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摘 要：针对现有应用中，不同植物对光质、光强要求不同的问题，设计了一种LED植物生长灯系统，采用恒流驱动，以单片机为控制器，通过对环境中红光和蓝光强度的采样，控制PWM输出的频率和占空比，作用于由四色大功率LED灯构成的阵列光源，对LED灯不同颜色的比例、亮度和亮灭进行调控。相比已有的设计，所设计的系统将环境的光照条件考虑在内，实现红蓝光比例可调，对不同植物不同生长阶段智能化补光，满足了植物选择性吸收光谱，且达到了节能的要求。经过大棚试验验证，利用该系统对作物补光可提高产量25%左右，有利于植物提高作物的产量与品质，且补光性能可靠、运行稳定。
关键词：LED；智能化；单片机；植物补光
中图分类号：F482.8 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150935011
引言
随着我国对反季节果蔬需求量的极大增加，自然光已经不能满足植物对光的需求，因此对植物进行人工补光就尤为必要[1]。目前农业生产中使用的补光灯主要以白炽灯、高压钠灯和荧光灯为主，但这几种补光灯不能同时满足不同植物对光的需求，因此实现植物智能化补光就具有重要意义。LED灯作为第四代光源，具有节能环保、使用寿命较长以及冷光性等特点，且它能够实现不同颜色的LED灯交叉配比，易于被智能化控制，发展前景被国内外科学研究人员普遍看好[2]。曲溪等[3]研究了荧光灯和LED灯的补光效果，并提出了LED灯应用到农业补光方面更具有发展潜力。段奇珍等[4]探究不同LED灯对黄瓜幼苗质量的影响，提出了不同光质的LED灯对其幼苗生长的作用不同，表明植物对光谱成分具有选择吸收的特点。李彦荣等[5]在自然光的基础上对植物进行人工补光，从补光光源、强度、时间等角度进行了讨论。周益民等[6]和张建飞等[7]研究了LED补光系统，都实现了对光质、光强、光周期的动态调控。闻婧等[8]研究了叶用莴苣的品质和生理性状受LED光源R/B的影响，唐永康等[9]研究了不同比例红蓝LED灯光强对油菜生长发育的影响，表明每一种植物都有各自的红蓝光通量之比。基于以上研究，LED灯在植物补光领域的应用具有广阔的实用价值，但实现红蓝光比例可调对不同植物的智能化补光，而且满足节能的要求的系统至今未见。
本文针对植物补光灯智能化问题，提出了一种LED植物生长灯系统。该系统利用光敏传感器对环境中红光和蓝光的强度进行采样，并对信号进行放大、AD转换等处理，将信号传到单片机进行分析，单片机STC89C52为主控芯片，控制不同颜色LED灯的亮灭，自带PWM功能的单片机STC12C5A60S2实现辅助控制，通过控制PWM波频率和占空比的输出，对已亮的LED灯的亮度进行调控，提高系统的补光精度，以选择最适合植物生长的补光模式。实验验证表明，LED植物生长灯系统具有可行性与有效性。
1 设计原理
1.1 LED植物生长灯对光质的补充
研究表明，不同波长的光对植物的生长有不同的影响，复合光中植物生长最强的生理活动波段[10]主要有红光和蓝光，红光可以促进植物茎的伸长，蓝光促进植物叶子的生长，但较强的蓝光会使得植物形态偏矮，较强的红光会使得植物出现黄化现象[6]。因此，红光与蓝光的适当光通量之比是培植出品质形态良好植物的必备因素，R/B为4时水培生菜口感品质最好[1]，R/B为5时黄瓜幼苗根冠比最大[4]，R/B为9的光照条件最有利于油麦菜生长[9]……固能够实现R/B动态可调就极其重要。
同时，远红光有利于增加植株高度，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[6]。红光和远红光2者之间光通量之比即R/FR比对植株高度调节有着重要影响，其R/FR为4最有利于植物的生长[11]。因此，通过对光谱的合理搭配可以实现对作物生长的人工调控，有利于高产农业的发展。
1.2 LED植物生长灯优化补光模式
对于植物来说，不同频率的脉冲光比连续光的利用率更高，可以加快植物的生长，使植物硝酸盐含量降低，实现碳水化合物的积累和提高植物无机成份含量[1]，而且在相同的环境和补光时间下，频闪的补光方式节能效率可以明显提高[12]。因此LED植物生长灯采用频闪补光取代连续补光具有很大的实用价值。
2 LED植物生长灯系统描述
LED植物生长灯系统采用模块化设计，系统图如图1所示。利用光敏传感器对大棚环境中红、蓝光的强度进行采样处理，再将信号传到单片机进行分析并输出信号控制LED灯，以达到对植物智能化补光的目的。
设计中，电源模块充当各模块的电源提供12V、5V直流电，主要由AC-DC电源组成；交互模块主要由LCD显示屏和键盘组成，以实现系统数据的显示，对系统进行参数的设置；报警模块检验是否达到补光要求，以及判断LED灯模块是否正常工作。对于补光模式的设置编写、数据阀值的判断等相关计算都是通过软件编写实现的。
3 LED植物生长灯系统硬件设计
3.1 光强温度检测模块
本设计中光强温度检测模块利用光敏电阻传感器以及温度传感器[10]进行实时检测大棚内红、蓝光的光照强度和LED灯基板温度，并将采集的数据及时提供给单片机进行处理，本模块原理图如图2所示。由于光敏电阻传感器未能实现对单色光的检测，故在其传感器前加了相应波长范围的带通滤光片，来实现对大棚内的红、蓝光的采集、放大、传输。
温度检测由NTC热敏电阻传感器及其放大电路组成。LED灯基板在工作一段时间后会积累大量的热量，降低LED灯的性能，甚至会引起较大的LED灯光衰现象[14]。为保证LED灯工作在最佳状态，LED灯基板的温度通过NTC热敏电阻传感器检测，控制器根据LED基板所反馈的温度值与预先设定值比较，当基板温度超过设定值时启动风扇来给基板降温，使系统工作的温度在安全范围内。LED灯基板降温原理图如图3所示。 3.2 LED灯控制模块
LED灯控制模块设计选用STC89C52单片机作为主控制器，其控制电路如图4所示。其中，P0口连接LCD液晶屏的EN、RS和RW；P1口用于将经过A/D转换后的采样信号传入单片机；P2口用于将数据传入LCD液晶屏来显示；P3口连接A/D转换芯片ADC0809的ALE、EOC、OE和START。将光强温度检测模块传递的信号输入到单片机进行判断处理，产生方波来控制LED灯驱动电路。
由于STC89C52单片机是实现对LED灯亮灭的调控，当光微弱变化时，LED灯的工作状态不变，故未实现精确补光要求。本系统利用自带PWM功能的STC12C5A60S2单片机辅助控制，提高补光精确度。由于STC89C52单片机是实现对LED灯亮灭的调控，当光微弱变化时，LED灯的工作状态不变，故未实现精确补光要求。本系统利用自带PWM功能的STC12C5A60S2单片机辅助控制，提高补光精确度的光照强度值调节LED驱动电路的PWM占空比，进而调节大棚内光照强度使其近似等于设定值，最终达到光照强度调控[15]。当光照强度变化时先利用STC89C52单片机调整灯的亮灭，再利用STC12C5A60S2单片机调整PWM波占空比控制LED灯的亮度[16]。使环境中红、蓝光的光照强度等于设定值，并通过不断检测与自动调整，保持光照强度恒定。
3.3 驱动补光模块
设计中，LED阵列采用了恒流驱动方式[12]，LED灯可获得稳定的颜色输出。驱动模块[17]接收控制模块输出的信号，输入驱动模块中的单片机STC89C52中，由于单片机的驱动能力较弱，增加使用ULN2003即可使用小电流控制大电流的通断，让ULN2003来控制继电器的通断，进而控制补光模块LED灯的亮灭。单片机输出的两路PWM信号分别与继电器相连，控制继电器导通时输出电流的大小，进而控制补光模块不同颜色LED灯的亮度，可实现R/B在4-10之间动态可调，由此实现对不同植物的智能化补光。
补光板采用模块化阵列式设计，选取4种单色LED，以行、列数各为5之方阵组成单元模块，如图5所示，再由若干个单元模块组成LED阵列的平面光源，达到均匀照射、快速安装、更换和拓展之目的。
4 LED植物生长灯系统软件设计
系统的软件设计采用模块化程序设计语言C编写[18]，程序流程图如图6。本系统设计实现各模块的初始化，且对系统的参数进行设定，再将传感器测量的值与设定值进行比较，利用补光决策模块对LED灯和风扇进行控制，使光照强度和温度达到预设值，以此达到对植物智能化补光的目的。
5 实验结果与讨论
针对本次设计的LED补光系统，选用蒜苗进行测试实验[19]，采用水栽培模式，相同的条件种下发芽大约1cm的蒜瓣，将其分成2组，对其中甲组进行补光，将补光设备的LED灯放在距离蒜苗15～20cm的范围内，与另外一组（乙组）自然生长的进行对照实验[13]，并分别记录蒜苗的形态指标，数据记录如表1。由实验可知补光生长的蒜苗与自然生长的蒜苗相比生长速率明显提高，有利于有机物的积累，作物产量可提高25%左右。
本文设计了一种LED植物生长灯系统，以单片机STC89C52和STC12C5A60S2为控制器，根据光敏、温度传感器监测数据，通过单片机来控制特定波长的红、蓝、远红、紫外4色的LED 灯模块，实现了对不同植物的智能化补光，其发射光谱与作物的选择性吸收光谱相匹配[6]。本系统试验证明该系统具有良好的稳定性，既解决了传统光源无法提供多光谱组合及光谱不可调控的问题，又降低了植物补光在生产中的能耗，可用于植物幼苗培育、温室大棚植物种植等方面补光，针对性较强，光效较高，并具有显著的节能效果，必将为使用者带来经济效益[19]。
参考文献
[1]刘文科，杨其长，魏灵玲.LED光源及其设施园艺应用[M].北京：中国农业科学技术出版社，2012：11.
[2]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]. 农业工程科学，2007，23（11）：408-411.
[3]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）：41-45.
[4]段奇珍，曲梅，高丽红.不同LED光源对黄瓜幼苗质量的影响[J]. 北方园艺，2010（15）：125-128.
[5]李彦荣，常瑛，魏玉杰，等.克服弱光寡照障碍的技术研究[J].安徽农业科学，2010，38（2）：687-690.
[6]周益民，周国泉，徐一清.基于单片机的温室植物LED补光系统设计[J].激光生物学报，2013，22（3）：214-219.
[7]张建飞，杨景发，胡岚岚，等.基于单片机植物组培专用LED光源的设计[J].河北农业大学学报，2012，35（5）：99-104.
[8]闻婧，鲍顺淑，杨其长，等. LED光源R/B对叶用莴苣生理性状及品质的影响[J]. 中国农业气象，2009，30（3）：413-416.
[9]唐永康，郭双生，艾为党，等.不同比例红蓝LED光照对油麦菜生长发育的影响[J]. 航天医学与医学工程，2010，23（3）：206-212.
[10]邹志荣，邵孝侯.设施农业环境学[M].北京：中国农业出版社，2013.
[11]刘再亮，马承伟，杨其长.设施环境中红光与远红光比值调控的研究进展[J].农业工程学报，2004，20（1）：270-273.
[12]孙安青.LED应用电路200例[M].北京：中国电力出版社，2013.2.
[13]王洪安. 北方温室人工补光光源特性及优化配置研究[J].吉林农业，2011，（1）：33-34
[14]Ron Lenk，Carol Lenk. LED电源设计权威指南[M]. 王晓刚，刘华，王佳庆译. 北京：人民邮电出版社，2012.8.
[15]张海辉，杨 青，胡 瑾，等.可控LED 亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程报，2011，27（9）：153-158.
[16]顾 梁，茅靖峰，程莹，赵苏华.分布式无线智能LED光照度调控系统[J].计算机测量与控制，2015，23 （3）：115-117.
[17]冯军，谢嘉奎. 电子线路[M].北京：高等教育出版社，2010.1.
[18]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例：基于8051 Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2009.6.
[19]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，2001，22 （3）：37-40.
作者简介：李玉婷（1992-），女，河北省石家庄市人 ，本科生，主要从事电子方面的研究；刘振宇（1974-），男，山西省汾阳市人，副教授，博士后，主要从事新能源发电及其储能的研究。
关键词：LED；智能化；单片机；植物补光
中图分类号：F482.8 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20150935011
引言
随着我国对反季节果蔬需求量的极大增加，自然光已经不能满足植物对光的需求，因此对植物进行人工补光就尤为必要[1]。目前农业生产中使用的补光灯主要以白炽灯、高压钠灯和荧光灯为主，但这几种补光灯不能同时满足不同植物对光的需求，因此实现植物智能化补光就具有重要意义。LED灯作为第四代光源，具有节能环保、使用寿命较长以及冷光性等特点，且它能够实现不同颜色的LED灯交叉配比，易于被智能化控制，发展前景被国内外科学研究人员普遍看好[2]。曲溪等[3]研究了荧光灯和LED灯的补光效果，并提出了LED灯应用到农业补光方面更具有发展潜力。段奇珍等[4]探究不同LED灯对黄瓜幼苗质量的影响，提出了不同光质的LED灯对其幼苗生长的作用不同，表明植物对光谱成分具有选择吸收的特点。李彦荣等[5]在自然光的基础上对植物进行人工补光，从补光光源、强度、时间等角度进行了讨论。周益民等[6]和张建飞等[7]研究了LED补光系统，都实现了对光质、光强、光周期的动态调控。闻婧等[8]研究了叶用莴苣的品质和生理性状受LED光源R/B的影响，唐永康等[9]研究了不同比例红蓝LED灯光强对油菜生长发育的影响，表明每一种植物都有各自的红蓝光通量之比。基于以上研究，LED灯在植物补光领域的应用具有广阔的实用价值，但实现红蓝光比例可调对不同植物的智能化补光，而且满足节能的要求的系统至今未见。
本文针对植物补光灯智能化问题，提出了一种LED植物生长灯系统。该系统利用光敏传感器对环境中红光和蓝光的强度进行采样，并对信号进行放大、AD转换等处理，将信号传到单片机进行分析，单片机STC89C52为主控芯片，控制不同颜色LED灯的亮灭，自带PWM功能的单片机STC12C5A60S2实现辅助控制，通过控制PWM波频率和占空比的输出，对已亮的LED灯的亮度进行调控，提高系统的补光精度，以选择最适合植物生长的补光模式。实验验证表明，LED植物生长灯系统具有可行性与有效性。
1 设计原理
1.1 LED植物生长灯对光质的补充
研究表明，不同波长的光对植物的生长有不同的影响，复合光中植物生长最强的生理活动波段[10]主要有红光和蓝光，红光可以促进植物茎的伸长，蓝光促进植物叶子的生长，但较强的蓝光会使得植物形态偏矮，较强的红光会使得植物出现黄化现象[6]。因此，红光与蓝光的适当光通量之比是培植出品质形态良好植物的必备因素，R/B为4时水培生菜口感品质最好[1]，R/B为5时黄瓜幼苗根冠比最大[4]，R/B为9的光照条件最有利于油麦菜生长[9]……固能够实现R/B动态可调就极其重要。
同时，远红光有利于增加植株高度，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[6]。红光和远红光2者之间光通量之比即R/FR比对植株高度调节有着重要影响，其R/FR为4最有利于植物的生长[11]。因此，通过对光谱的合理搭配可以实现对作物生长的人工调控，有利于高产农业的发展。
1.2 LED植物生长灯优化补光模式
对于植物来说，不同频率的脉冲光比连续光的利用率更高，可以加快植物的生长，使植物硝酸盐含量降低，实现碳水化合物的积累和提高植物无机成份含量[1]，而且在相同的环境和补光时间下，频闪的补光方式节能效率可以明显提高[12]。因此LED植物生长灯采用频闪补光取代连续补光具有很大的实用价值。
2 LED植物生长灯系统描述
LED植物生长灯系统采用模块化设计，系统图如图1所示。利用光敏传感器对大棚环境中红、蓝光的强度进行采样处理，再将信号传到单片机进行分析并输出信号控制LED灯，以达到对植物智能化补光的目的。
设计中，电源模块充当各模块的电源提供12V、5V直流电，主要由AC-DC电源组成；交互模块主要由LCD显示屏和键盘组成，以实现系统数据的显示，对系统进行参数的设置；报警模块检验是否达到补光要求，以及判断LED灯模块是否正常工作。对于补光模式的设置编写、数据阀值的判断等相关计算都是通过软件编写实现的。
3 LED植物生长灯系统硬件设计
3.1 光强温度检测模块
本设计中光强温度检测模块利用光敏电阻传感器以及温度传感器[10]进行实时检测大棚内红、蓝光的光照强度和LED灯基板温度，并将采集的数据及时提供给单片机进行处理，本模块原理图如图2所示。由于光敏电阻传感器未能实现对单色光的检测，故在其传感器前加了相应波长范围的带通滤光片，来实现对大棚内的红、蓝光的采集、放大、传输。
温度检测由NTC热敏电阻传感器及其放大电路组成。LED灯基板在工作一段时间后会积累大量的热量，降低LED灯的性能，甚至会引起较大的LED灯光衰现象[14]。为保证LED灯工作在最佳状态，LED灯基板的温度通过NTC热敏电阻传感器检测，控制器根据LED基板所反馈的温度值与预先设定值比较，当基板温度超过设定值时启动风扇来给基板降温，使系统工作的温度在安全范围内。LED灯基板降温原理图如图3所示。 3.2 LED灯控制模块
LED灯控制模块设计选用STC89C52单片机作为主控制器，其控制电路如图4所示。其中，P0口连接LCD液晶屏的EN、RS和RW；P1口用于将经过A/D转换后的采样信号传入单片机；P2口用于将数据传入LCD液晶屏来显示；P3口连接A/D转换芯片ADC0809的ALE、EOC、OE和START。将光强温度检测模块传递的信号输入到单片机进行判断处理，产生方波来控制LED灯驱动电路。
由于STC89C52单片机是实现对LED灯亮灭的调控，当光微弱变化时，LED灯的工作状态不变，故未实现精确补光要求。本系统利用自带PWM功能的STC12C5A60S2单片机辅助控制，提高补光精确度。由于STC89C52单片机是实现对LED灯亮灭的调控，当光微弱变化时，LED灯的工作状态不变，故未实现精确补光要求。本系统利用自带PWM功能的STC12C5A60S2单片机辅助控制，提高补光精确度的光照强度值调节LED驱动电路的PWM占空比，进而调节大棚内光照强度使其近似等于设定值，最终达到光照强度调控[15]。当光照强度变化时先利用STC89C52单片机调整灯的亮灭，再利用STC12C5A60S2单片机调整PWM波占空比控制LED灯的亮度[16]。使环境中红、蓝光的光照强度等于设定值，并通过不断检测与自动调整，保持光照强度恒定。
3.3 驱动补光模块
设计中，LED阵列采用了恒流驱动方式[12]，LED灯可获得稳定的颜色输出。驱动模块[17]接收控制模块输出的信号，输入驱动模块中的单片机STC89C52中，由于单片机的驱动能力较弱，增加使用ULN2003即可使用小电流控制大电流的通断，让ULN2003来控制继电器的通断，进而控制补光模块LED灯的亮灭。单片机输出的两路PWM信号分别与继电器相连，控制继电器导通时输出电流的大小，进而控制补光模块不同颜色LED灯的亮度，可实现R/B在4-10之间动态可调，由此实现对不同植物的智能化补光。
补光板采用模块化阵列式设计，选取4种单色LED，以行、列数各为5之方阵组成单元模块，如图5所示，再由若干个单元模块组成LED阵列的平面光源，达到均匀照射、快速安装、更换和拓展之目的。
4 LED植物生长灯系统软件设计
系统的软件设计采用模块化程序设计语言C编写[18]，程序流程图如图6。本系统设计实现各模块的初始化，且对系统的参数进行设定，再将传感器测量的值与设定值进行比较，利用补光决策模块对LED灯和风扇进行控制，使光照强度和温度达到预设值，以此达到对植物智能化补光的目的。
5 实验结果与讨论
针对本次设计的LED补光系统，选用蒜苗进行测试实验[19]，采用水栽培模式，相同的条件种下发芽大约1cm的蒜瓣，将其分成2组，对其中甲组进行补光，将补光设备的LED灯放在距离蒜苗15～20cm的范围内，与另外一组（乙组）自然生长的进行对照实验[13]，并分别记录蒜苗的形态指标，数据记录如表1。由实验可知补光生长的蒜苗与自然生长的蒜苗相比生长速率明显提高，有利于有机物的积累，作物产量可提高25%左右。
本文设计了一种LED植物生长灯系统，以单片机STC89C52和STC12C5A60S2为控制器，根据光敏、温度传感器监测数据，通过单片机来控制特定波长的红、蓝、远红、紫外4色的LED 灯模块，实现了对不同植物的智能化补光，其发射光谱与作物的选择性吸收光谱相匹配[6]。本系统试验证明该系统具有良好的稳定性，既解决了传统光源无法提供多光谱组合及光谱不可调控的问题，又降低了植物补光在生产中的能耗，可用于植物幼苗培育、温室大棚植物种植等方面补光，针对性较强，光效较高，并具有显著的节能效果，必将为使用者带来经济效益[19]。
参考文献
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[2]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]. 农业工程科学，2007，23（11）：408-411.
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[12]孙安青.LED应用电路200例[M].北京：中国电力出版社，2013.2.
[13]王洪安. 北方温室人工补光光源特性及优化配置研究[J].吉林农业，2011，（1）：33-34
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[15]张海辉，杨 青，胡 瑾，等.可控LED 亮度的植物自适应精准补光系统[J].农业工程报，2011，27（9）：153-158.
[16]顾 梁，茅靖峰，程莹，赵苏华.分布式无线智能LED光照度调控系统[J].计算机测量与控制，2015，23 （3）：115-117.
[17]冯军，谢嘉奎. 电子线路[M].北京：高等教育出版社，2010.1.
[18]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例：基于8051 Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2009.6.
[19]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，2001，22 （3）：37-40.
作者简介：李玉婷（1992-），女，河北省石家庄市人 ，本科生，主要从事电子方面的研究；刘振宇（1974-），男，山西省汾阳市人，副教授，博士后，主要从事新能源发电及其储能的研究。