在農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中，光照條件對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)速度、產(chǎn)量以及品質(zhì)都具有重要的影響[1，2]。現(xiàn)階段我國(guó)大部分設(shè)施農(nóng)業(yè)仍依靠白熾燈、鹵鎢燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈等作為光源對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光[3 - 4]，這些傳統(tǒng)的補(bǔ)光方法存在著光譜匹配不理想[5 - 6]、光能利用率低、未考慮其他環(huán)境因素的影響等缺點(diǎn)，其能耗過高導(dǎo)致難以在實(shí)際生產(chǎn)中形成較高投入產(chǎn)出比。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，采用LED冷光源作為補(bǔ)光燈光源的方案也已被提出[7]，可在一定程度解決上述補(bǔ)光光源的問題。但由于大部分研發(fā)方案和產(chǎn)品仍采用定光強(qiáng)、定光質(zhì)的補(bǔ)光方式，未考慮不同植物不同階段需光量的差異，造成補(bǔ)光不足和補(bǔ)光過度并存的現(xiàn)象，仍未能真正意義上解決低能耗精準(zhǔn)化補(bǔ)光的問題[8]。

針對(duì)以上問題，本文研發(fā)了一種智能、精確、節(jié)能的補(bǔ)光系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分考慮不同植物在不同階段不同環(huán)境對(duì)補(bǔ)光需光量的影響。基于分波段光強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)、智能控制技術(shù)等現(xiàn)代電子信息技術(shù)，采用STC12C5A60S2?單片機(jī)作為核心處理器[9]，PT4115 為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)模塊[10]，根據(jù)溫度和光強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類植物在合適環(huán)境下按需分波長(zhǎng)定量補(bǔ)光。在滿足其生長(zhǎng)所需光照前提下，最大程度的提高輸出光能的利用率，具有誤差低、響應(yīng)速度快、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為電源模塊、檢測(cè)模塊、控制模塊、補(bǔ)光模塊、用戶交互模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，電源模塊采用太陽(yáng)能供電，分別提供5V，1 2V 兩種供電電壓，為整個(gè)系統(tǒng)供電; 智能控制模應(yīng)用STC 系列單片機(jī)為核心，根據(jù)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)、設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)PWM?控制信號(hào)的占空比計(jì)算和兩路PWM 控制信號(hào)輸出; 檢測(cè)模塊分波段檢測(cè)紅、藍(lán)光強(qiáng)和實(shí)時(shí)溫度，并將檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后傳入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)環(huán)境信息的檢測(cè); 補(bǔ)光模塊采用兩路帶有PWM?電流控制功能的恒流驅(qū)動(dòng)電路，分別控制紅、藍(lán)光LED補(bǔ)光陣列燈的亮度，從而實(shí)現(xiàn)定量精確補(bǔ)光; 用戶交互模塊采用液晶屏完成檢測(cè)結(jié)果顯示，鍵盤實(shí)現(xiàn)按需閾值修改等功能，完成閾值修改與設(shè)置，有效提高系統(tǒng)使用的方便性、擴(kuò)展性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊由太陽(yáng)能電池板、蓄電池和控制電路組成，整個(gè)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池供電，原理圖如圖2 所示。其中，控制電路的輸入端與太陽(yáng)能電池連接，輸入電壓通過LM317 及其外圍標(biāo)準(zhǔn)電路對(duì)12V蓄電池充電，蓄電池為整個(gè)系統(tǒng)供電。蓄電池輸出端利用MIC29302 穩(wěn)壓變壓模塊輸出12V 穩(wěn)壓電源信號(hào)，并調(diào)整匹配電阻產(chǎn)生5V 穩(wěn)壓電源信號(hào)，從而提供本系統(tǒng)需要12V 和5V 兩個(gè)供電電源。其中，單片機(jī)、檢測(cè)模塊以及用戶交互模塊均使用5V 電源供電，LED 補(bǔ)光模塊采用12V 電源供電。

圖1、電源模塊原理圖