一种植物培养箱的多色光照装置的制作方法

本发明涉及的是在生物培养箱内实现LED多色光照功能的一种植物培养箱的多色光照装置。

背景技术：

地球上一切具有生命特征的物体都是以植物(或微生物)的光合作用为基础而存在的。植物的光合作用需要有光进行照射，光提供植物进行光合作用所需要的能量，同时光质、光谱也对植物的光合作用产生重要影响。在自然光逐渐无法满足人类的生产和生活需求时，光照培养箱被发明并加以利用。光照培养箱是已经成为农业、林业、医学等部门所必须的实验设备。

光质，即光的颜色，对植物的生长和发育产生重要作用。同时光质也影响植物进行光合作用的效率。光信号被植物体内不同的光受体所感知，每一种光受体被其所对应的光质所触发，因此对植物的光合作用、生长等产生影响。可见光一般划分为：红光(650～700nm)、橙光(650～650nm)、黄光(560～600nm)、青光(470～500nm)、蓝光(430～470nm)、紫光(390nm以下)。植物有选择性地吸收光，不同植物吸收光的光谱也是各不相同，但是基本上对红橙光和蓝紫光吸收量最大。研究也表明，植物在红橙光和蓝紫光下的光合效率比较高。所以在此要实现多色光照控制，来让植物更好更高效地进行光合作用。光照培养箱内培养植物的种类不同，工作人员可以参照植物的各个阶段所需的光色要求来进行控制，从而提高植物培养箱的经济效益。

目前绝大多数的光照培养箱采用普通的人工光源进行光照，不具备多色光照的功能，不能满足科研工作人员对光谱、光色对植物进行光合作用的影响，更无法提高培养箱培养植物的效率。在查阅的文献资料后，未见关于多色光照技术在植物培养箱上的具体应用及具体实现方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种植物培养箱的多色光照装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种植物培养箱的多色光照装置，包括LED驱动电路、光强度检测电路、控制模块，其中控制模块是采用MSP430F5529单片机最小系统进行控制的，LED驱动电路采用LM3404恒流驱动器实现LED恒流工作，光强度检测电路采用GY-30光照强度传感器模块来检测的，单片机控制系统调节LED恒流驱动电路来改变LED灯的光照强度，GY-30光照强度传感器实时检测植物培养箱内的光照强度，并输出一个数字信号与所设定的光照强度信号进行对比，形成一个闭环控制电路来控制光照强度信号；

GY-30光照强度传感器模块是一款光照强度数字转换器，通过I2C总线与单片机连接。GY-30能分辨出1-65535勒克斯的光照强度，GY-30有5个引脚，其中VCC引脚接3.3V电压，GND引脚和ADDR引脚均接地，SCL引脚接MSP430F5529单片机的P6.1管脚，SDL接MSP430F5529单片机的P6.2管脚，SCL和SDL均需要加上拉电阻R45、R46；

MSP430F5529具有4个能输出PWM的I/O口，其中一路白光调光光路接MSP430F5529的PWM输出引脚P2.5上，一路蓝光调光光路接MSP430F5529的PWM输出引脚P2.4上，一路红光调光光路接MSP430F5529PWM输出引脚P1.5上；每一路的6个LED灯以串联的方式接在电路中，串联电路能够保证在每一路上的每一个LED灯流过的电流都是相等的，从而达到每一路的同颜色的LED灯亮度一样；不同颜色的LED灯有不同的额定工作电压，其中，白色LED灯的额定工作电压为3.0V～3.3V，红色LED灯的额定工作电压为2.0V～2.3V，蓝色LED灯的额定工作电压为3.0V～3.4V。

本发明的有益效果在于：为了提供光照培养箱内培养植物光合作用的效率，实现培养箱经济效益最大化，设计了一种多色光照培养箱。该多色光照培养箱比普通的光照培养箱可以极大地提高植物光合作用效率。

附图说明

图1总体硬件框图。

图2 LED电路控制系统框图。

图3 GY-30接线原理图。

图4 MSP430F5529单片机最小系统原理图。

图5 LED驱动电路的原理图。

图6增量式PID控制LED的流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提出采用在光照培养箱内采用LED灯来达到实现多色光照的功能，并且实现恒定光照控制。培养箱具备多色光照功能，工作人员就能根据不同植物生长所需光质的要求来设置光照培养箱中光照条件，极大地提高光合作用效率，达到植物培养箱具备更好的经济效益。

在植物培养箱中实现多色光照功能，主要通过LED多色光照电路、GY-30光照强度传感器检测电路来实现恒定光照控制。图1为总体硬件框图，电源供电电路提供MSP430F5529单片机最小系统工作电源，MSP430F5529单片机最小系统控制LED驱动控制电路来调节LED灯，GY-30光照强度传感器检测LED灯的光照强度并反馈给单片机最小系统控制电路，从而形成闭环控制电路。

LED多色光照电路采用MSP430系列的单片机进行控制。硬件电路中涉及LED驱动电路、光强度检测电路、控制模块等。其中，控制模块是采用MSP430F5529单片机最小系统进行控制的，LED驱动电路采用LM3404恒流驱动器实现LED恒流工作，光强度检测电路则是采用GY-30光照强度传感器模块来检测的。图2为LED电路控制系统框图，通过设定光照强度值，单片机控制系统调节LED恒流驱动电路来改变LED灯的光照强度，GY-30光照强度传感器实时检测植物培养箱内的光照强度，并输出一个数字信号与所设定的光照强度信号进行对比，这样形成一个闭环控制电路来控制光照强度信号。

GY-30光照强度传感器模块是一款光照强度数字转换器，通过I2C总线与单片机连接。GY-30能分辨出1-65535勒克斯(lux)的光照强度，同时它对光源的依赖性不大，能检测各种光源发出的光照强度。图3为GY-30接线原理图，GY-30有5个引脚，其中VCC引脚接3.3V电压，GND引脚和ADDR引脚均接地，SCL引脚接MSP430F5529单片机的P6.1管脚，SDL接MSP430F5529单片机的P6.2管脚，SCL和SDL均需要加上拉电阻R45、R46。

本发明采用MSP430F5529单片机最小系统来进行LED光照的控制与恒定光照的PID控制算法实现。MSP430F5529是一款16位的单片机，具有超低功耗、集成USB、比较丰富的片内外设、16位RISC结构运算能力强、开发周期短等特点，最近几年被逐渐运用于工业控制系统中，特别在医学智能仪器上面得到了广泛的运用。MSP430F5529的3.3V的工作电压，具有超低功耗的工作模式包括：活动模式(AM)、待机模式(LPM3)、关闭模式(LPM4)、关闭模式(LPM5)。其中，MSP430F5529单片机处于活动模式(AM)时系统的时钟频率为8MHz，此时只需要150μA的电流；MSP430F5529单片机处于待机模式(LPM3)时只需要2.1μA的工作电流且RAM数据保持、能快速唤醒；MSP430F5529单片机处于关闭模式时，此时的工作电流为1.1μA，系统仍能RAM数据保持，且能电源监控，及时快速唤醒；MSP430F5529单片机处于关断模式(LPM5)时，系统的工作电流仅为0.18μA。MSP430F5529单片机能较快从待机模式下唤醒，此唤醒过程仅需时间为3.5μs，具有4个定时器、2个通用串行通讯接口、一个全速USB接口。图4为MSP430F5529单片机最小系统的原理图。

植物在生长的不同阶段对光照强度的需求是不一样的，所以调节光照强度是重点，同时当设定一定的光照强度后，要达到恒定光照调节也是一个重点要解决的问题。在此采用脉宽调制(PWM)调光，PWM调光具有精度高、效率高、调光不会产生色谱偏移、调光时没有闪烁现象等优点。植物一般在红橙光和蓝紫光下光合作用效率比较高，为此利用三路PWM控制信号来分别调节红光、蓝光、白光的光强度的调节，实现多光色控制，利用PID控制器来实现恒定调节光照强度控制。根据植物光合作用所需的光色，利用调节三路PWM的占空比来LED灯的光照强度、光谱来形成多色光照，或将三路不同颜色的LED灯进行替换达到多色光照的目的。

LED的亮度与电路中的电流成正比关系，在此选择调节电流的大小来改变LED灯的发光亮度。本发明采用三路调光，每一路上有6个LED灯，这样使整个光照培养箱内的光照强度达到可调节光强度的范围。其中，要实现多色光照，所以在调光电路中采用红光、蓝光、白光，三路调光电路中每一路的6个LED灯均是同一颜色，也可以根据培养植物的光照要求，对三路调光电路上的LED灯进行颜色替换。MSP430F5529具有4个能输出PWM的I/O口，其中一路白光调光光路接MSP430F5529的PWM输出引脚P2.5上，一路蓝光调光光路接MSP430F5529的PWM输出引脚P2.4上，一路红光调光光路接MSP430F5529PWM输出引脚P1.5上。通过MSP430F5529来控制和调节PWM控制信号的占空比来控制三路调光LED灯的发光亮度来达到多色光照的效果。每一路的6个LED灯以串联的方式接在电路中，串联电路能够保证在每一路上的每一个LED灯流过的电流都是相等的，从而达到每一路的同颜色的LED灯亮度一样。不同颜色的LED灯有不同的额定工作电压，其中，白色LED灯的额定工作电压为3.0V～3.3V，红色LED灯的额定工作电压为2.0V～2.3V，蓝色LED灯的额定工作电压为3.0V～3.4V。因此，每一个有6个LED灯泡串联工作需要的电压也不一样。一路6个红色LED灯串联电路两端需要12V的工作，一路6个白色LED灯串联的电路两端需要18V的工作电压，一路6个蓝色LED灯泡串联电路两端需要18V的工作电压。根据以上工作电压的需求，在此采用LM3404恒流驱动器。

(1)根据设计的硬件原理图与PCB来进行电路板的焊接工作，然后对焊接完成的电路板进行测试，这部分的测试工作主要包括，测试的整个过程包含很多步骤，每一个步骤都需要对电流、电压、电阻、频率、波形等物理量进行测试，硬件测试需要我们使用万用表对以上物理量进行测量是否符合设计要求，同时还需要使用示波器来检测调试硬件所输出的波形是否正确。

(2)将GY-30光照强度传感器连接到MSP430F5529单片机最小系统上。然后将整个硬件电路放置于亚克力板搭建的光照培养箱模型内，再通过RS232串口将MSP430F5529单片机最小系统与上位机相连接进行通信。

(3)将一些植物放置于培养箱模型之内，查询该种植物光合作用所需要的光照强度、光色、光照周期，然后在上位机界面上进行设置。

(4)根据设置的光照参数，GY-30光照强度传感器实时检测培养箱模型内的光照强度，并将检测的信号与设定的光照强度进行比较，来控制相应的PWM占空比及三路PWM控制信号的输出。

(5)MSP430F5529控制芯片将PWM控制信号输出给LM3404恒流驱动芯片，本发明的电路板上的输出管脚可以直接输出的3.3V来进行供电。LM3404恒流驱动芯片可以将3.3V的输入电压升压到42V，满足每一路LED灯控制电路所需要的工作电压。LM3404以固定的频率来接通和断开开关器。在LED驱动电路中，流经L1的电流因电容C3的接地而变得平滑，从而为电路中的6个LED提供稳定的电流。LM3404芯片控制内部开关的占空比，EN/DIM为PWM波形输入LM3404芯片的引脚，PWM波形的逻辑高电平将使能LM3404芯片，PWM波形的逻辑低电平不能使能LM3404芯片。本发明就是这样通过调节PWM的占空比，从而来调节光照强度的大小。

(6)本发明中需要控制光照强度满足要求，需要调节的过程比较稳定、快速，就加入了PID算法来进行光照调节。本发明的光照控制部分采用MSP430F5529控制芯片进行控制，并利用RS232串口与主控的ARM9控制器进行通信。采用增量式PID控制算法来对光照培养箱内的光照强度进行调节，为此首先对MSP430F5529进行初始化设置。其中MSP430F5529单片机具有63个I/O、2个SPI、2个I2C、16个12位的ADC、USB2.0、6个定时器和4个PWM定时器等。采用MSP430F5529的6个定时器中的3个定时器来控制实现3路PWM输出，PWM信号输出至LED驱动板上LM3404的EN/DIM引脚，从而控制3路LED灯的光照强度。MSP430F5529单片机的工作频率为25MHZ，将PWM的初始频率设置为2KHZ，之后根据系统设置的光照强度而系统改变PWM的频率。在所采用的3个定时器的中断处理函数中进行数字PID算法控制，实现恒定时间进行采样的效果。为了采集光照传感器GY-30检测的电信号，需要对MSP430F5529单片机的ADC进行配置。在进行配置ADC之前，首先开启GPIO的时钟和复用时钟，ADC以独立模式进行工作，开启扫描模式和循环模式，选择软件触发转换，ADC数据对齐，开启DMA支持以及ADC校准。

通过以上的配置，可以在MSP430F5529单片机上采用增量式数字PID控制器来控制LED发光强度。图5为增量式数字PID控制LED的流程，系统开始运行，首先PID结构体初始化并设定目标值K_i、K_p、K_d，然后将采样光强数据进行滤波，来获取当前误差。根据当前偏差、上一次偏差以及再前一次偏差，对比例误差、积分误差和微分误差赋值，获得比例环节增量、积分环节增量、微分环节增量，再求出总控制量uk和总控制增量delta_uk。当控制量uk超出限幅时,则控制量uk等于控制限幅值Ukmax，此时控制量uk映射为PWM占空比，控制定时器输出PWM波；当控制量uk没有超出限幅时，则控制量uk映射为PWM占空比，控制定时器输出PWM波。同时在输出PWM波时会保存偏差用于下次PID计算，返回到采样光照数据进行滤波处理阶段，循环往复地进行控制。