基于太陽能的LED食用菌補光控制系統(tǒng)設(shè)計

楊秀增，韋樹貢

(廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣西 崇左532200)

0 引言

食用菌是一種大型真菌，食用菌子實體不僅含有人體必需的營養(yǎng)成分，還含有抗癌、抗菌抗病毒、促進消化、降血糖、通便利尿和提高人體免疫力的生物活性物質(zhì)。隨著人們生活質(zhì)量的提高，食用菌不僅是重要綠色食物，還成為重要的保健品，越來越來受到廣大消費者的青睞。

研究表明，光照不僅影響食用菌菌絲生長，還會影響食用菌的產(chǎn)量與品質(zhì)，但不同品種食用菌對不同波長可見光的反應(yīng)各異[1-3]。因此，在食用菌的工業(yè)化生產(chǎn)中，根據(jù)食用菌的生長情況，及時對食用菌進行補光，是提高食用菌產(chǎn)量和品質(zhì)的重要保障。

然而，目前對食用菌補光控制系統(tǒng)的研究報道較少，本文利用太陽能LED節(jié)能技術(shù)，設(shè)計食用菌智能補光控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由太陽能電池板組件、太陽能充電管理模塊、鋰電池、LED補光燈、單片機控制器、定時器模塊、鍵盤、LCD顯示器和光照傳感器組成，補光強度和補光時間可以設(shè)置。該補光控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用，有利于提高工廠化栽培食用菌的產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]。

1 總體框架

食用菌補光控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示，該系統(tǒng)由太陽能電池板組件、太陽能充電管理模塊、鋰電池、LED補光燈、單片機控制器、定時器模塊、鍵盤、LCD顯示器和光照傳感器組成[6-9]。

太陽能電池板組件把光能轉(zhuǎn)換成電能，電能通過太陽能充電管理模塊，被高效地儲存在鋰電池中。LED恒流驅(qū)動電源模塊作用是把鋰電池中的電能轉(zhuǎn)換成恒定電流，供給LED補光燈使用。定時器模塊作用是給補光系統(tǒng)提供定時時鐘，定時時間由鍵盤設(shè)置。光照傳感器模塊作用是檢測菇房中LED補光燈發(fā)出的光線強度。LCD顯示器作用是實時顯示定時時間、光照強度值及其他值。

2 硬件設(shè)計

2.1太陽能充電管理模塊

太陽能充電管理模塊電路設(shè)計，采用鋰電池充電管理芯片CN3722。CN3722是如韻電子有限公司的一片PWM降壓型太陽能電池充電管理芯片，具備最大功率跟蹤(MPPT)功能。CN3722還具有恒流、恒壓充電模式，非常適合鋰電池充電，其典型應(yīng)用電路如圖2所示，M1為P溝道MOS場效應(yīng)晶體管，其柵極連接CN3722的內(nèi)部驅(qū)動電路。M1、D1、D2和L構(gòu)成降壓型DCDC開關(guān)電路，D2為續(xù)流二極管，輸出電壓由MOS管M1的占空比決定。Rc為電流取樣電阻，其取值大小決定電流大小。電路中其他元件的作用可參考如韻電子有限公司CN3722芯片手冊。

2.2定時器模塊

定時器模塊電路原理如圖3所示，采用美國DALLAS公司高性能和低功耗的實時時鐘芯片DS1302進行設(shè)計。該時鐘芯片具有雙電源供電模式，芯片第8引腳接上可充電的蓄電池，可作為備用電源使用。第1引腳上的電壓VCC2為主電源，當(dāng)1引腳主電源VCC2的電壓小于8引腳備用電源時，備用電源給芯片供電。2、3引腳外接的32.768 kHz晶振為本芯片提供計時數(shù)字脈沖。5、6和7引腳為芯片的串行通信引腳，5腳為片選控制端，在讀寫數(shù)據(jù)時，該引腳必須通高電壓；6引腳為串行雙向數(shù)據(jù)線，7引腳為串行時鐘輸入端，其讀寫時序，可參考芯片數(shù)據(jù)手冊。

2.3光照傳感器模塊電路

光照傳感器模塊電路設(shè)計原理如圖4所示，為提高測量精度，采用BH1750進行設(shè)計。BH1750是一款集光信號采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換于一體的光傳感集成電路。BH1750內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用戶通過相關(guān)指令，可把芯片設(shè)置為高、中和低3種分辨率測量模式，分辨率分別為0.5、1和4 LUX。BH1750內(nèi)部還集成了I2C通信接口，芯片通過I2C數(shù)據(jù)總路線與外部的CPU進行通信，SCL為輸入時鐘信號，SDA為數(shù)據(jù)信號。電路設(shè)計如圖4所示，單片機通過P1.3和P1.4口，再通過SCL和SDA與BH1750R進行通信，C1為濾波電容，C2復(fù)位電容，R1和R2為上拉電阻。

2.4LED恒流驅(qū)動電源模塊

補光控制系統(tǒng)恒流驅(qū)動電源模塊電路原理如圖5所示，采用一片升壓型(Boost)恒流驅(qū)動芯片XL6006進行設(shè)計[10-11]。此芯片具有5～32 V直流輸入電壓能力，芯片的輸出驅(qū)動能力高達60V5A，轉(zhuǎn)換效率最高可到90%以上。在XL6006內(nèi)部集成高壓功率MOSFET開關(guān)管。

如圖5所示，L為大功率儲能電感器件，D1為續(xù)流二極管，當(dāng)XL6006內(nèi)部的開關(guān)管閉合時，XL6006第3引腳接地，二極管D1反偏截止，電感器中的電流增大，電感器儲能；當(dāng)XL6006內(nèi)部的開關(guān)管斷開時，XL6006第3引腳懸空，二極管D1正偏導(dǎo)通，電感器放電，電流流向負載LED。R1和R2為分壓電路，儲電池的電壓通過分壓電路分壓之后，輸?shù)絾纹瑱C的第1腳進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便系統(tǒng)能實時監(jiān)控電池的電壓。單片機P2.0口是補光系統(tǒng)的控制口，當(dāng)P2.0為低電壓時，三極管T1導(dǎo)通，XL6006的第2腳為低電壓，迫使XL6006內(nèi)部電路停止工作；相反，當(dāng)P2.0為高電壓時，三極管T1截止，XL6006的第2腳為高電壓，XL6006內(nèi)部電路工作；RS為電流取樣電阻，D3和RF為功率控制電路，可以控制驅(qū)動電源輸出功率。

3 軟件設(shè)計

圖6為補光控制系統(tǒng)的單片機主程序算法流程，上電時，單片機首先對控制系統(tǒng)進行初始化，然后從FLASH中讀取補光時間數(shù)據(jù)和當(dāng)前時間信息，分析二者時間數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前時間是否為補光時間，如果當(dāng)前時間是補光時間，則單片機把P2.0設(shè)置高電壓，開啟XL6006內(nèi)部震蕩電路，使XL6006輸出恒定電流，補光控制系統(tǒng)開始進入補光工作模式。成功開啟補光工作模式后，單片機通過光照傳感器讀取當(dāng)前光數(shù)值，并把補光設(shè)定光強強度與當(dāng)前讀到的光強強度進行比較，單片機根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)節(jié)恒流電源的輸出功率，使補光系統(tǒng)輸出的功率達到要求。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)以上原理試制成樣機，開始對樣機進行測試。測試時，通過鍵盤輸入補光時間段和不同的補光強度，然后啟動系統(tǒng)，讓單片機根據(jù)設(shè)定值自動調(diào)節(jié)LED恒流電源模塊的輸出功率，等待系統(tǒng)工作穩(wěn)定后，記錄每次測量結(jié)果。測試結(jié)果如表1所示，補光系統(tǒng)在光照強度較小時，誤差較大，光照度較大時，誤差較小，滿足設(shè)計要求。

表1 系統(tǒng)補光測試結(jié)果

5 結(jié)束語

食用菌的生長分為菌絲發(fā)育階段和子實體發(fā)育階段，光是食用菌生長的重要環(huán)境因子。在菌絲生長階段是不需要光照的，但食用菌原基形成則需要一定的散射光照。在工廠化生產(chǎn)食用菌過程中，對食用菌進行合理的補光處理，是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也是提高產(chǎn)品產(chǎn)量的重要措施。目前對食用菌補光系統(tǒng)研究較少，本文利用太陽能和LED綠色節(jié)能技術(shù)，設(shè)計食用菌智能補光控制系統(tǒng)，測量表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，有一定推廣和實用價值。