第２２卷第３期 激光生物学 报 Ｖ０ｌ＿２２ Ｎｏ．３ ２０１３年６月 ＡＣＴＡ ＬＡＳＥＲ ＢＩＯＬＯＧＹ ＳＩＮＩＣＡ ３ｕｎ．２０１３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－７１４６．２０１３．０３．００４ 基于单片机 的温室 植物ＬＥＤ补光系统设计 周益民，周国泉，徐一清 （浙江农林大学理学院，浙江临安３１１３００） 摘 要：为解决温室植物对光环境的需求，依据植物对光的选择性吸收特点，突破传统的点、线光源局限，采用 模块化阵列设计理念，研制出了基于单片机的温室植物ＬＥＤ补光系统。该系统配置了由红光、蓝光、远红光和 紫外光四色ＬＥＤ组成单元模块，再由若干个单元模块组成的ＬＥＤ阵列平面光源，采用ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０￥２单片机实 时监测ＬＥＤ基板温度和光强，并通过脉宽调制信号控制红、蓝光ＬＥＤ补光灯亮度，以满足温室植物在不同阶段 对补光量的需求。此外，本系统能够对光质、光强、光周期和工作方式进行动态调节。实际应用表明，该系统具 有操作简便、检测准确的特点，可有效实现定量精确补光，具有很强的实用性和推广性。 关键词：ＬＥＤ；单片机；ＰＷＭ；精确补光；模块化 中图分类号：０４３３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７￣１４６（２０１３）０３－０２１４－０６ Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｅｄ Ｆｏｒ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｐｌａｎｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ ＺＨＯＵ Ｙｉｍｉｎ，ＺＨＯＵ Ｇｕｏｑｕａｎ，ＸＵ Ｙｉｑｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ａ＆Ｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉｎ’ａｎ ３１１３００，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｐｌａｎｔｓ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ｂｒｏｋｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｏｉｎｔ ａｎｄ ｌｉｎｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ｐｌａｎｔｓ， ａｄｏｐｔｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｒ ａｒｒａｙ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｐｌａｎｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＣＵ．Ｔｈｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｒｅｄ ｌｉｇｈｔ，ｂｌｕｅ ｌｉｇｈｔ，ｆａｒ—ｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔ ＬＥＤｓ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ＬＥＤ ｔｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０￥２ ＭＣＵ ｔｏ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｔｅｍ— ｐｅｒａｔｎｒｅ ｏｆ ＬＥＤ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ＰＷＭ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｄ ｏｒ ｂｌｕｅ ｌｉｇｈｔ．Ｔｈｅ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｃｒｏｐｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ，ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｅａｓｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｓ ｌｉ— ａｂｌｅ ｔｏ ｐｏｐｕｌａｒｉｚｅ ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｓｔｒｏｎｇ ｕｓａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ；ＭＣＵ；ＰＷＭ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｌｉｇｈｔ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ；ｍｏｄｕｌａｒ “万物生长靠太阳”，光照是作物进行光合作用 产量和品质。发光二极管（１ｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ，简称 的必备要素之一，光照条件的好坏直接影响作物的 ＬＥＤ）作为新一代光源，除了环保节能的特点外，相 收稿日期：２０１３－０５．２２；修回日期：２０１３－０５－２８ 基金项目：浙江农林大学科研发展基金（２０１ １ ＦＫ０２０）；浙江省科学技术攻关资助项目（２００７Ｃ２２０６４） 作者简介：周益民（１９７６一），男，汉族，浙江临安人，高级实验师，从事生物物理学、光学及其在农林上的应用研究。 （电子邮箱）ｚｙｍ２００９２００９＠１６３．ｃｏｎ 第３期 周益民等：基于单片机的温室植物ＬＥＤ补光系统设计 ２ｌ５ 较于目前农业领域常用的荧光灯或高压钠灯等人工 光源，具有光量可调整、光质可调整、冷却负荷低与 允许提高单位面积栽培量等优点，对封闭有环控的 农业生产环境，如温室、植物组培室等是一种非常适 合的人工光源 。目前单颗超高亮度ＬＥＤ还未能提 矮的形态，较强的红光使得植物茎部过长而出现黄 化现象，因此，合适的红光与蓝光光通量之比即Ｒ／Ｂ 是培育出形态健全的植物的必要条件 Ｊ。光不仅作 为一种能源控制植物的光合作用，而且作为一种信 号源影响植物生长发育的所有方面。蓝光会影响植 供足够的光照强度以供温室植物正常生长，但多颗 ＬＥＤ通过组装设计就能满足温室植物的光需求 Ｊ。 随着半导体技术的发展及ＬＥＤ性能的提高和经济成 物的隐花色素，从而调控植物的向光性等；红光会影 响植物的光敏素而调节植物叶的分化等，所以，通过 改变Ｒ／Ｂ可以调节植物的光形态建成，培育出满足 本的迅速下降，以ＬＥＤ作为光源的植物补光灯不断 面世，相关研究已不鲜见，各有其理论依据和应用价 值。但现有的研发方案和产品多采用小功率的红、 蓝或红蓝光组合，只能获得２或３种组合光谱，与植 物的选择性吸收谱欠匹配，且多采用连续照射方式， 不能对光密度、光周期和照射方式实施定量调 制［３－６］，未考虑不同植物不同阶段需光量的差异，造 成补光不足和补光过度并存的现象，仍未能真正意 义上解决低能耗精准化补光的问题 。 针对以上问题，本文依据植物的光合作用、光形 态建成、光周期调节对光谱的选择性吸收，研发了一 种基于单片机的温室植物ＬＥＤ补光系统，该系统可 以对红、蓝、远红、紫外等４种光色的ＬＥＤ进行精确 组合调制，实现光色、光强和照射时段、时长的分段 自动调控。基于分波段光强检测技术、温度传感技 术和智能控制技术等现代电子信息技术，该系统采 用ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０￥２单片机作为核心处理器 ， ＰＴ４１１５为ＬＥＤ驱动模块 Ｊ，根据温度和光强检测结 果，利用脉宽调制（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，简称 ＰＷＭ）信号实现ＬＥＤ的精确定量补光，以满足温室 植物在不同阶段对补光量的需求。 １ 设计原理 １．１ 温室植物对光的需求 研究 １０－１１ 表明，参与植物光合作用的主要是 ４００－５２０ ｎｍ的蓝光和６１０－７２０ ａｍ的红光，７２０－８００ ｎｍ 的远红光和３１５－４００ ａｍ的紫外光对植物生长也有积 极影响。植物吸收光谱的最强区域是波长为６４０— ６６０ ａｍ的红光部分和波长为４３０－４５０ ｎｍ的蓝光部 分。红光是在转录水平上调节光合机构的组装，从 而直接影响植物的光合作用。蓝光对光合作用的调 控，主要集中于气孔的开启，叶绿体的分化和运动， 以及调节光合作用酶的活性。红光和蓝光对植物生 长发育的影响不同，蓝光有利于植物叶的生长，红光 促进植物茎的伸长。较强的蓝光将使得植物形成较 特定形态需求的植物。波长为７２０—８００ ｎｍ的远红光 有利于增加植株高度，波长为３１５－４００ ｎｍ的紫外光 有利于植物的趋光性和杀灭病菌病毒，减少病害传 播。６１０—７２０ ｎｍ的红光和７２０．８００ ｎｍ的的远红光两 者光通量之比即Ｒ／ＦＲ比对植株高度调节具有重要 影响 １２］。６１０－７２０ ｎｍ的红光能降低植物体内赤霉 素的含量，从而减小节问长度和植株高度；而７２０． ８００ ｎｍ的远红光其作用恰好相反，能提高植物体内 赤霉素的含量，从而增加节间长度和植株高度。 Ｒ／ＦＲ比已成为控制植株形态的一个重要评价参数。 在大自然中随着季节和天气的变化，光照强度是不 同的，隆冬与初春比盛夏与早秋光照弱，阴雨天比晴 天弱，不同的植物对光照强度的要求也不同，阴性植 物需５００－２ ５００ ｌｘ（勒克斯），中性植物需２ ５００— ３０ ０００ ｌｘ强度的光照，阳性植物则需大于３０ ０００ ｌｘ。 温室与大棚中栽培的作物，尤需补光。 １．２补光模式与植物生长 不同的植物需要的光照时间不同，补光模式与 植物的生长和节电又有很大关系 １３］。ＬＥＤ是未来 植物工厂的一种重要光源，它除了节能耗电外，使用 寿命也大大延长，而且可以进行跳动式的问歇照射， 对于植物发育来说比连续照射更具效率。从植物的 光合生理来说，光反应过程分为明反应与暗反应两 个阶段，植物的叶绿素ａ与叶绿素ｂ在接受光照射 后，受光量子激发而产生电子跃迁，形成电流，这些 能量为光合成提供了大量的ＡＴＰ能量，而这种把二 氧碳及水合成有机物的过程却是在暗反应条件下形 成。明反应需要光才能进行，而暗反应不需要光，在 黑暗环境中进行。根据这个机理进行间歇式补光与 连续性补光的对比试验，在光量子相同的情况下，以 明暗周期为１：２且幅度为２００ ｓ：４００ ｐ，ｓ情况下进 行莴巨栽培，发现日生长率可提高２０％一２５％，甚至 达３０％以上，表现出明显的增长效果。并且在试验 中发现，在相同补光时间下，以间歇或脉冲的补光方 式最好，可节能２０％－３０％左右。 ２１６ ２ 设计方法 激光生物学报 第２２卷 为突破传统的点、线光源技术缺陷，本补光板采 用模块化阵列式设计理念 ，选取４种单色ＬＥＤ，以 行、列数各为７之方阵组成单元模块（由８只红光、８ 只蓝光、４只远红光和１只紫外光ＬＥＤ组成），见图 ２，再由若干个单元模块组成ＬＥＤ阵列的平面光源， 每种光色ＬＥＤ先串联再与对应驱动模块连接，达到 均匀照射、快速安装、更换和拓展之目的。 基于单片机的温室植物ＬＥＤ补光系统主要包括 系统硬件（四色ＬＥＤ组合补光模块、驱动电路模块、 控制模块、检测模块和人机接口模块）、光谱组合与 调控方法（光质、光强、照射方式和温度的调控）以及 系统软件。 ２．１ 系统硬件的设计 该系统的硬件部分采用模块化设计，主要由四 色ＬＥＤ组合补光模块、驱动电路模块、控制模块、检 测模块（包括光强检测和温度检测）和人机接口模块 温度检测 光强检测 键盘 ＳＴＣ１２ Ｃ５Ａ６０Ｓ ２７ （包括薄膜键盘和液晶显示）组成，其组成框图如图 １所示。 四色 ＬＥＤ 单片机 母 ２．１．１ 四色ＬＥＤ组合补光模块根据上述原理， ＬＣＤ显示 组合 本研究设计的“四色ＬＥＤ组合补光模块”从多数植 物对光照强度要求的实际情况出发及综合考虑Ｒ／Ｂ、 实时时钟 图１ ＬＥＤ光源系统硬件框图 器 补光 基板 Ｒ／ＦＲ合适比值和适当的紫外光照射强度，确定选择 超高亮圆形ＬＥＤ，其规格如表１所示。 Ｆｉｇ．１ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｈａｒｔ ｏｆ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ 表１ ＬＥＤ发光管的主要光色电参数 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＬＥＤ ２．１．２驱动电路模块ＬＥＤ阵列采用降压恒流驱 为采样电阻。本系统由单片机输出两路ＰＷＭ信号 分别与红蓝光两路ＰＴ４１１５的ＤＩＭ控制端相连，利用 ＰＷＭ的信号控制驱动芯片ＰＴ４１１５的输出电流，由 此实现ＬＥＤ灯组的定量补光。 ２．１．３ 控制模块 控制模块选用ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２ 动方式¨ ，ＬＥＤ可获得恒定的颜色输出。该模块选 用ＰＴ４１１５恒流驱动芯片，驱动电路如图３所示。 ＰＴ４１１５是一款连续电感电流导通模式的降压恒流 源，它具有直流６ Ｖ到３０ Ｖ的较宽输入电压范围，输 出电流可调，最大可达１．２Ａ，可满足驱动点亮Ｎ颗 串并联的小功率ＬＥＤ。ＰＴ４１１５内置功率开关，采用 高端电流采样设置ＬＥＤ平均电流，并通过ＤＩＭ引脚 可以接受模拟调光和很宽范围的ＰＷＭ调光。ＬＥＤ 的最大平均电流由连接在ＶＩＮ和ＣＳＮ两端的电阻 ＲＳ决定，通过在ＤＩＭ管脚加入可变占空比的ＰＷＭ 单片机作为核心处理器，该单片机是深圳宏晶科技 有限公司推出的新一代单时钟８０５１单片机，具有高 速、低功耗及超强抗干扰等特点，采用５ Ｖ电源供 电，具有８路１０位Ａ／Ｄ接口、２路ＰＷＭ输出口，４个 １６位定时器，５６ Ｋ Ｆｌａｓｈ存储空间、１２８０ Ｂ静态存取 内存、１ Ｋ可编程只读存储器，能够满足数据采集、智 能管理、光谱调控、ＰＷＭ信号输出等工作，为系统的 功能实现提供了基础和保障。电路如图４所示。其 信号可以调节输出电流以实现调光，可通过公式 ， ＝０．１×Ｄ／Ｒ 计算，式中Ｄ是ＰＷＭ的占空比， 第３期 周益民等：基于单片机的温室植物ＬＥＤ补光系统设计 ２１７ 图２ ＬＥＤ单元模块 Ｆｉｇ．２ ＬＥＤ Ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｍｏｄｕｌｅ 图３ ＬＥＤ驱动电路原理图 Ｆｉｇ．３ ＬＥＤ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 中，ＰＯ口连接液晶屏的８路数据口；Ｐ１口连接采样 信号和控制ＰＷＭ输出，Ｐ１．０接入红光检测信号、 Ｐ１．１接入蓝光检测信号、Ｐ１．２接入远红光检测信 号、Ｐ１．６接入温度检测信号，从而完成对传感器检测 数据的采集；Ｐ１．３，Ｐ１．４为单片机ＰＷＭ控制端输出 口，其根据单片机计算出与两波段所需补光量对应 的ＰＷＭ信号占空比，输出ＰＷＭ信号对ＬＥＤ灯组的 亮度进行控制。Ｐ２口连接４×４矩阵键盘，Ｐ３．０， Ｐ３．１用于单片机与串口连接的数据读写线，完成程 序的下载；Ｐ３．３．Ｐ３．６为液晶控制端，控制液晶屏实 时显示系统的设定频率、占空比、红蓝远红光光强和 ＬＥＤ基板温度等参数。 ２．１．４检测模块 检测模块利用光照传感器、温 度传感器实时检测温室内部光照强度和ＬＥＤ基板温 度，并将采集数据提供给单片机进行处理，原理图如 图５所示。其中温度检测模块由温度传感器１８Ｂ２０ 及其标准调理电路组成，数据线接入单片机Ｐ１．６ Ｅｌ，实现对温度的采集。光照检测包括红光光强、蓝 光光强和远红光光强检测，采用波长范围在 ４００．５００ ｎｍ的蓝光２ＢＵ６硅光电池、波长范围在６００－ ７００ ｎｍ的红光２ＢＵ６硅光电池和波长范围在７００— ８００ ｎｍ的远红光２ＢＵ６硅光电池作为检测元件，采 用４路运算放大器ＬＭ３２４设计运放电路将硅光电池 的微弱模拟信号分别进行转换和放大，最终将模拟 信号接入单片机Ｐ１．０、Ｐ１．１和Ｐ１．２端口进行Ａ／Ｄ ＶＣＣ５ ＶＣＣ５ Ｂ皿 ； 柏 Ｉ －－Ｔ ＢＩ ＩａＷＭ ＬｕＥ ＬＵ ＥＩ ２ ３９ ＤＢ０ ２３ ｌ＋ ＰｗＭ Ｒ皿 ４ ５ １－、Ｃｓ １蹭 Ｄ０—号 ＤＢ５ ７６ Ｉ ８ Ｉ】Ｉ 孥鬻踟 Ｐ３ ‘１ Ｐ２２．，０１／Ａ／ＡＤＤ１￣ ＂２ｊ Ｐ２０ １０１， ： ・ ￣ＩＫＯＵＴ ｔｒ＇２ｚ．３／Ａ￣ｌ一 ，ｎ ｐＲＲ １６ ＰＰ０３ｊ， ６）ｒＷＩ ｕ：￣ 吼聘 ｒ ｒｒ？ｎ Ｉ Ｐ苗； ２ ４， ）Ｄ ｎ ｌ ２６ ＰＺ５ Ｉ Ｊ工 Ｐ３ 面 ２；／∞￣ｌＪ１； ¨．１Ｉ Ｉ ；；｝ ／ １ ４Ｔ Ｉ 一 图４．控制模块电路原理图 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 转换，从而实现分波段光强检测。 ２．１．５人机接口模块人机接口模块主要包括液 晶显示屏和按键系统两部分，其中显示屏采用 ＦＹＤ１２８６４ ４０２Ｂ液晶显示模块，分辨率为１２８×６４， 采用并行操作方式，可实现系统数据的查询显示；而 键盘采用４×４矩阵键盘，实现对系统相关数据的设 定及改变。 ＬＥＤ基板温度 图５检测模块原理图 Ｆｉｇ．５ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ２．２光谱组合与调控方法 为实现温室光环境调控，需要实时分波段自动 采集温室光照度与ＬＥＤ基板温度，反馈给控制器。 控制器根据设定照度值调节ＬＥＤ驱动电路ＰＷＭ的 占空比，进而调节温室光照度近似等于设定值，最终 达到照度调控以及Ｒ／Ｂ、Ｒ／ＦＲ的设定值。同时，控 ２１８ 激光生制器根据ＬＥＤ基板反馈的温度值与设定值比较，当 温度超过设定值时启动降温风扇。系统ＬＥＤ光环境 调控原理图如图６所示。 图６ 系统光源调控原理图 ． Ｆｉｇ．６ Ｒｅｇｕｌａｔｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃ－ ｔｕｒｅ 系统光照度调整使用增量式的比例积分微分（ＰＩＤ） 算法¨ ，根据变换量按比例调整ＰＷＭ定时器 ＣＣＡＰ１Ｌ、ＣＣＡＰ１Ｈ的值，输出不同占空比的ＰＷＭ信 号调节ＬＥＤ照度，其中ＰＩＤ表达式为Ａｕ ＝Ａｅ 一 一ｌ＋Ｃｅ 。式中Ａｕ 为控制量的增量； 为采样 序号；ｅ 为第ｋ次采样的输入偏差值；ｅ㈧为第ｋ一１ 次采样的输入偏差值。当光照度当前值小于输入设 定值时，则ＰＷＭ波形占空比增加，当光照度当前值 大于输入设定值时，则ＰＷＭ波形占空比减小，直到 输出值等于设定值，通过不断检测与调整，保持光照 度恒定。 ＬＥＤ基板由于ＬＥＤ数量较多，在工作中会产生 热量的积累，而热量的积累会降低ＬＥＤ的发光性能， 甚至引起严重的光衰现象。为保证ＬＥＤ的发光性 能，ＬＥＤ基板温度通过温度传感器检测，当温度高于 设定值时，单片机控制启动降温风扇，使系统工作在 安全的温度范围内。 为了提高补光效率，本系统对ＬＥＤ照射方式进 行调控，可选择连续、间断或闪烁的补光模式。其中 频闪设定范围为０．１～９．９ ｓ，问隔设定范围为 １～９９ ｍｉｎ，并可进行定时设置，使补光灯仅在植物需 要补光的时期照射，其余时问都关闭，以达到降耗节 能的目的。 ２．３系统软件设计 系统软件采用模块化程序设计思想［１７］，用Ｃ语 言编写，程序流程图见图７，主要包括主程序模块、时 基调控模块、检测模块、ＰＷＭ信号控制模块和显示 模块等。子模块各司其能，有主程序统筹协调各模 物学报 第２２卷 块依存关系，以期达到操作界面友好，控制效果理 想，系统高度稳定的目标。系统首先完成各模块的 初始化，并进行系统参数设置，包括温度、红蓝红外 光强设定和．后采集温室光环境参数和ＬＥＤ基板温 度并把参数实时显示在液晶屏上。接下来进行测量 值与设定值得比较，利用相关算法对光照度和温度 以及Ｒ／Ｂ、Ｒ／ＦＲ等数据进行调控，达到对温室植物 实施精确补光的目的。 ３ 结论 本文研发了一种基于ＳＴＣＩ２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机的 温室植物ＬＥＤ补光系统，采用红、蓝、远红、紫外等４ 种光色的ＬＥＤ进行精确组合调制，根据温度、光照传 感器监测结果，通过核心处理器的ＰＷＭ信号，控制 特定波长的红、蓝、两路ＬＥＤ灯组驱动电流，实现光 色、光强和照射时段、时长的分段自动调控，并有多 种工作方式（闪频、连续和间断），其发射光谱与作物 的选择性吸收相匹配，用于温室植物补光，针对性 强，光效高。系统试验证明其具有良好的稳定性，可 满足在不同阶段对不同温室植物进行智能化、精确 化的补光要求，具有很强的实用性和推广性。 参考文献 ［１］ 周国泉，吴家森，汪小刚．三色发光二极管组合灯补光对生 菜生长及光合特性的影响［Ｊ］．长江蔬菜，２０１０（４）：３０－３３． ＺＨＯＵ Ｇｕｏｑｕａｎ．ＷＵ Ｊｉａｓｅｎ．ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｇａｎｇ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｌｌｕｍｉ－ ｎａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｃｏｌｏｒ ｈｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｌａｃｔｕｃａ ｓ０一 ｔｉｖａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｊｉａｎｇ Ｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ，２０１０（４）：３０－３３． ［２］ 周国泉，徐一清，付顺华，等．温室植物生产用人工光源研 究进展［Ｊ］．浙江林学院学报，２００８，２５（６）：７９８－８０２． ＺＨＯＵ Ｇｕｏｑｕａｎ，ＸＵ Ｙｉｑｉｎｇ，ＦＵ Ｓｈｕｎｈｕａ，ｅｔ ａ１．Ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｇｅｅｎｈｏｕｓｅ ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｚｈｅ— ｊｉａｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，２００８，２５（６）：７９８－８０２． ［３］ 魏灵玲，杨其长，刘水丽．ＬＥＤ在植物工厂中的研究现状与 应用前景［Ｊ］．中国农学通报，２００７，２３（１１）：４０８－４１１． ＷＥＩ Ｌｉｎｇｌｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｑｉｃｈａｎｇ，ＬＩＵ Ｓｈｕｉｌｉ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ｉｎ ｐｌａｎｔ ｆａｃｔｏｙｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２００７，２３ （１１）：４Ｏ８＿４１１． ［４］ 曲溪，叶方铭，宋杰琼，等．ＬＥＤ灯在植物补光领域的效用 探究［Ｊ］．灯与照明，２００８，３２（２）：４２＿４５． ＱＵ Ｘｉ，ＹＥ Ｆａｎｇｍｉｎｇ，ＳＯＮＧ Ｊｉｅｑｉｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ＬＥＤ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌｍ ｏｆ ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｏｎ ｐｌａｎｔｓ［Ｊ］．Ｌｉｇｈｔ＆Ｌｉｇｈｔｉｎｇ，２００８，３２（２）：４２－４５． ［５］ ＪＡＯ Ｒｕｅｙｃｈｉ，ＦＡＮＧ Ｗｅｉ．Ａｎ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｐｈｏｔｏ— ｐｈｙｔｏ ｒｅｌａｔｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｙｏｕｎｇ ｐｌａｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｅｎｇ 第３期 周益民等：基于单片机的温室植物ＬＥＤ补光系统设计 ２ｌ９ Ａｇｒ，２００３，１９（５）：６０１－６０８． ［６］ ＪＡＯ Ｒｕｅｙｃｈｉ，ＬＡＩ Ｃｈｉｅｎｅｈｏｕ，ＦＡＮＧ Ｗｅｉ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｚａｎｔｅｄｅｓｅｈｉａ ｐｌａｎｔｌｅｔｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ ａｎｄ ｔｕｂｅｒ ｆｏｒｍａ— ｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｌｉｇｈｔ—ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ［Ｊ］．Ｈｏｒｔ Ｓｃｉ，２００５，４０（２）： ４３６－４３８． ［７］ 胡永光，李萍萍，邓庆安，等．温室人工补光效果的研究及 补光光源配置设计［Ｊ］．江苏理工大学学报（自然科学版）， ２００１，２２（３）：３７－４０． ＨＵ Ｙｏｎｇｇｕａｎｇ，ＬＩ Ｐｉｎｇｐｉｎｇ，Ｄｅｎｇ ｑｉｎ’ａｎ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｒｉｔｉｉｆｃａｌ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ｉｎ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ），２００１，２２（３）：３７－４０． ［８］ 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Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｂａｎａｎａ ｐｌａｎｔｌｅｔｓ ｃｕｌｔｕｒｅｄ ｖｉｔｒｏ ｕｎｄｅｒ ｒｅｄ ａｎｄ ｂｌｕｅ ｌｉｇｈｔ—ｅｍｉｔ－ ｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ（ＬＥＤ）［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｈｏｒｔｉｃ，２００２，５７５：１ １７—１２４． ［１４］ 周国泉，郑军，周益民，等．温室植物生产用ＬＥＤ组合光 源的优化设计［Ｊ］．光电子・激光，２００８，１９（１０）： １３１９．１３２１． ＺＨＯＵ Ｇｕｏｑｕａｎ，ＺＨＥＮＧ Ｊｕｎ，ＺＨＯＵ Ｙｉｍｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＬＥＤ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ・Ｌａｓｅｒ，２００８， １９（１Ｏ）：ｌ３１９－１３２１． ［１５］ 陈辉煌，佘明辉．基于ＬＥＤ光源的温室光环境监测与控制 系统设计［Ｊ］．电子技术，２０１２（８）：２４－２７． ＣＨＥＮ Ｈｕｉｈｕａｎｇ，ＳＨＥ Ｍｉｎｇｈｕｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２（８）： ２４＿２７． ［１６］ 邹恩．基于模糊理论的电阻炉温度控制［Ｊ］．仪表技术与传 感器，２０００（１０）：４１－４２． ＺＯＵ Ｅｎ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｆｕｒｎａｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｕｚｚｙ ｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ，２０００（１０）： ４１４２． ［１７］ 刘晓英，徐志刚，焦学磊，等．可调ＬＥＤ光源系统设计及 其对菠菜生长的影响［Ｊ］．农业工程学报，２０１２，２８（１）： ２０８－２１２． ＬＩＵ Ｘｉａｏｙｉｎｇ，ＸＵ Ｚｈｉｇａｎｇ，ＪＩＡＯ Ｘｕｅｌｅｉ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ＬＥＤ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｓｐｉｎａｃｈ ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＡＥ，２０１２，２８（１）：２０８－２１２．