基于MSP430的智能自适应间断光控系统

摘要：为了克服现有补光系统补光时间、补光程度不能调节，全光谱不能被光合作用充分利用的缺点，系统基于MSP430单片机，利用光合作用光反应速率大于暗反应的原理，将持续补光改进为间断补光，避免浪费光反应产物，抑制暗反映；由光敏传感电路检测当前环境光强，以设定占空比进行间断补光至最适宜该植物生长的光强；采用红色：蓝色为5：1的高亮LED灯组代替普通补光灯，光谱吸收率高。该系统创新、高效、节能，适合温室、大棚、家庭等广泛应用。
关键词：间断；补光；MSP430；光反应；暗反应；节能

0 引言
传统的温室大棚光照系统，在光照强度不够的情况下就进行补光，补光的时间不能调节，是一直亮着的，而且补光的程度都一致，不能调节。这样在有些情况下，不仅会浪费多余的光照，浪费了宝贵的电能，不利于节能减排，而且如果外界环境中的光照强度加上补光产生
的光照强度的总和超过了植物的光饱和点，这样对于植物的生长不但没有帮助，还会由于光照强度过强对植物的光合作用产生抑制作用。传统补光灯通常为白光，白光中大部分光谱能量都不能被光合作用利用。传统补光灯的成本，以满足1 mx1 mx1 m空间补光，电费以0．6元／度，一个月以30天计算，一盏普通功率40 W，持续照射1个月耗能28．8度，需要5盏，合计电费86元，5盏灯售价约400元，支架、电线约30元，总计516元，超出大部分农户及家庭的承受能力。因此传统补光灯不但浪费能源，而且价格高昂，适用性较差。
本光控装置，可以依据当前环境光强变化进行间断补光，将光强补至最适宜该植物生长的光饱和点，以可调占空比间断补光，光饱和点可通过编程设定。采用红色：蓝色为5：1的高亮LED灯组进行补光，光合作用利用率最佳。操作简单，高效节能，价格低廉，应用广泛。

1 系统硬件设计
项目系统硬件框图如图1所示。

系统采用了美国TI公司的低功耗MSP430系列芯片作为主控模块。通过由光敏电阻为核心的采光模块对目前的环境中的光照强度进行采样，再利用了MSP430系列单片机对其进行分析处理，从而对具有明显补光效果的LED阵列补光模块进行控制。
图1中，将装置接入220 V交流电，经过适配器将220 V交流电转化为14 V直流电，为光敏电阻及LED灯组供电。光敏电阻将光信号转换为电信号，经ACD模／数转换器转换为数字信号，经MSP430系列单片机每隔1 s采样，与单片机程序预设值进行比对(设光饱和点为18 kLux，一组LED灯组在距离1 m处光强为6 kLux)。当外界光照强度大于18 kLux时不点灯，当12 kLux光强18 kLux，⑥单片机给⑦功率放大器点灯控制信号，点一盏⑩灯；当6 kLux光强12 kLux，⑥单片机给⑦⑧功率放大器点灯控制信号，点两盏⑩灯；当光强6 kLux，⑥单片机给⑦⑧⑨功率放大器点灯控制信号，点三盏⑩灯。
图2是图1中的图例：(a)为红色LED灯珠，(b)为蓝色LED灯珠，排列方式如图2所示。

1．1 采光模块
在采光电路，利用MSP430中的VCC作为采光模块的电源，利用光敏电阻对于光照的敏感程度所引起的电变化，通过MSP430 ADC采样模块，通过和已经存贮在MSP430中的数据进行对比、分析，从而确定目前的外界环境的光照情况。然后，确定出在这种情况下，选择出最适宜植物生长的一种系统中对应的模式。再通过项目中的补光部分对植物进行补光。
采光模块所采用的光敏电阻是GL5528型号。具体电路图如图3所示。

此电路设计思路简单，容易实现，在精度方面也基本能够满足要求。
1．2 LED补光模块
利用MSP430产生控制开关信号，信号通过达林顿管，让达林顿管工作在开关状态。由于是50％占空比的方波，所以达林顿管开关时间由MSP430产生的开关信号控制。为了保证足够光照强度，从而选用了相对较大功率的LED灯来进行补光。因此，这些LED灯单独由一个14 V的电源供电。