基于LED光源的温室光环境监测与控制系统设计
LED阵列的照度是以多个LED照度线性叠加的方法得到的照度。在坐标系(x，y，z)下修改照度公式(2)，设目标和光源距离为z，单个LED在空间的光照度E可用式(3)表示。
在由两个LED组成的阵列情况下，如果LED间距为d，目标面上的照度如式(4)所示。
当z=1 cm，m=81时，代入式(5)可得dmax=0．218cm。为保证光照度较为均匀，两个LED之间距离d的最大值为0．218cm。因此，LED阵列光源设计可以选择这个值作为各LED之间的距离，可由多个LED组合为方形阵列，完成较为均匀的光源设计。
3．2 光照度与光源板中心温度检测电路
本文检测电路运用TSL2561光传感芯片与DS18B20温度传感器，完成对光照度和光源中心温度的数据采集。硬件电路如图3所示。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/167330.htm
TSL2561是一种光强度传感器芯片，它具有数字式输出端口和标准I2C总线接口，涵盖1～70000Lx的宽照度范围。其内部通道0和通道1是两个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。积分式A／D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。当转换完成后，从通道0寄存器和通道1寄存器读取相应的值CH0和CH1计算光照度Lx。
DS18B20是一种温度传感器，内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL配置寄存器。DS1 8B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0．0625℃／LSB形式表达，其中S为符号位。根据DS18B20的通讯协议，单片机严格按照DS18B20的时序进行控制，可完成光源板中心温度的测量。
3．3 LED驱动电路
LED光源流明效率(ηe)是指输入每瓦电功率所产生的流明光通，计量单位1m／W，计算公式如式(6)所示：
式中：ηe是流明效率，φ1um是光通量，U是LED正向电压，I是LED正向电流。
照度(E)是指1流明的光通量均匀分布在1m2表面上所产生的光照度，单位为勒克斯(Lx)，计算公式如式(7)所示：
可见，LED的亮度几乎和它的驱动电流直接成正比关系，可以通过调整正向驱动电流的大小来调整LED的亮度。
LED阵列采用恒流驱动方式，LED可获得恒定的颜色输出。系统选择PT4115恒流驱动芯片，驱动电路如图4所示。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，它具有直流8V到30V的较宽输入电压范围，击穿电压大于45V，输出200～1200mA恒定直流，可满足驱动点亮N颗串并联的小功率LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0．3V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。LED的最大平均电流由连接在VIN和CSN两端的电阻RS决定，通过在DIM管脚加入可变占空比的PWM信号可以调小输出电流以实现调光，计算方法如式(9)所示：
式中，D是PWM的占空比，Vpilse为PWM的高电平值，Rs为限流电阻。
3．4 控制器算法设计及实现
STC12C5A60S2作主控制器，该芯片自带两路PWM控制器、两个定时器、十位AD转换器等。系统光照度调整使用增量式的PID算法，根据变换量按比例调整PWM定时器CCAP1L、CCAP1H的值，输出不同占空比的PWM信号调节LED的照度。其中PID如式(10)
△uk=Aek-Bek-1+Cek-2 (10)
式中：△uk为控制量的增量；k为采样序号；ek为第k次采样的输入偏差值：ek-1为第k-1次采样的输入偏差值。
光照度调整分两种状态：1)如果当前值小于输入的设定值，则PWM波形占空比增加，输出光照度增大，直到输出值等于设定值。2)如果输出值大于或等于设定值，则PWM输出占空比减小，输出光照度减小，直到输出值等于设定值。通过不断的检测与调整，让光照度保持恒定。
LED光源板的温度通过温度传感器检测，当检测温度高于设定温度时，启动降温风扇。当检测温度低于或等于设定温度时，停止降温风扇。
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