一種植物培養(yǎng)箱的多色光照裝置的制作方法

本發(fā)明涉及的是在生物培養(yǎng)箱內實現(xiàn)LED多色光照功能的一種植物培養(yǎng)箱的多色光照裝置。

背景技術：

地球上一切具有生命特征的物體都是以植物(或微生物)的光合作用為基礎而存在的。植物的光合作用需要有光進行照射，光提供植物進行光合作用所需要的能量，同時光質、光譜也對植物的光合作用產生重要影響。在自然光逐漸無法滿足人類的生產和生活需求時，光照培養(yǎng)箱被發(fā)明并加以利用。光照培養(yǎng)箱是已經成為農業(yè)、林業(yè)、醫(yī)學等部門所必須的實驗設備。

光質，即光的顏色，對植物的生長和發(fā)育產生重要作用。同時光質也影響植物進行光合作用的效率。光信號被植物體內不同的光受體所感知，每一種光受體被其所對應的光質所觸發(fā)，因此對植物的光合作用、生長等產生影響?？梢姽庖话銊澐譃椋杭t光(650～700nm)、橙光(650～650nm)、黃光(560～600nm)、青光(470～500nm)、藍光(430～470nm)、紫光(390nm以下)。植物有選擇性地吸收光，不同植物吸收光的光譜也是各不相同，但是基本上對紅橙光和藍紫光吸收量最大。研究也表明，植物在紅橙光和藍紫光下的光合效率比較高。所以在此要實現(xiàn)多色光照控制，來讓植物更好更高效地進行光合作用。光照培養(yǎng)箱內培養(yǎng)植物的種類不同，工作人員可以參照植物的各個階段所需的光色要求來進行控制，從而提高植物培養(yǎng)箱的經濟效益。

目前絕大多數(shù)的光照培養(yǎng)箱采用普通的人工光源進行光照，不具備多色光照的功能，不能滿足科研工作人員對光譜、光色對植物進行光合作用的影響，更無法提高培養(yǎng)箱培養(yǎng)植物的效率。在查閱的文獻資料后，未見關于多色光照技術在植物培養(yǎng)箱上的具體應用及具體實現(xiàn)方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種植物培養(yǎng)箱的多色光照裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種植物培養(yǎng)箱的多色光照裝置，包括LED驅動電路、光強度檢測電路、控制模塊，其中控制模塊是采用MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)進行控制的，LED驅動電路采用LM3404恒流驅動器實現(xiàn)LED恒流工作，光強度檢測電路采用GY-30光照強度傳感器模塊來檢測的，單片機控制系統(tǒng)調節(jié)LED恒流驅動電路來改變LED燈的光照強度，GY-30光照強度傳感器實時檢測植物培養(yǎng)箱內的光照強度，并輸出一個數(shù)字信號與所設定的光照強度信號進行對比，形成一個閉環(huán)控制電路來控制光照強度信號；

GY-30光照強度傳感器模塊是一款光照強度數(shù)字轉換器，通過I2C總線與單片機連接。GY-30能分辨出1-65535勒克斯的光照強度，GY-30有5個引腳，其中VCC引腳接3.3V電壓，GND引腳和ADDR引腳均接地，SCL引腳接MSP430F5529單片機的P6.1管腳，SDL接MSP430F5529單片機的P6.2管腳，SCL和SDL均需要加上拉電阻R45、R46；

MSP430F5529具有4個能輸出PWM的I/O口，其中一路白光調光光路接MSP430F5529的PWM輸出引腳P2.5上，一路藍光調光光路接MSP430F5529的PWM輸出引腳P2.4上，一路紅光調光光路接MSP430F5529PWM輸出引腳P1.5上；每一路的6個LED燈以串聯(lián)的方式接在電路中，串聯(lián)電路能夠保證在每一路上的每一個LED燈流過的電流都是相等的，從而達到每一路的同顏色的LED燈亮度一樣；不同顏色的LED燈有不同的額定工作電壓，其中，白色LED燈的額定工作電壓為3.0V～3.3V，紅色LED燈的額定工作電壓為2.0V～2.3V，藍色LED燈的額定工作電壓為3.0V～3.4V。

本發(fā)明的有益效果在于：為了提供光照培養(yǎng)箱內培養(yǎng)植物光合作用的效率，實現(xiàn)培養(yǎng)箱經濟效益最大化，設計了一種多色光照培養(yǎng)箱。該多色光照培養(yǎng)箱比普通的光照培養(yǎng)箱可以極大地提高植物光合作用效率。

附圖說明

圖1總體硬件框圖。

圖2 LED電路控制系統(tǒng)框圖。

圖3 GY-30接線原理圖。

圖4 MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)原理圖。

圖5 LED驅動電路的原理圖。

圖6增量式PID控制LED的流程。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

本發(fā)明提出采用在光照培養(yǎng)箱內采用LED燈來達到實現(xiàn)多色光照的功能，并且實現(xiàn)恒定光照控制。培養(yǎng)箱具備多色光照功能，工作人員就能根據(jù)不同植物生長所需光質的要求來設置光照培養(yǎng)箱中光照條件，極大地提高光合作用效率，達到植物培養(yǎng)箱具備更好的經濟效益。

在植物培養(yǎng)箱中實現(xiàn)多色光照功能，主要通過LED多色光照電路、GY-30光照強度傳感器檢測電路來實現(xiàn)恒定光照控制。圖1為總體硬件框圖，電源供電電路提供MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)工作電源，MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)控制LED驅動控制電路來調節(jié)LED燈，GY-30光照強度傳感器檢測LED燈的光照強度并反饋給單片機最小系統(tǒng)控制電路，從而形成閉環(huán)控制電路。

LED多色光照電路采用MSP430系列的單片機進行控制。硬件電路中涉及LED驅動電路、光強度檢測電路、控制模塊等。其中，控制模塊是采用MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)進行控制的，LED驅動電路采用LM3404恒流驅動器實現(xiàn)LED恒流工作，光強度檢測電路則是采用GY-30光照強度傳感器模塊來檢測的。圖2為LED電路控制系統(tǒng)框圖，通過設定光照強度值，單片機控制系統(tǒng)調節(jié)LED恒流驅動電路來改變LED燈的光照強度，GY-30光照強度傳感器實時檢測植物培養(yǎng)箱內的光照強度，并輸出一個數(shù)字信號與所設定的光照強度信號進行對比，這樣形成一個閉環(huán)控制電路來控制光照強度信號。

GY-30光照強度傳感器模塊是一款光照強度數(shù)字轉換器，通過I2C總線與單片機連接。GY-30能分辨出1-65535勒克斯(lux)的光照強度，同時它對光源的依賴性不大，能檢測各種光源發(fā)出的光照強度。圖3為GY-30接線原理圖，GY-30有5個引腳，其中VCC引腳接3.3V電壓，GND引腳和ADDR引腳均接地，SCL引腳接MSP430F5529單片機的P6.1管腳，SDL接MSP430F5529單片機的P6.2管腳，SCL和SDL均需要加上拉電阻R45、R46。

本發(fā)明采用MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)來進行LED光照的控制與恒定光照的PID控制算法實現(xiàn)。MSP430F5529是一款16位的單片機，具有超低功耗、集成USB、比較豐富的片內外設、16位RISC結構運算能力強、開發(fā)周期短等特點，最近幾年被逐漸運用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，特別在醫(yī)學智能儀器上面得到了廣泛的運用。MSP430F5529的3.3V的工作電壓，具有超低功耗的工作模式包括：活動模式(AM)、待機模式(LPM3)、關閉模式(LPM4)、關閉模式(LPM5)。其中，MSP430F5529單片機處于活動模式(AM)時系統(tǒng)的時鐘頻率為8MHz，此時只需要150μA的電流；MSP430F5529單片機處于待機模式(LPM3)時只需要2.1μA的工作電流且RAM數(shù)據(jù)保持、能快速喚醒；MSP430F5529單片機處于關閉模式時，此時的工作電流為1.1μA，系統(tǒng)仍能RAM數(shù)據(jù)保持，且能電源監(jiān)控，及時快速喚醒；MSP430F5529單片機處于關斷模式(LPM5)時，系統(tǒng)的工作電流僅為0.18μA。MSP430F5529單片機能較快從待機模式下喚醒，此喚醒過程僅需時間為3.5μs，具有4個定時器、2個通用串行通訊接口、一個全速USB接口。圖4為MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)的原理圖。

植物在生長的不同階段對光照強度的需求是不一樣的，所以調節(jié)光照強度是重點，同時當設定一定的光照強度后，要達到恒定光照調節(jié)也是一個重點要解決的問題。在此采用脈寬調制(PWM)調光，PWM調光具有精度高、效率高、調光不會產生色譜偏移、調光時沒有閃爍現(xiàn)象等優(yōu)點。植物一般在紅橙光和藍紫光下光合作用效率比較高，為此利用三路PWM控制信號來分別調節(jié)紅光、藍光、白光的光強度的調節(jié)，實現(xiàn)多光色控制，利用PID控制器來實現(xiàn)恒定調節(jié)光照強度控制。根據(jù)植物光合作用所需的光色，利用調節(jié)三路PWM的占空比來LED燈的光照強度、光譜來形成多色光照，或將三路不同顏色的LED燈進行替換達到多色光照的目的。

LED的亮度與電路中的電流成正比關系，在此選擇調節(jié)電流的大小來改變LED燈的發(fā)光亮度。本發(fā)明采用三路調光，每一路上有6個LED燈，這樣使整個光照培養(yǎng)箱內的光照強度達到可調節(jié)光強度的范圍。其中，要實現(xiàn)多色光照，所以在調光電路中采用紅光、藍光、白光，三路調光電路中每一路的6個LED燈均是同一顏色，也可以根據(jù)培養(yǎng)植物的光照要求，對三路調光電路上的LED燈進行顏色替換。MSP430F5529具有4個能輸出PWM的I/O口，其中一路白光調光光路接MSP430F5529的PWM輸出引腳P2.5上，一路藍光調光光路接MSP430F5529的PWM輸出引腳P2.4上，一路紅光調光光路接MSP430F5529PWM輸出引腳P1.5上。通過MSP430F5529來控制和調節(jié)PWM控制信號的占空比來控制三路調光LED燈的發(fā)光亮度來達到多色光照的效果。每一路的6個LED燈以串聯(lián)的方式接在電路中，串聯(lián)電路能夠保證在每一路上的每一個LED燈流過的電流都是相等的，從而達到每一路的同顏色的LED燈亮度一樣。不同顏色的LED燈有不同的額定工作電壓，其中，白色LED燈的額定工作電壓為3.0V～3.3V，紅色LED燈的額定工作電壓為2.0V～2.3V，藍色LED燈的額定工作電壓為3.0V～3.4V。因此，每一個有6個LED燈泡串聯(lián)工作需要的電壓也不一樣。一路6個紅色LED燈串聯(lián)電路兩端需要12V的工作，一路6個白色LED燈串聯(lián)的電路兩端需要18V的工作電壓，一路6個藍色LED燈泡串聯(lián)電路兩端需要18V的工作電壓。根據(jù)以上工作電壓的需求，在此采用LM3404恒流驅動器。

(1)根據(jù)設計的硬件原理圖與PCB來進行電路板的焊接工作，然后對焊接完成的電路板進行測試，這部分的測試工作主要包括，測試的整個過程包含很多步驟，每一個步驟都需要對電流、電壓、電阻、頻率、波形等物理量進行測試，硬件測試需要我們使用萬用表對以上物理量進行測量是否符合設計要求，同時還需要使用示波器來檢測調試硬件所輸出的波形是否正確。

(2)將GY-30光照強度傳感器連接到MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)上。然后將整個硬件電路放置于亞克力板搭建的光照培養(yǎng)箱模型內，再通過RS232串口將MSP430F5529單片機最小系統(tǒng)與上位機相連接進行通信。

(3)將一些植物放置于培養(yǎng)箱模型之內，查詢該種植物光合作用所需要的光照強度、光色、光照周期，然后在上位機界面上進行設置。

(4)根據(jù)設置的光照參數(shù)，GY-30光照強度傳感器實時檢測培養(yǎng)箱模型內的光照強度，并將檢測的信號與設定的光照強度進行比較，來控制相應的PWM占空比及三路PWM控制信號的輸出。

(5)MSP430F5529控制芯片將PWM控制信號輸出給LM3404恒流驅動芯片，本發(fā)明的電路板上的輸出管腳可以直接輸出的3.3V來進行供電。LM3404恒流驅動芯片可以將3.3V的輸入電壓升壓到42V，滿足每一路LED燈控制電路所需要的工作電壓。LM3404以固定的頻率來接通和斷開開關器。在LED驅動電路中，流經L1的電流因電容C3的接地而變得平滑，從而為電路中的6個LED提供穩(wěn)定的電流。LM3404芯片控制內部開關的占空比，EN/DIM為PWM波形輸入LM3404芯片的引腳，PWM波形的邏輯高電平將使能LM3404芯片，PWM波形的邏輯低電平不能使能LM3404芯片。本發(fā)明就是這樣通過調節(jié)PWM的占空比，從而來調節(jié)光照強度的大小。

(6)本發(fā)明中需要控制光照強度滿足要求，需要調節(jié)的過程比較穩(wěn)定、快速，就加入了PID算法來進行光照調節(jié)。本發(fā)明的光照控制部分采用MSP430F5529控制芯片進行控制，并利用RS232串口與主控的ARM9控制器進行通信。采用增量式PID控制算法來對光照培養(yǎng)箱內的光照強度進行調節(jié)，為此首先對MSP430F5529進行初始化設置。其中MSP430F5529單片機具有63個I/O、2個SPI、2個I2C、16個12位的ADC、USB2.0、6個定時器和4個PWM定時器等。采用MSP430F5529的6個定時器中的3個定時器來控制實現(xiàn)3路PWM輸出，PWM信號輸出至LED驅動板上LM3404的EN/DIM引腳，從而控制3路LED燈的光照強度。MSP430F5529單片機的工作頻率為25MHZ，將PWM的初始頻率設置為2KHZ，之后根據(jù)系統(tǒng)設置的光照強度而系統(tǒng)改變PWM的頻率。在所采用的3個定時器的中斷處理函數(shù)中進行數(shù)字PID算法控制，實現(xiàn)恒定時間進行采樣的效果。為了采集光照傳感器GY-30檢測的電信號，需要對MSP430F5529單片機的ADC進行配置。在進行配置ADC之前，首先開啟GPIO的時鐘和復用時鐘，ADC以獨立模式進行工作，開啟掃描模式和循環(huán)模式，選擇軟件觸發(fā)轉換，ADC數(shù)據(jù)對齊，開啟DMA支持以及ADC校準。

通過以上的配置，可以在MSP430F5529單片機上采用增量式數(shù)字PID控制器來控制LED發(fā)光強度。圖5為增量式數(shù)字PID控制LED的流程，系統(tǒng)開始運行，首先PID結構體初始化并設定目標值K_i、K_p、K_d，然后將采樣光強數(shù)據(jù)進行濾波，來獲取當前誤差。根據(jù)當前偏差、上一次偏差以及再前一次偏差，對比例誤差、積分誤差和微分誤差賦值，獲得比例環(huán)節(jié)增量、積分環(huán)節(jié)增量、微分環(huán)節(jié)增量，再求出總控制量uk和總控制增量delta_uk。當控制量uk超出限幅時,則控制量uk等于控制限幅值Ukmax，此時控制量uk映射為PWM占空比，控制定時器輸出PWM波；當控制量uk沒有超出限幅時，則控制量uk映射為PWM占空比，控制定時器輸出PWM波。同時在輸出PWM波時會保存偏差用于下次PID計算，返回到采樣光照數(shù)據(jù)進行濾波處理階段，循環(huán)往復地進行控制。