，電費以0．6元／度，一個(gè)月以30天計算，一盞普通功率40 W，持續照射1個(gè)月耗能28．8度，需要5盞，合計電費86元，5盞燈售價(jià)約400元，支架、電線(xiàn)約30元，總計516元，超出大部分農戶(hù)及家庭的承受能力。因此傳統補光燈不但浪費能源，而且價(jià)格高昂，適用性較差。
本光控裝置，可以依據當前環(huán)境光強變化進(jìn)行間斷補光，將光強補至最適宜該植物生長(cháng)的光飽和點(diǎn)，以可調占空比間斷補光，光飽和點(diǎn)可通過(guò)編程設定。采用紅色：藍色為5：1的高亮LED燈組進(jìn)行補光，光合作用利用率最佳。操作簡(jiǎn)單，高效節能，價(jià)格低廉，應用廣泛。

1 系統硬件設計
項目系統硬件框圖如圖1所示。

系統采用了美國TI公司的低功耗MSP430系列芯片作為主控模塊。通過(guò)由光敏電阻為核心的采光模塊對目前的環(huán)境中的光照強度進(jìn)行采樣，再利用了MSP430系列單片機對其進(jìn)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(jìn)行控制。
圖1中，將裝置接入220 V交流電，經(jīng)過(guò)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(jīng)ACD模／數轉換器轉換為數字信號，經(jīng)MSP430系列單片機每隔1 s采樣，與單片機程序預設值進(jìn)行比對(設光飽和點(diǎn)為18 kLux，一組LED燈組在距離1 m處光強為6 kLux)。當外界光照強度大于18 kLux時(shí)不點(diǎn)燈，當12 kLux光強18 kLux，⑥單片機給⑦功率放大器點(diǎn)燈控制信號，點(diǎn)一盞⑩燈；當6 kLux光強12 kLux，⑥單片機給⑦⑧功率放大器點(diǎn)燈控制信號，點(diǎn)兩盞⑩燈；當光強6 kLux，⑥單片機給⑦⑧⑨功率放大器點(diǎn)燈控制信號，點(diǎn)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 采光模塊
在采光電路，利用MSP430中的VCC作為采光模塊的電源，利用光敏電阻對于光照的敏感程度所引起的電變化，通過(guò)MSP430 ADC采樣模塊，通過(guò)和已經(jīng)存貯在MSP430中的數據進(jìn)行對比、分析，從而確定目前的外界環(huán)境的光照情況。然后，確定出在這種情況下，選擇出最適宜植物生長(cháng)的一種系統中對應的模式。再通過(guò)項目中的補光部分對植物進(jìn)行補光。
采光模塊所采用的光敏電阻是GL5528型號。具體電路圖如圖3所示。

此電路設計思路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現，在精度方面也基本能夠滿(mǎn)足要求。
1．2 LED補光模塊
利用MSP430產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)信號，信號通過(guò)達林頓管，讓達林頓管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于是50％占空比的方波，所以達林頓管開(kāi)關(guān)時(shí)間由MSP430產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)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(lái)進(jìn)行補光。因此，這些LED燈單獨由一個(gè)14 V的電源供電。