原创《微型植物工厂补光控制系统设计》
本文是系统设计本科论文开题报告范文与补光和控制系统和植物方面研究生毕业论文范文。
史维东,贾鹤鸣,朱传旭,张 森,邢致恺,强 韬
（东北林业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040）
摘 要：基于STM32F103C8T6单片机设计了一种适用于微型植物工厂的LED补光灯组控制系统,介绍了微型植物工厂补光控制系统的整体设计,详细阐述了单片机系统、传感器系统、人机交互系统、补光系统、供电系统的硬件设计以及微型植物工厂补光控制系统的软件设计,指出该系统根据光照强度传感器采集的数据,并通过STM32系列单片机强大的中断服务系统,实现对LED补光灯组的光照强度的精确控制与调整,完全满足了系统的设计要求,提供了满足植物优化生长的最适光照条件.
关键词：自动控制；单片机；植物工厂；植物生长；补光灯控制；数据采集
中图分类号：TP273；S31文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.08.102
近年来,随着工业化进程的逐步加快和全球人口的进一步增长,人类对赖以生存的地球环境破坏得越来越严重.全球变暖、土地污染、水土流失等问题的出现,使得仅有的可供种植的土地面积进一步减少.植物工厂控制系统是一种新型的资源节约型绿色环保控制系统,该理念最早是由日本学者提出的[1].简而言之,就是运用技术手段,采集环境因子,并通过控制系统自动控制环境因子,使植物始终处于最适生长环境,从而达到缩短植物生长时间、提高产量的目的[2].
光是影响植物生长发育的重要因子之一,对植物的生长发育、形态建成乃至植物体内的基因表达均具有重要的调控作用[3].因此,补光系统在植物工厂控制系统中的作用很大.植物工厂发光二极管（Light Emitting Diode,LED）灯光调节控制系统的重点在于调节和控制.笔者设计的LED补光系统主要从光照强度方面入手,根据不同植物的需求,设定最适光照强度,然后利用单片机和光照强度传感器形成反馈控制,达到调节光照强度的目的.
1 微型植物工厂补光控制系统的整体设计
微型植物工厂补光控制系统主要包括单片机系统、传感器系统、人机交互系统、补光系统和供电系统.传感器系统的光照强度传感器采集光照强度信息,并将光照强度信息进行处理,转换为数字信号,最后传输到单片机系统.单片机系统采用STM32系列单片机作为主控芯片,芯片内部先设置好总的调控逻辑,将传感器系统的数字信号处理后,产生脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）信号,传输到补光系统.补光系统主要由LED驱动和LED补光灯组组成,LED驱动将单片机系统传入的PWM信号进行处理,进而控制LED补光灯的亮度.人机交互系统主要包括液晶显示屏和键盘,液晶显示屏主要用于显示植物工厂内部的光照强度信息,键盘主要用于改变光照强度的设定值.供电系统由一个12 V开关电源供电,光照强度传感器和STM32系列单片机需要3.3 V供电,液晶显示屏和键盘需要5 V供电,LED补光灯组需要12 V供电.
2 微型植物工厂补光控制系统的硬件设计
2.1单片机系统
单片机系统作为整个系统的控制核心,它的处理能力和运行速度关系到整个系统的运行状态.笔者选择STM32F103C8T6单片机,该单片机是基于ARM Cortex-M3内核的高速、低功耗的高性能控制器[4].工作频率为72 MHz,在存储器的0等待周期访问时可达1.25 DMIPS/MHz [5].片内集成了64 kB闪存和20 kB静态随机存取存储器（Static Random Access Memory,SRAM）,内部具有集成电路总线（Inter-Integrated Circuit,I2C或IIC）、串行外设接口（Serial Peripheral Interface,SPI）、通用同步/异步串行接收/发送器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Tranitter,USART）、控制器局域网络（Controller Area Network,CAN）等多种接口模块,并且具有4个定时器,满足该系统的设计要求.
2.2传感器系统
传感器系统主要包括光照强度传感器.光照强度传感器采用BH1750FVI型数字传感器,该传感器对光源几乎没有依赖性,红外线对其影响可以忽略不计,电路结构简单,需要的器件较少,内部集成了16位高精度模拟/数字（A/D）转换器,可检测到的照度范围为1～65 535 lx,精度可达1 lx,最小误差变动范围为&plun;20%,采用标准I2C接口,能方便地与STM32系列单片机的I2C接口通信,实现光照强度信息采集.
2.3人机交互系统
人机交互系统采用工业级1602液晶显示屏.该液晶显示屏属于字符型液晶显示模块,是专门用于显示字母、数字元、符号等的点阵型液晶显示模块.采用8位数据传输方式,提供5×7点阵显示模式和游标模式.同时提供了丰富的指令设置,内部集成复位电路,接通电源时自动复位.工业级液晶显示屏工作温度范围宽、功耗低、对比度高,它可以在-20～70 ℃范围内正常工作,正常工作时的工作电流为550 μA,待机时工作电流仅为30 μA,高对比度可以使其在强烈的阳光下清楚地显示字符.
2.4补光系统
补光系统由LED驱动电路和LED补光灯组组成.LED驱动电路采用两颗D4184金属—氧化物—半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOET）并联组成.MOET是一种将输入电压的变化转化为输出电流的变化的压控型器件,内阻很低,允许通过较大电流.采用双MOET并联的方式,可以进一步降低MOET的内阻,进而增大电流通过能力.笔者采用的驱动电路负载端输入电压范围为直流5～36 V,在常温下允许通过的电流可达15 A,完全满足系统需求.图1为LED驱动电路图.LED补光灯采用的是高亮度贴片LED灯珠,单颗功率为1 W,亮度为100～130 lm,完全满足植物补光的需求.
2.5供电系统
供电系统由直流12 V-直流5 V降压电路和直流5 V-直流3.3 V降压电路两部分组成.5 V供电电路采用RT7272芯片,它是一种效率比较高且电流模式同步降压的电压转换芯片,其输入电压为4.5～36 V,范围宽.RT7272芯片内部集成了一个内阻很低的MOET,用于提高其转换效率.3.3 V供电电路采用TPS7333Q芯片,它是一种微功耗低压差稳压芯片,具有延时微处理器复位功能,内部集成电源电压监控电路,可对稳压器的输出电压进行实时监控.TPS7333Q芯片的压差极低,在输入输出电流为100 mA时,其压差最大值为35 mV.
3微型植物工厂补光控制系统的软件设计
光在植物生长的过程中起着至关重要的作用,是植物完成光合作用的必要条件,甚至还影响着植物某些基因的表达.光照不足或者过量都能导致经济作物减产甚至死亡.因此,在植物工厂中,作物的补光系统起着至关重要的作用.笔者设计的补光控制系统,其主要任务是控制LED补光灯组的光照强度.植物在不同的生长阶段需要的光照强度是不同的,为了使植物在一定的时间内的生长达到最大化,就需要根据植物各个生长阶段的不同需求,精确控制光照强度.
系统采用STM32F103C8T6单片机,该单片机的中断系统很强大,在内核水平上搭载了一个异常响应系统,单片机内部的外设都可以产生中断,其中系统异常有8个,外部中断有60个.除了个别中断的优先级为系统预先设定的以外,其他异常中断的优先级都是定义的.因此该系统以中断为核心,通过单片机响应不同优先级的中断来完成对光照强度的控制.
笔者设计了LED补光灯控制系统中断服务程序,即LED整体亮度控制中断服务程序.其控制系统的程序流程如下：首先,对系统各部分硬件进行初始化,包括定时器初始化、I2C初始化、通用输入/输出（General Purpose Input Output,GPIO）初始化等.然后,STM32系列单片机根据光照强度传感器采集的数据,判断光照强度是否达到设定值,如果达到设定值,则执行其他程序；如果没有达到设定值,则进入LED整体亮度控制中断服务程序,通过比例-积分-微分（Proportion Integral Differential,PID）算法,控制LED补光灯组的光照强度,使其达到设定的数值.图2为控制系统的程序流程图.
4结束语
笔者设计了一套适用于微型植物工厂的LED补光灯组控制系统.该系统采用大功率LED作为照明光源,与传统荧光灯相比,LED光源具有效率高、亮度大、寿命长等优点.该系统根据光照强度传感器采集的数据来调整LED补光灯组的亮度,使之满足植物生长的最适光照条件.该系统采用STM32F103C8T6单片机作为控制核心,其内部包含丰富的硬件资源且具有较高的性能,完全满足系统的控制要求.通过STM32系列单片机强大的中断服务系统,可以实现对LED补光灯组的光照强度的精确控制,完全满足了系统的设计要求,提供了植物优化生长的光照条件.
系统设计论文参考资料：
归纳总结，这是一篇适合补光和控制系统和植物论文写作的大学硕士及关于系统设计本科毕业论文，相关系统设计开题报告范文和学术职称论文参考文献。
