一种促进蔬菜或多肉植物生长的LED植物灯自动补光设备的制作方法

本发明属于植物生长补光设备技术领域，尤其涉及一种促进蔬菜或多肉植物生长的LED植物灯自动补光设备。

背景技术：

目前在家庭阳台种植蔬菜（或多肉植物）的用户普遍采用夜晚不补光的方法粗放式种植。这样会影响到蔬菜（或多肉植物）花芽分化、抽穗开花、结果实，也会影响到块茎、块根、球茎的形成。很多蔬菜（或多肉植物）在每天夜晚来临时由于白天太阳光照射时间不够，光饱和度和光补偿点不足有机物质的消耗多余累积，会导致植株干质量下降从而导致其生长缓慢、瘦弱、叶面易枯萎和焦黄等症状影响口味（或观赏性）。

而目前采用补光技术的用户只是在现有的LED植物灯补光技术的指导下简单粗暴地整夜对蔬菜（或多肉植物）进行同一亮度的照射。此方法虽比前一种方式对蔬菜（或多肉植物）在光照方面有所改进但是依然不是科学合理的补光方式。

其采用的LED植物灯补光技术仅仅是把LED植物灯补光灯插在220V电源插排上机械地进行整夜的单一照度的光照，等早晨起床后关掉电源停止补光。虽然此补光技术和本发明的实现方案有些渊源，但是它比本发明浪费电能，影响了蔬菜（或多肉植物）的休息规律，也达不到本设备实现的补光效果。

现有的补光技术浪费电能，不能智能化补光，同时影响了蔬菜（或多肉植物）的休息规律起不到最好的效果，反而对蔬菜（或多肉植物）生长起到了反作用，不利于蔬菜（或多肉植物）的根茎形成。

技术实现要素：

本发明就是针对上述问题，提供一种节省人力、节能、科学补光的促进蔬菜或多肉植物生长的LED植物灯自动补光设备。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括MCU，MCU的信号输入端口分别与NPN三极管的发射极、光照度传感器的信号输出端口、采样电阻一端、存储器的信号输出端口、温湿度传感器的信号输出端口、时钟芯片的信号输出端口相连。

MCU的电源端口与开关电源的输出端口相连，开关电源的正极输出端口通过LED补光灯与NPN三极管的集电极相连，NPN三极管的基极与MCU的控制信号输出端口相连，开关电源的输入端口与220V交流相连，开关电源的负极端口与采样电阻另一端相连。

作为一种优选方案，本发明所述采样电阻采用1%高精度采样电阻。

作为另一种优选方案，本发明所述MCU的电源端口与开关电源的5V输出端口相连，开关电源的42V输出端口通过发光二极管与NPN三极管的集电极相连。

作为另一种优选方案，本发明所述采样电阻经过运算放大器电路与MCU的信号输入端口相连。

作为另一种优选方案，本发明所述MCU采用STM32F103VET6芯片U1，所述运算放大器电路采用MCP602芯片U3，所述光照度传感器采用BH1750FVI型光照度传感器U6，所述存储器采用W25Q64芯片U10，所述温湿度传感器采用DHT11型温湿度传感器U5，所述时钟芯片采用DS1302芯片U8。

U1的85引脚分别与电阻R11一端、电容C22一端相连，C22另一端接地，R11另一端分别与U3的1引脚相连，U3的3引脚通过电阻R13、R12分别与电阻R6一端、电阻R7一端、NPN三极管发射极相连，R7另一端接地，R6另一端分别与电阻R4一端、NPN三极管基极相连，R4另一端接U1的84引脚。

U6的6、4引脚分别与U1的95、96引脚对应连接；U6的5引脚分别与电阻R22一端、电容C26一端相连，C26另一端接地，R22另一端接3V3电源。

U10的1引脚通过电阻R32接3V3电源，U10的6、5引脚与U1的30、31对应连接。

U5的2脚分别与电阻R23一端、U1的87脚相连，R23另一端分别与3V3电源、U5的1脚相连。

U8的2、3引脚分别与晶振Y1两端连接，U8的5、6、7引脚分别与U1的53、52、51引脚对应连接，U8的5引脚通过电阻R28接3V3电源，U8的6引脚通过电阻R27接3V3电源，U8的7引脚通过电阻R26接3V3电源。

U3的7脚通过电阻R20与U1的86脚相连，U3的5脚通过电阻R21分别与电阻R1一端、电阻R5一端相连，R5另一端接地，R1另一端接LED+。

作为另一种优选方案，本发明所述U1的82脚通过电阻R36分别与电阻R38一端、三极管Q4基极相连，Q4发射极和R38另一端接地，Q4集电极接蜂鸣器负极，蜂鸣器正极接3V3电源。

作为另一种优选方案，本发明所述单片机对采样到的采样电阻经过运算放大器MCP602电路处理后的电压值进行分析，结合记录在W25Q64内部的BH1750FVI光照度传感器的光照强度数据、DHT11的温湿度值、以及DS1302的年月日时分秒数据，通过PID算法进行综合分析和调节，通过输出PWM值对三极管的基极进行控制，对LED植物灯的补光进行调节和控制。

作为另一种优选方案，本发明所述单片机MCU上电后程序执行完各种初始化信息完毕，开始读取EEPROM芯片AT24C02内对应位置上的值n，然后读取W25Q64内保存的光照度的值u,则全天的实际光照度值为U=u+n*65536；对比U值是否和设定值一致；如果U值比人工设定（或程序设定）的值小，则需要另外补光；补光的开始时间段、时长以及强度大小则需要结合另外几个传感器的值综合决定。

其次，本发明所述综合决定的方法为：人工通过外置按键对设备设置光饱和点,当单片机程序识别出太阳光照射时W25Q64内的值超过65536后，则对AT24C02内对应位置的数据加1保存，而W25Q64内的值自动从0开始被新采集到的值覆盖掉保存；根据U=u+n*65536，当单片机（MCU）识别到的U值大于或者等于人工设定,说明不再需要LED植物补光灯另外补光，程序无需启动LED补光灯设备；如果U值小于人工设定值则，程序继续向下执行，开始读取DS1302时钟芯片里的小时寄存器（0x85H），根据蔬菜（或多肉植物）的生长习性和补光规律在其不能被太阳照射的时间段内设定经验值，此经验值随着日照时间的长短被自动记录和保存在W25Q64的对应位置为下一年的日光照射时长提供参考依据；在一个被软件程序认可的数值下，开始读取BH1750设备，看是否仍有阳光在照射植物；当同时满足DS1302内的时间寄存器大于或者等于（>=）设定值（参考值）且同时没有阳光照射蔬菜（或多肉植物）的条件时读取DHT11温湿度值，与程序内设置的对应时间段的温湿度参考值做比较，判断是否是夜晚来临了或者阴雨天一直没有阳光，蔬菜（或多肉植物）开始进行LED补光。

再次读取DS1302的月份寄存器（0x89H）值，单片机（MCU）程序根据月份寄存器(0x89H)内的值做一段时间的对比和自动修改，判断是在四季中的哪个季节，同时根据单片机（MCU）程序中设置好的参考值做对比，初步判定需要的光饱和度和光补偿点大小，如果人工通过外部按键设置过需要的光饱和度和光补偿点大小，则以外部设置的值为参考值，否则以单片机（MCU）内部设置的值为参考值，执行程序设定的补光时长和强度。

另外，本发明所述被软件程序认可的数值为T,单片机程序认可的值的范围为：|T-18|<=3，即下午15点到晚上21点间开始读取BH1750设备。

本发明有益效果。

本发明技术方案通过嵌入式软件与硬件设计相结合，综合光照度、光补偿度、周围环境温湿度和实时时间等蔬菜（或多肉植物）生长因子，对比人工设置好的光照强度的补偿点的参考值，为LED植物灯智能化补光提供科学依据。解决了目前蔬菜（或多肉植物）传统LED植物灯补光技术方面的粗放式、单一性和不科学性的缺陷问题。

本发明电路设计精巧、成本低廉，改变了传统的LED等控制电路的设计理念，变传统的220V交流补光灯设计为42V直流电源供电设计，智能化补光或关闭由嵌入在设备内的嵌入式软件程序精确控制，减少了人为干预的工作，从而节省人力，减少了电能的浪费。

本发明利用LED植物补光灯中的红蓝光谱促进蔬菜在夜晚没太阳光照射的情况下依然进行光合作用促进快速成长，不但节省电能，同时最大程度缩短了植物的生长周期。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明电路原理框图。

图2是本发明控制流程图。

图3～7是本发明电路原理图。

具体实施方式

如图所示，本发明包括MCU，MCU的信号输入端口分别与NPN三极管的发射极、光照度传感器的信号输出端口、采样电阻一端、存储器的信号输出端口、温湿度传感器的信号输出端口、时钟芯片的信号输出端口相连。

MCU的电源端口与开关电源的输出端口相连，开关电源的正极输出端口通过LED补光灯与NPN三极管的集电极相连，NPN三极管的基极与MCU的控制信号输出端口相连，开关电源的输入端口与220V交流相连，开关电源的负极端口与采样电阻另一端相连。

所述采样电阻采用1%高精度采样电阻。

所述MCU的电源端口与开关电源的5V输出端口相连，开关电源的42V输出端口通过发光二极管与NPN三极管的集电极相连。本发明在传统市电220V交流电压下，通过开关电源转换成为直流5V和42V，分别给单片机(MCU)正负极以及和LED补光灯的正极供电，LED植物补光灯的负极连接NPN型三极管的集电极端。NPN型三极管的发射极端串接1%高精度采样电阻与开关电源负极连接。

所述采样电阻经过运算放大器电路与MCU的信号输入端口相连。

所述MCU采用STM32F103VET6芯片U1，所述运算放大器电路采用MCP602芯片U3，所述光照度传感器采用BH1750FVI型光照度传感器U6，所述存储器采用W25Q64芯片U10，所述温湿度传感器采用DHT11型温湿度传感器U5，所述时钟芯片采用DS1302芯片U8。

U1的85引脚分别与电阻R11一端、电容C22一端相连，C22另一端接地，R11另一端分别与U3的1引脚相连，U3的3引脚通过电阻R13、R12分别与电阻R6一端、电阻R7一端、NPN三极管发射极相连，R7另一端接地，R6另一端分别与电阻R4一端、NPN三极管基极相连，R4另一端接U1的84引脚。

U6的6、4引脚分别与U1的95、96引脚对应连接；U6的5引脚分别与电阻R22一端、电容C26一端相连，C26另一端接地，R22另一端接3V3电源。

U10的1引脚通过电阻R32接3V3电源，U10的6、5引脚与U1的30、31对应连接。

U5的2脚分别与电阻R23一端、U1的87脚相连，R23另一端分别与3V3电源、U5的1脚相连。

U8的2、3引脚分别与晶振Y1两端连接，U8的5、6、7引脚分别与U1的53、52、51引脚对应连接，U8的5引脚通过电阻R28接3V3电源，U8的6引脚通过电阻R27接3V3电源，U8的7引脚通过电阻R26接3V3电源。

U3的7脚通过电阻R20与U1的86脚相连，U3的5脚通过电阻R21分别与电阻R1一端、电阻R5一端相连，R5另一端接地，R1另一端接LED+。这部分通过电阻采样，完成PWM调光功能。R1另一端接LED+,而LED-连接R2和C3串联的部分，单片机程序通过PID算法对U1的第84脚进行PWM调光控制，U1的第84脚通过R4连接到Q1的G端，R6和G端相连然后通过R12、R13被运算放大器MCP602被放大处理，由于R11的存在则被采集到的电流值转换成了可被U1的第85脚采样的电压值然后与R21通过运算放大器MCP602和R20相连的而被U1的86脚采集的电压值做对比检测二者是否一致，防止采样过程中出现大的偏差或者毛刺。比如想调节灯光亮度占空比为50%，则通过此电路和单片机的PID算法程序调节，很快能高效稳定地达到目的。

所述U1的82脚通过电阻R36分别与电阻R38一端、三极管Q4基极相连，Q4发射极和R38另一端接地，Q4集电极接蜂鸣器负极，蜂鸣器正极接3V3电源。蜂鸣器用来提示信息，比如按键输入设定数据时会有“滴”的一声鸣响，或者设备在整个运行过程中出现故障而持续鸣叫。

所述单片机对采样到的采样电阻经过运算放大器MCP602电路处理后的电压值进行分析，结合记录在W25Q64内部的BH1750FVI光照度传感器的光照强度数据、DHT11的温湿度值、以及DS1302的年月日时分秒数据，通过PID算法进行综合分析和调节，通过输出PWM值对三极管的基极进行控制，对LED植物灯的补光进行调节和控制。

下面结合附图说明本发明的数据处理过程。

单片机（MCU）上电后程序执行完各种初始化信息完毕，开始读取EEPROM芯片AT24C02内对应位置上的值n，然后读取W25Q64内保存的光照度的值u,则全天的实际光照度值为U=u+n*65536。对比U值是否和设定值一致。如果U值比人工设定（或程序设定）的值小则是需要另外补光的。补光的开始时间段、时长以及强度大小则需要结合另外几个传感器的值综合决定。

比如种植西红柿时人工通过外置按键对设备设置的光饱和点为7万lux,当单片机程序识别出太阳光照射时W25Q64内的值超过65536后，则对AT24C02内对应位置的数据加1保存，而W25Q64内的值自动从0开始被新采集到的值覆盖掉保存。根据U=u+n*65536，当单片机（MCU）识别到的U值大于或者等于0x11170,（7万lux,其值为人工设置值或者程序自动设置）时即说明不再需要LED植物补光灯另外补光，程序无需启动LED补光灯设备。如果U值小于0x11170则，程序继续向下执行，开始读取DS1302时钟芯片里的小时寄存器（0x85H），一般根据蔬菜（或多肉植物）的生长习性和补光规律在其不能被太阳照射的时间段内设定经验值（比如下午18:00），此经验值会随着日照时间的长短被自动记录和保存在W25Q64的对应位置为下一年的日光照射时长提供参考依据。在一个被软件程序认可的数值下（这个数值定为T,单片机程序认可的值的范围为：|T-18|<=3，即下午15点到晚上21点间开始读取BH1750设备，从而可以保证即使连续的多日阴雨天仍然会有补光设备工作照射在蔬菜（多肉植物）上几个小时。），开始读取BH1750设备，看是否仍有阳光在照射植物。当同时满足DS1302内的时间寄存器大于或者等于（>=）设定值（参考值）比如下午18点整且同时没有阳光照射蔬菜（或多肉植物）的条件时读取DHT11温湿度值，与程序内设置的对应时间段的温湿度参考值做比较，判断是否是夜晚来临了或者阴雨天一直没有阳光，蔬菜（或多肉植物）可以开始进行LED补光了。

根据以上的各个条件再次读取DS1302的月份寄存器（0x89H）值，单片机（MCU）程序会根据月份寄存器(0x89H)内的值做一段时间的对比和自动修改，判断是在四季中的哪个季节，同时根据单片机（MCU）程序中设置好的参考值做对比，初步判定需要的光饱和度和光补偿点大小，如果人工通过外部按键设置过需要的光饱和度和光补偿点大小，则以外部设置的值为参考值，否则以单片机（MCU）内部设置的值为参考值，执行程序设定的补光时长和强度。

以上述西红柿种植为例，当单片机（MCU）读取到W25Q64的U值为0xEA60(6万lux),其小于0x11170(7万lux)，读取到的DS1302的值为18:01大于设置的时间18:00，同时光照度传感器BH1750的值不再继续增加，则判断此时已经没有太阳光照射在蔬菜（或多肉植物）上，有可能是需要通过LED补光灯补光的,因为其需要结另外几个传感器综合判断，所有程序继续向下执行。温湿度传感器DTH11被单片机（MCU）识别到的温度为13°C,湿度15 %RH。读取到的月份寄存器为11月份，则综合以上因素考虑，此时为冬季，并且此刻已没有太阳光照射，但是白天太阳光照射后其U值没有达到预定的值，需要LED植物灯补光，补光量为0x11170(7万lux)-0xEA60(6万lux)=0x2710(1万lux)。程序运行PID算法开启智能化补光过程，无需人工外界干预。依次执行以上步骤，逐渐到补光过程结束或者清晨的第一缕阳光普照在蔬菜（或多肉植物）上结束本次补光流程。补光程序结束后单片机程序自动清空AT24C02记录n和W25Q64记录u的位置，则U值为0，意味着新的一天开始，程序开始进入一个新的征程。

本发明依据各种长日照、短日照、中日照蔬菜（或多肉植物）自身对光照强度的补偿点不同首先进行人工设定其参考值，并采用单片机（MCU）程序对实际阳光照射量、光饱和度、照射时间进行综合记录和分析，结合当时的环境温湿度情况使用PID算法合理地对LED植物灯补光灯进行PWM控制和调节，从而科学合理地进行光照补偿或关闭。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。