基于PWM的亮度智能调节系统设计 ——毕业论文

1、基于pwm的亮度智能调节系统设计摘 要光合作用是植物能量合成的最重要生理过程，而光照、温度等因素是影响光合作用的主要因素。温室由于受覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响，尤其是在冬季、早春和连阴雨季节，温室内光照度往往不能满足作物生长需求。人工补光对作物生长具有重要作用。led作为一种新型光源，可解决常用高压钠灯、白炽灯、卤钨灯等补光技术的光谱不匹配、耗能高等问题，在作物补光系统中具有广阔应用前景。基于不同植物、不同阶段、不同外界环境下需光量的差异，提出了采用led的智能调光方法。本设计通过监测影响光合作用的红蓝光特定波段光强、环境温度，在光合作用有效温度范围内，计算特定波段目标光强与实时光

2、强的差值，实现按需精确补光。为实现以上功能本设备以stc12c5a60s2单片机为核心，选择合适温度传感器和光照传感器，实时监测温度以及光合作用主要吸收波段的光强，通过对应的pwm信号占空比变化，以支持对不同植物在不同生长阶段、不同环境下的按需分波长定量补光。实验结果表明，该系统是可行的，可以实现准确地根据补光波段。同时，该系统具有高效、错误率低、响应快、使用方便、成本低、易维护等特点。关键词：pwm；补光；定波段the design of light intensity intelligent control system based on pwmabstractphotosynthesis

3、 is the most important physiological process for the plants in the generation of energy. light and temperature constitute the main factors that affect the process of photosynthesis. affected by factors such as the coating materials, dust and shading light structure, luminance in the greenhouse usual

4、ly cannot meet the need of plants for the proper growth, especially in winter, early spring and plum rain season. artificial light technology plays an important role in enhancing the growth of plants. as a new kind of light source, led solves the problems as unsatisfactory spectral matching and high

5、 energy consumption which exists in high pressure sodium lamps, incandescent and halogen tungsten lamp, illustrating a good prospect of application and extension in light supplement systems for crops.based on the fact that the light required by plants in different growing stages in different externa

6、l environmental are not the same, this paper presents intelligent dimmer method based on led. this design by monitoring blue and red light intensity in the exact band and environmental temperature that affect photosynthesis, calculate the d-value of target and real time light intensity in the effect

7、ive temperature range of photosynthesis, achieve accurate light complementing as needed. to achieve the function above, this equipment chooses the microcomputer of stc12c5a60s2 as the central processing unit, and appropriate temperature and light sensor, monitoring temperature and the main band of p

8、hotosynthesis light intensity, via the change of pwm signal duty cycle, so it can support accurate light complementing of different plants, different growth stage and different environment. results of experiments show that the designed system is feasible and can realize light supplement accurately a

9、ccording to wavebands. meanwhile, the system has advantages of low-error rate, fast response, easy using, low cost, easy maintenance etc.keywords：pwm; light complementing; exact band目录1 绪 论11.1研究背景11.2 国内外研究现状11.3 设计内容31.4 章节安排32 关键器件选型52.1 单片机选型52.2 传感器选型72.2.1 光照传感器选型72.2.2 温度传感器选型82.3 led驱动芯片选型92

10、.4 太阳能电池选型102.5 lcd显示屏选型112.6 本章总结123 硬件电路设计与实现133.1 硬件电路设计软件简介133.2 电源模块设计133.3 检测模块设计143.4 补光模块设计153.5 控制模块设计163.6 显示模块设计163.7 键盘电路设计173.8 设备实物图183.9 本章总结184 软件设计与实现194.1 应用软件介绍194.1.1 单片机开发软件keil uvsion4194.1.2 串口调试助手204.1.3 stc单片机isp下载软件stc_isp_v4.8214.2 主程序设计214.3 温度采集程序设计224.3.1 ds18b20测温原理224

11、.3.2 ds18b20的温度转换244.4 光强采集程序设计254.4.1 isl29010工作方式介绍254.4.2 照度计算274.5 显示程序设计284.5.1 lcd指令表284.5.2 lcd初始化程序设计294.5.3 显示菜单设计294.6 按键扫描程序设计304.7 pwm控制程序设计314.8 本章总结325 实际应用结果335.1 补光效果实验335.2 节能试验356 总结与展望366.1总结366.2展望36参考文献38附录一40附录二46致 谢51 i1 绪论1 绪 论1.1研究背景光合作用是植物能量合成的源泉1-3，光照作为植物进行光合作用的必备要素之一，光照条件

12、的好坏直接影响作物的产量和品质。温室大棚等农业设施由于受覆盖材料、灰尘以及结构遮光等因素的影响，其光照状况仅为大田的30%-70%。尤其是在冬季、早春和连阴雨季节，设施内光照度往往不能满足作物生长的需求，从而导致温室植物缺光现象造成植物生长效率低下。人工补光技术可延长光合作用时间、提高光合作用效率，提高作物生产效益4。例如，人工补光技术可使茄果类作物产量增加20%-30%，成熟期也提前7-10天，带来可观的经济效益。因此，人工补光成为可控环境温室管理的有效方式，如何在投入最小的条件下更大程度的提高光合效应，成了人们研究的关键问题，得到越来越多的重视。随着半导体技术的发展，新一代led光源具有热

13、量较低、中心波长选择性强、输出光谱谱线宽度窄等特点，可避免传统光源的常见问题，植物led补光系统成为近期研究热点5-7。针对以上背景，本设计提出了一种基于光合作用机理的植物智能补光的方案并研制了相应的设备，旨在提高现有led补光系统的精准性、适应性和通用性。该系统可根据各类植物不同生长期的特点和外部环境，按需分波段定量补光，从而满足不同作物种植需求8，使其在投入最小的条件下最大程度地提高农作物产量和质量。本作品充分利用现代植物生理的研究成果，以及电子信息和智能控制技术，实现了设施农业补光过程的精准化、智能化和数字化，可有效提升设施农业生产管理水平，加快传统农业向现代农业转变。1.2 国内外研究

14、现状人工补光技术被提出并得到广泛研究与利用。在以往的大棚补光系统中，作为补光用的光源主要有白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、低压钠灯及金属卤化物灯，led灯等，其中高压钠灯和新崛起的led灯是温室补光的最主要光源。这些光源应用在植物生长中存在着缺陷，其能够被植物吸收的只是个别波段的光，光源发射白光光谱或线状谱线，光谱匹配不理想，其他波段的光都被浪费，不节能；另外，这些光源产生较多热量，不能近距离照射植物，使光能的利用效率不高。例如应用最广的高压钠灯其光谱能量分布为：红、橙光占39%40%，绿、黄光占51%52%，蓝、紫光占9%16。虽然绿光和黄光这两种光占的比例很大，但是它们对于光合作

15、用效率的影响很小，红、蓝两种光没有更多、更充足的被利用。另一方面，金卤灯和钠灯实际光利用只占电耗的20%左右17，钠灯产热较多钠蒸汽，放电会产生超过1273.15k的高温。当植物在适宜的光合作用温度范围内，附加的热量会造成环境温度超过叶绿素活性温度范围，继而光合效率下降；而且钠灯位置离植物距离远，使光不能充分利用。加之光合作用研究的深入，新的补光系统的研究被提出。近年来随着对植物光合作用的研究发现，植物对光的吸收能力的强弱，取决与叶绿素a，叶绿素b等色素对光的吸收效果。叶绿素a的吸收光谱峰值在420nm和660nm附近，叶绿素b的吸收光谱在435nm和643nm附近。由于在光谱中，红光的波长在

16、620-770nm内，蓝光的波长在400-510nm内，说明叶绿素a和叶绿素b对红光和蓝光吸收能力最强18。研究发现不同光波生理辐射特性不同，用富含红光的光源进行人工补光，在适宜的光照时数下，会使植物的发育显著加速，可促使植物体内干物质的积累，促使鳞茎、块根、叶球以及其他植物器官的形成，引起植物较早开花、结实。其次是蓝光辐射，植物吸收的光能约占生理辐射光能的8%左右，用富于蓝光的光源进行人工补光，可延迟植物开花，使以获取营养器官为目的的植物充分生长16。然而不同植物的光饱和点不同15，所需光质不同，因此定波段补光的研究成为又一热点。led灯可针对特定波长进行补光，因而进几年成为研究热点。由于具

17、有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光的优点19，因此其被作为农业用灯而看好。led可对植物近距离照射和对空间的不同位置进行不同波长的逐点照射，同时led工作时发光时表面温度不到40，一般大功率led工作结温度为80左右，最高结温为15020，产生热量与钠灯相比减少很多，不仅减少耗能，而且避免了过高增温造成的光合作用效能下降，进而实现使用耗能较少的光源从而达到优于传统灯具及照射方式的补光效果。由于光合作用包括光反应和暗反应两个部分，尤其是与光有直接关系的步骤，不包括酶促反应，因此光反应部分受温度的影响小，甚至不受温度影响；而暗反应是一系列酶促反应，明显地

18、受温度变化影响和制约。在冷害温度（112以下），植物在光合速率明显下降。例如c4植物的玉米，当温度从20降到5时，其光合速率降低幅度竟达9021。由此发现当温度低于正常光合作用的最低温度时，即使提高光照强度，由于植物光饱和点前移，也达不到提高光合效率的目的，相反造成能源浪费。故应考虑在补光过程在合适的温度范围内进行，考虑温度对补光量的修正。现在已有了“智能化立体补光系统项目”22，它采用与植物光合作用吸收光谱相匹配的光谱技术，依据植物光合作用只对特定波段光的吸收特性，采用同光合作用吸收谱相匹配的红橙绿蓝紫光led的集成作为光照系统。然而其led补光系统没有考虑不同植物的光饱和点不同，所需光质不

19、同的问题，最大限度利用led灯的优点，针对每一种农作物定向、定量的对于光进行监测和补充。同时忽略了温度对光合作用的影响，实际中仍然会在光的利用以及资金方面产生很大的浪费，使农作物的产量不能得到更有效的提高。1.3 设计内容系统采用模块化设计，包括电源模块、检测模块、控制模块、补光模块以及用户交互模块，系统框图如图1.1所示。其中电源模块分别采用太阳能和220v市电两种供电模式，太阳能分别提供5v、3v两种供电电压为系统供电；检测模块检测实时温度和分波段检测红、蓝光强，将检测信号进行处理后传入单片机，实现温度、光照信息的数据采集；控制模块采用stc12c5a60s2单片机为核心，根据用户所设阈值

20、以及检测模块采集到的数据，计算对应pwm控制信号的占空比，并输出两路pwm控制信号；补光模块采用多组两路恒流驱动电路，利用pwm控制技术，分别控制红、蓝光led补光灯组的亮度，考虑到实际大规模应用中led灯组输出耗电问题采用由220v供电；用户交互模块分别采用液晶屏完成检测结果显示，键盘实现对阈值的处理等功能。图1.1 系统框图如图1.4 章节安排本论文章节结构按如下安排：第一章介绍补光系统的研究背景、国内外研究现状以及本论文的设计内容。第二章给出主要器件类型的选择以及对设计中用到的元器件的介绍。第三章硬件电路的设计与实现，包括单片机外围电路的设计、电源模块的设计、检测模块设计、补光模块设计、

21、控制模块设计、显示模块电路设计以及键盘电路设计。第四章主要是软件设计与实现，介绍单片机开发软件keil，串口调试助手软件，stc单片机下载软件，重点是各个模块软件设计，第五章实际应用结果。对本系统实际运行过程中做的一些功能验证试验和节能验证试验进行了简单说明。第六章总结与展望。- 51 -2 关键器件选型2 关键器件选型2.1 单片机选型单片机采用型号为stc12c5a60s2，此系列单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期(1t)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成max810专用复位电路，2路pwm，8路高速10

22、位a/d转换(250k/s)，针对电机控制，强干扰场合。stc单片机管脚图如图2.1所示。图2.1 stc12c5a60s2单片机管脚图stc12c5a60s2具有以下标准功能： 增强型 8051 cpu，1t，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 工作电压：stc12c5a60s2 系列工作电压：5.5v-3.3v（5v单片机）stc12le5a60s2系列工作电压：3.6v-2.2v（3v单片机） 工作频率范围：0-35mhz，相当于普通8051的0-420mhz 用户应用程序空间8k/16k/20k/32k/40k/48k/52k/60k/62k字节 片上集成1280字节ram

23、 通用i/o口（36/40/44），复位后为：准双向/弱上拉（普通8051传统i/o口）可设置为四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个i/o口驱动能力均可达到20ma，但整个芯片最大不要超过55ma isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 有eeprom功能 看门狗 内部集成max810专用复位电路（外部晶体12m以下时，复位脚可直接1k电阻接地） 外部掉电检测电路：在p4.6口由一个低压门槛比较器5v单片机为1.32v；误差为5%，3.3v单片机为1.30v

24、，误差为3% 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部r/c振荡器（温漂为5%到10%以内），用户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部r/c振荡器频率为：5.0v单片机为：11mhz-15.5mhz 3.3v单片机为：8mhz-12mhz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为制造误差和温漂，以实际测试为准 共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器t0和t1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串口通讯的波特率发生器，再加上2路pca模块可再实现2个16位定时器 2个时钟输出口，可由t0的溢出在p3.4/t0输出时钟，可由t1的溢

25、出在 p3.5/t1输出时钟 外部中断i/o口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的pca模块，power down模式可由外部中断唤醒int0/p3.2, int1/p3.3, t0/p3.5, rxd/p3.0, ccp0/p1.3(也可通过寄存器设置到p4.2), ccp1/p1.4(也可通过寄存器设置到p4.3) pwm（2路）/pca(可编程计数器阵列，2路) 也可用来当2路d/a使用 也可用来再实现两个定时器 也可用来再实现两个外部中断，上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持 a/d转换，10位精度adc，共8路，转换速度可达250k/s（每秒钟25万次）

26、 通用全双工异步串口（uart），由于stc12系列是高速的8051，可再用定时器或pca软件实现多串口 stc12c5a60s2系列有双串口，后缀有s2标志的才有双串口，rxd2/p1.2（可通过寄存器设置到p4.2），txd2/p1.3(可通过寄存器设置到p4.3)工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）2.2 传感器选型2.2.1 光照传感器选型定波长光照传感器由数字光照传感器isl29010和定波长滤光片组成。isl29010是一个集成的光电传感器，拥有i2c接口。该器件有内置的一体化的基于转换自动平衡技术的有符号15位adc.该adc能抑制由外源造成的50hz和60hz

27、的闪烁。可选的lux范围允许对使用者对lux范围编程最优选择。在正常工作模式下，电源消耗典型值为250ua。而在省电模式下，通过i2c软件编程，电源消耗可以减少到1ua以下。isl29010引脚描述如表2.1所示。表2.1 引脚描述引脚序号引脚名描述1vdd电源正极，通常由该针脚输入2.5v3.3v2gnd接地引脚，散热片连接在gnd引脚。3rext连接外部电阻为adc基准电源，通过一个100k欧姆1%精度 的电阻连接该引脚到gnd4a0i2c的地址0位5scli2c串行时钟，i2c总线可以被拉高到vdd,最大5.5v6sdai2c串行数据isl29010的特点如下： 可通过i2c总线选择范围

28、范围1：0 lux 2,000 lux范围2：0 lux 8，000 lux范围3：0 lux 32,000 lux范围4：0 lux 128,000 lux 人眼的光谱反应(540nm峰值灵敏) 温度补偿 有符号15位转换 可调转换：可达20/lux 一位i2c地址选择 简易代码输出，与lux成直接比例由于需要实现定波长检测，该传感器能检测整个波段的光照强度，所以选择合适的滤光片选取所需辐射波段，对于后续的数据处理和led控制都是非常重要的。此处选取三种类型的滤光片，可以实现定波长检测，即带通型、短波通型、长波通型。植物成长大量需光的波段为蓝光400nm-500nm和红光600nm-700n

29、m。因此蓝光滤光片选取440nm带通滤光片。红光滤光片选取700nm短波通型和580nm长波通型两种叠加，以达到较好的滤光效果。700nm短波通型通带为400nm-700nm，580nm长波通型通带为大于580nm。以上所选取滤光片，中心波长透过率大于90%，半带宽为40nm2nm，截止区的截止率小于0.1%。2.2.2 温度传感器选型温度传感器的种类众多，dallas（达拉斯）公司生产的ds18b20温度传感器应用于高精度、高可靠性的场合。ds18b20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。ds18b20共有几种不

30、同形态的存储器资源，它们分别是：rom只读存储器，用于存放ds18b20id编码，其前8位是单线系列编码，后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的冗余校验crc码，ds18b20共64位rom。ram数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，ds18b20共9个字节ram，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户eeprom的镜像，常用于温度报警值储存，在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个eeprom的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

31、第9个字节为前8个字节的crc码。ds18b20的主要特征： 全数字温度转换及输出。 先进的单总线数据通信。 最高 12 位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。 12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。 可选择寄生工作方式。 检测温度范围为55c +125c(67f +257f) 内置eeprom，限温报警功能。 64位光刻rom，内置产品序列号，方便多机挂接。 多样封装形式，适应不同硬件系统。表2.2 ds1820命令设置命令说明协议单线总线发出协议后温度转换命令convert t开始温度转换44h存储器命令read scratchpad读取暂存器和crc字节behwrite schratch

32、pad把字节写入暂存器的地址2和3（th和tl温度报警触发）4ehcopy scratchpad把暂存器内容拷贝到非易失性存储器中（仅指地址2和3）48hrecall e2把非易失性存储器中的值召回暂存器（温度报警触发）b8hread power supply标识ds1820的供电模式b4h2.3 led驱动芯片选型pt4107是一款高压降压式led驱动控制芯片，能适应从18v到450v的输入电压范围。pt4107可以在25khz-300khz的频率内，控制外部功率mos管的导通，以恒流的方式可靠地驱动led。频率可以通过外部电阻来设定。独有的峰值电流控制模式可以保证在很大的输入和输出变化范围

33、内，有效稳定led的电流。通过选择恰当的限流电阻，能够方便的设定流经led的电流。pt4107提供线性调光功能，在线性调光输入端施加电压就可以方便的控制流过led的电流，从而达到线性改变led亮度的目的。此外，pt4107也支持低频可变占空比的数字脉冲调光方式。pt4107通过频率抖动来降低emi的干扰，并具有过温检测功能。pt4107的特点： 独有的恒定平均电流控制 宽输入电压范围：从18v到450v 支持毫安级至安培级输出电流的应用 支持上百个led的串并联驱动应用 支持通过使能端进行可变占空比的数字脉冲调光功能 支持线性调光功能 采用频率抖动减少辐射emi干扰 可外部设定过温保护表2.3

34、 pt4107引脚说明序号引脚名称描述1gnd芯片地2csled电流采样输入端3ld线性调光输入端4ri振荡电阻输入端5rotp过温保护设定端6pwmdpwm调光输入端，兼做使能端。芯片内部有100k上拉电阻7vin芯片电源8gate驱动外部mosfet栅极pt4107通过外部电阻和内部的齐纳二极管，可以将经过整流的110v或220v交流电压嵌位于20v。当vin上的电压超过欠压闭锁阈值后，芯片开始工作，按照峰值电流控制的模式来驱动外部的mosfet。在外部mosfet的源端和地之间接入电流采样电阻，该电阻上的电压直接传递到pt4107芯片的cs端，当cs端电压超过内部的电流采样阈值电压后，g

35、ate端的驱动信号终止，外部mosfet关断。阈值电压可以由内部设定，或者通过在ld端施加电压来控制。2.4 太阳能电池选型太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池组成。各部分的作用为：（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能

36、如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。蓄电池除了在电压满足电路整体需要的情况下，容量还要可以在无光情况下供应组构长的时间。太阳能板的功率计算如下公式：太阳能板功率=（用电器功率w时间h）当地峰值日照时间小时数h损耗系数（1.62）经过对单片机、传感器和显示屏等主要耗电部分的估算，选取单晶硅5w的太阳能电池板，开路电压17v，短路电流470ma。选取12v/7ah的蓄电池作为主要储能元件。2.5 lcd显示屏选型lcd采用ocm1286

37、4液晶显示，该液晶显示模块是12864点阵型液晶显示模块，内置中文字库，可显示各种字符及图形，可与cpu直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。最大工作范围： 逻辑工作电压(vcc)：4.55.5v 电源地(gnd)：0v lcd驱动电压(vee)：0-10v 输入电压：veevdd 工作温度(ta)：055(常温)/-2070（宽温）电气特性： 输入高电平(vih)：3.5v min 输入低电平(vil)：0.55v max 输出高电平(voh)：3.75v min 输出低电平(vol)：1.0v max 工作电流：2.0ma max表2.4 ocm12864接口说明表管脚号管脚

38、电平说明1vss0v逻辑电源地2vdd5.0v逻辑电源正3v0lcd 驱动电压，应用时在 vee与v0 之间加一 2k可调电阻4d/ih/l数据指令选择：高电平：数据d0-d7将送入显示ram；低电平：数据d0-d7将送入指令寄存器执行5r/wh/l读写选择：高电平：读数据；低电平：写数据6ehh/l读写使能，高电平有效，下降沿锁定数据7db0h/l数据输入输出引脚8db1h/l9db2h/l10db3h/l11db4h/l12db5h/l13db6h/l14db7h/l15cs1h/l片选择信号，低电平时选择前64列16cs2h片选择信号，低电平时选择后64列17retl复位信号，低电平有效

39、18vee-10vlcd驱动电源19blac背光电源，led+20blac背光电源，led-2.6 本章总结本章主要是针对设计内容，将所用到的主要器件进行了选型，并对器件的主要参数、功能进行了简单的介绍。3 硬件电路设计与实现3 硬件电路设计与实现3.1 硬件电路设计软件简介本设计中硬件设计环境是protel dxp 2004，它是altium公司在于2004年推出的电路设计软件，是一个32位的电子设计系统。它是一套构建在板设计与实现特性基础上的eda设计软件，其主要功能包括电路原理图设计、印刷电路板设计、改进型拓扑自动布线、模拟/数字混合信号仿真、布局前后信号完整性分析、pld2004可编程

40、逻辑系统，以及完整的计算机辅助输出和编辑性能等。本文从电路原理图设计开始，最终得到所需的印刷电路板图。3.2 电源模块设计采用太阳能和220v市电双路供电模式，太阳能供电电路图如图3.1所示。其中led灯组采用由220v市电供电，其他模块均采用太阳能电池板供电。控制电路的输入端与太阳能蓄电池连接，利用mic29302稳压变压模块将12v蓄电池输出降压至5v稳压电源，再通过tps79530及其外围标准电路产生3v稳压电源，从而提供监控系统所需的5v和3v供电电源，如图3.2所示。其中单片机、温度检测以及用户交互模块均使用5v电源供电，光照检测采用3v电源供电。图3.1 太阳能供电电路图图3.2

41、单片机供电电路3.3 检测模块设计检测模块实时监测环境温度和红、蓝光强度，将检测信号进行处理后传入单片机，实现温度、光照的数据采集。由于植物光合作用主要吸收波长范围在400nm-500nm的蓝光，波长范围600nm-700nm的红光10-13，因此对以上波段的检测可评价光合作用有效光照强度。检测模块电路图如图3.3所示。图3.3 检测模块电路图具体方案为：首先采用在透光波段为400nm-500nm、600nm-700nm，透光率为90%的滤光片进行光照检测的预处理；而后应用isl29010光照传感器对完成了预处理的红、蓝光进行分别检测。检测信号采用i2c总线方式接入，应用分时复用机理有效减少了

42、总线占用空间、电路板空间和芯片管脚使用数量。两路光照传感器采用3v供电，数据线接入单片机的p1.6口，时钟线接入p1.7口，从而实现分波段光强检测。温度检测采用ds18b20温度传感器及其外部电路实现。ds1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和ds1820之间仅需一条连接线，此处数据采集信号与单片机p1.5口相接，实现对温度的检测。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。为保证数据采集的端正常的数据采集，dq端加一个47k的上拉电阻。3.4 补光模块设计补光模块采用多组两路恒流驱动电路，利用pwm控制技术，分别控制红、蓝光led补光灯组的亮度，考虑到实

43、际设施应用场合采用220v市电供电。补光模块包括led阵列和外部驱动电路，led阵列由继电器和pwm信号控制，驱动电路采用pt4107驱动模块电路。图3.4为pt4107驱动电路。其中pc817光耦器件实现控制电路和被控电路的交直流电路隔离，防止交直流串扰现象的发生。每个led灯组按需包括多组包括1530个额定功率1w、中心波长为660nm的窄带红光led阵列和中心波长为450nm的窄带蓝光led阵列，红光和蓝光led阵列独立工作。当系统确定植物补光量时，单片机控制继电器导通，led阵列通电，同时计算两路pwm信号的占空比，输出两路pwm信号分别控制与红、蓝光相连的pt4107驱动电路，从而控

44、制红蓝光驱动芯片输出电流，完成led灯组的亮度控制。根据不同植物红、蓝光最大需光量，确定每个led灯组同色led阵列数，使其最大输出光强满足最大补光需求。因红、蓝led额定驱动电流不同，根据理论计算和经验修正得到采样电阻不同红、蓝光驱动电路，保证占空比为“1”时led输出额定功率。最终实现通过两路pwm信号的变化，红蓝光驱动芯片pt4107输出电流发生变化，定量改变两路led阵列的输出光强。图3.4 pt4107驱动电路电路图3.5 控制模块设计控制模块采用stc12c5a60s2作为核心处理器，内部集成max810专用复位电路，具有2路pwm输出口、4个16位定时器、8路10位精度a/d转换

45、、56k flash存储空间、1280字节ram，能够满足数据采集、阈值调整、智能控制等工作，为系统的功能实现提供了基础和保障，电路如图3.5所示。其中p0口与液晶屏的8路数据口连接；p1口与采样信号连接；p1.0输出双路固态继电器信号；p1.1输出预警信号；p1.5接入温度检测信号，p1.6、p1.7接入红、蓝光光强检测信号，从而完成对传感器监测数据的采集；p2口与4*4矩阵键盘连接；p3.0、p3.1负责单片机与串口之间的数据读写，完成程序的烧写；p3.2p3.7与液晶控制端连接；p4.2、p4.3为单片机2路pwm信号输出口，可根据植物的实际补光量计算出对应的pwm信号占空比，输出pwm

46、信号控制led灯组的亮度，实现精确控制9。图3.5 单片机扩展电路图3.6 显示模块设计液晶显示屏的8位标准数据总线与单片机的p0口相接，显示屏采用ocm12864-3液晶屏，实现系统数据显示。p3.3、p3.4、p3.5控制液晶屏的读写操作。液晶显示模块电路如图3.6所示。图3.6 液晶显示模块电路3.7 键盘电路设计键盘一般有独立式和行列式两种。独立式键盘是指各个按键相互独立地连接到各自的单片机的i/o口，i/o口只需要做输入口就能读到所有的按键。这种键盘虽然有电路简单、程序容易写的优点，但是也有缺点，即当按键个数较多的时候，要占用较多的i/o口资源。为了减少键盘占用太多的单片机i/o口资

47、源，当按键个数较多的时候，通常都使用行列式键盘。例如共有4个行线，4个列线，可以组成4416个按键的键盘。可以看出，行列式的键盘结构可以省出不少的i/o口资源。因此本系统采用4*4的行列式键盘阵列，扫描的方式进行工作。键盘包括09、小数点、ok、取消、返回、上和下，16个按键，分别于单片机p2.0p2.7相连。键盘电路图如下：图3.7 键盘电路图3.8 设备实物图图 3.8 led灯组图3.10 光强和温度传感器图3.9 太阳能电池图3.11 主控设备3.9 本章总结本章重点介绍了系统电源模块、检测模块、补光模块、控制模块、显示模块以及键盘电路的硬件电路设计，并将电路板设计完整。另外，对pro

48、tel中器件的布局和布线的一些规则进行了简单的介绍。设计规则中的每条设置的功能和设置方法还需要在实际应用中掌握熟练，这样才能设计出高质量的pcb电路。4 软件设计与实现4 软件设计与实现4.1 应用软件介绍4.1.1 单片机开发软件keil uvsion4 keil uvsion4简介keil c51是美国公司keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，与汇编相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。keil c51软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译生成的汇编代

49、码，就能体会到keil c51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 keil uvsion4界面及操作简介keil uvsion4界面如下所示：图4.1 keil uvsion4主界面操作步骤： 在启动keil uvsion4之后，会得到如图1所示keil uvsion4主界面，通过project菜单中的new project创立项目文件，保存文件到我们想要保存的位置； 选择芯片类型，keil uvsion4几乎支持所有51核心单片机，本文采用stc系列芯片，可从中选择一个相近的芯片sst89x516rd2单片机，选择不加载

50、启动代码，得到项目文件； 向项目文件添加程序文件内容，可以新建.c文件存盘后添加，也可以添加已建立好的程序文件。方法：右键source group，出现add file to group source “group1”对话框，选择要添加的文件添加即可。 产生下载需要的可执行文件。右键target 1，选择option for target“target1”点击output，选择其中的create hex file,对目标文件进行编译，如果源文件没有错误，编译成功就生成了可执行.hex文件。4.1.2 串口调试助手一个很好而小巧的串口调试助手，支持常用的300-115200bps波特率，能设置校

51、验、数据位和停止位，能以ascii码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。串口调试助手界面如下图：图4.2串口调试助手工作界面4.1.3 stc单片机isp下载软件stc_isp_v4.8stc_isp_v3.5是宏晶科技公司提供的能直接在编程者电脑上使用的isp在线下载方式，将用户程序下载进stc单片机的软件。主界面如下图：图4.3 stc下载软件主界面操作步骤： 将自己的制版通过串口与pc机连接，选择单片机型号，本系统为stc12c5a60s2系列中的stc12le5a60ad； 打开程序文件，选择

52、编译成功的.hex文件； 选择串行口与波特率，要与上位机相匹配，设计中采用com2，波特率选择最大为9600bps； 选择冷启动后晶振源为外部时钟，其他可采用默认值； download下载程序到单片机中，下载完后将单片机上电复位一下。4.2 主程序设计软件部分完成三类参数设置、环境因子采集，以及对受控灯组的自动控制等功能，主程序图4.4所示。各子程序相互独立，主要包括不同传感器解析函数、数据管理与决策程序、pwm信号控制程序、参数设定程序和显示程序。处理器上电之后，将检测是否已经初始化，若没有初始化，则首先进行三类监测参数阈值设置。其次系统检测环境温度，判断温度是否超出适宜光合作用的阈值范围，

53、超出范围则关断led补光灯组或保持关断状态，避免无效能耗。如果在阈值范围内，则分别检测红、蓝光实时光强，实时光强高于阈值则关断补光灯组或保持原有关断状态。反之进入自动定量补光模式，系统根据设定的环境红、蓝两色光计算补光量，并根据补光量计算两路pwm控制信号的占空比，以此形成控制led灯亮度的pwm波形输出。图4.4系统软件流程图4.3 温度采集程序设计4.3.1 ds18b20测温原理ds18b20的测温原理如图4.6所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，

54、图中还隐含着计数门，当计数门打开时，ds18b20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量.计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器 1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度，图4.5中的

55、斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性其输出用，于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是ds18b20的测温原理。图4.5 ds18b20测温原理图在正常测温情况下，ds1820的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用ds1820提供的读暂存器指令（beh）读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（lsb），得到所测实际温度的整数部分tz，然后再用beh指令取计数器1的计数剩余值cs和每度计数值cd。考虑到ds1820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度ts可用下式计算：ts=(tz-0.25)+(cd-cs)/cd。温度显示子程序将从ds18b20读出的温度值，经过上述数据处理后，将最终结果送往lcd进行实测温度显示。4.3.2 ds18b20