1、基于数控恒流技术的蓝莓光照调节器设计 唐宇 骆少明 黄伟锋 张伟鹏 侯超钧 仲恺农业工程学院自动化学院 广东省现代农业产业重点实验室精准智能装备 摘 要： 针对蓝莓种植环境中传统人工调光方式耗时、费力且精度低的问题, 设计了一种基于数控恒流技术的温室大棚光照调节器。该调节器主要由 STM32 核心模块、光照强度信息采集模块、恒流源电路模块和 LED 光源模组等 4 部分组成, 利用处理器内部 ADC 采集电流强度数据, 通过光照传感器检测光强信息, 以数字PID 算法实现光源输出亮度的恒定控制。测试结果表明:调节器运行稳定, 整定后的控制参数 KP 最优值为 0.7, 调节器电流强度检测相对误
2、差最大为 3.96%。该设计方案可为实现最终的蓝莓光照按需供给提供技术参考。关键词： 蓝莓; 光照调节; 数控恒流; 嵌入式系统; 作者简介：唐宇 (1982-) , 男, 江西萍乡人, 副教授, 博士后, 青年珠江学者, (E-mail) tangyu_。收稿日期：2017-04-18基金：国家星火计划项目 (2015GA780054) Design of an Illumination Regulator for Blueberry Based on Digital Controlled Constant Current TechnologyTang Yu Luo Shaoming Hua
3、ng Weifeng Zhang Weipeng Hou Chaojun College of Automation, Zhongkai University of Agriculture and Engineering; Precision Intelligent Equipment, Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Agricultural Industry; Abstract： Due to the time consuming and low precision of the traditional manual dimmin
4、g method in the blueberry planting environment, an illumination regulator based on digital controlled constant current technology was proposed in this paper. The regulator was composed of a STM32 core module, a light intensity information collection module, a constant current circuit module and a LE
5、D light source module. The current intensity data were collected by ADC in the processer, and the light intensity information was gathered by illumination sensor. Preset light intensity was kept relatively constant by digital PID algorithm according. Test results showed that the optimal value of con
6、trol parameter KPwas 0.7, and the maximum relative error of current intensity detection was 3. 96%. This design proposal could provide technical references for the actualization of blueberry illumination by needs.Keyword： blueberry; illumination regulation; digital controlled constant current; embed
7、ded system; Received： 2017-04-180 引言人工温室大棚能解除自然环境对蓝莓生长的限制, 可显著降低蓝莓生长对季节的敏感性, 使其部分或完全摆脱对气候条件的依赖, 在不适宜生长的季节或地域中得到正常的发育, 并保持甚至增加产量。正是由于温室大棚内种植蓝莓能够带来可观的经济效益, 使得该技术越来越普及, 成为广大农民创收的重要手段1。在温室大棚内种植环境的诸多控制因素中, 光照是影响温室大棚内蓝莓生长发育的首要环境因子, 不同的光照与光质决定着蓝莓生长的快慢2、生育期的长短和产量的高低。因此, 适当补充光照, 使蓝莓生长前期早生快发, 是提高蓝莓产量的重要举措之一3。
8、传统的光照控制是以人工的方式开关遮阳帘和照明灯具实现的, 耗时费力, 控制手段单一, 控制精度低, 有一定的局限性。通过引入嵌入式控制方法, 采用数控恒流技术控制温室大棚内的补光 LED 光源4, 可显著提高控制效率和控制精度5, 灵活便捷, 且光照强度和照射时间均可被精确调控至符合蓝莓生长的需求6, 加快蓝莓的发育速度和土肥营养吸收速率7, 进而提高蓝莓的质量和产量。国内外针对作物光照调控技术已有相关的研究报道。Cao 等人8分别使用纯红色、80%红色+20%蓝色、50%红色+50%蓝色、纯蓝色等 4 种 LED 光源照射蓝莓, 并测定了对蓝莓生长的影响。何国荣9设计了基于 AT89S52
9、单片机的大棚自动卷帘控制器, 可增加作物的 6.97%日均光照时间。王明达10结合无线传感器网络技术和计算机技术, 设计了温室光照调控系统, 利用遮阳幕实现温室中光照环境的智能调节和控制。目前的光照调控大多集中在对被动光源的调整和对主动光源的分级调节, 而在蓝莓种植环境中根据外界自然光强度的主动光源自适应调节控制未见报道。本文设计了一款结合嵌入式技术和数控恒流 LED 调光技术的蓝莓种植环境光照调节器, 通过光强传感模块采集光照信息11, 以 STM32 嵌入式处理器为核心, 通过数字 PID 算法控制驱动 LED 光源的恒流电路输出电流12, 进而实现对环境光照强度的精确调控。1 调节器硬件
10、设计光照调节器由 STM32 核心模块、光照强度信息采集模块、恒流源电路模块、LED光源模组、键盘、OLED (Organic Light-Emitting Diode) 显示模块、工作电源模块和接口电路等组成, 如图 1 所示。处理器模块以 STM32F070 嵌入式处理器为核心, 以 IC 接口与光照强度信息采集模块进行连接, 实现对蓝莓内光照强度的检测。STM32 通过内部的模/数转换器 (ADC, Analog to digital Converter) 采集恒流源电路的电流强度数据, 并通过内部数/模转换器 (DAC, Digital to Analog Converter) 输出电
11、压形式的控制信号, 使恒流源电路模块输出期望的电流值, 进而控制 LED 光源发出预期强度的光。图 1 系统硬件结构 Fig.1 System hardware structure 下载原图1.1 STM32 核心模块电路设计光照调节器采用的控制核心是意法半导体公司推出的一款实用、多功能和低能耗处理器 STM32F072VBT6。该处理器基于 ARM Cortex-M0 的 32-bit RISC 嵌入式内核, 内置能以零等待周期进行读写访问的 128k B Flash 闪存存储器和16KB SRAM 静态随机存储器。该处理器片内含有 2 个 IC 接口、精度为 12-bit的 16 通道 A
12、DC 和 2 通道 DAC, 可满足调节器功能需要。调节器中的核心模块由复位电路、时钟电路和串口调试电路构成, 并引出相应的 I/O 引脚与其它外围模块电路连接, 如图 2 所示。图 2 STM32 核心模块电路 Fig.2 Core module circuit of stm32 下载原图1.2 工作电源模块电路设计STM32F072VBT6 的供电电压范围为 DC+2.0-3.6V, 为满足其它外围电路模块的电能需求, 调节器的工作电源设计为 DC+3.3V。工作电源将市电 AC220V 经过交流变压、整流、滤波和线性直流稳压处理后变换成低压直流电, 如图 3 所示。图 3 工作电源模块电
13、路 Fig.3 Power supply circuit 下载原图图 3 中的稳压环节采用三端稳压集成电路 LM317, 其输入端和输入端均加有 LC滤波环节以进一步降低纹波对电路性能的影响。电路的输出电压可由公式 (1) 计算得到, 通过调节 R3的阻值可令电源输出端 VCC 的电压为 DC+3.3V。其中, 参考电压 VREF为 1.25V;校准电流 IADJ为 0.05m A。1.3 恒流源电路模块设计调节器中的恒流源电路模块以 LM2576S-ADJ 降压型开关稳压电源控制器芯片为核心, 该芯片的应用电路结构简单, 输出电流高达 3A, 能满足用于温室大棚内区域照明补光的 LED 光源
14、模组的需要。恒流源电路中加入 LM358 运算放大器对电流信号进行变换, 以形成 STM32F072VBT6 处理器 ADC 能识别的幅值范围的电压信号, 如图 4 所示。图 4 恒流源电路模块 Fig.4 Constant current source circuit 下载原图电路中, 通过电流采样电阻采集输出电流信息, 并经过 LM358 进行信号变换后被 STM32F072VBT6 处理器的 ADC 接收, 经过算法处理后由该处理器通过 DAC 发出电压信号到 LM2576S-ADJ 的反馈信号输入端, 实现对其输出电流的恒定控制。1.4 光照强度信息采集模块接口电路设计温室大棚的光照强
15、度信由 TSL2561 数字式光强传感器采集后, 通过标准 IC 接口传送给 STM32F072VBT6 处理器, 如图 5 所示。TSL2561 是 TAOS 公司推出的第 2代光强数字 IC 接口转换芯片, 具有转换速度高、功耗低、量程宽和配置灵活等优点, 用于将光照强度转换成数字信号输出。其内部连接 1 个对红外与可见光均敏感的光敏二极管 (CH0) 和 1 个仅对红外光敏感的光敏二极管 (CH1) , CH0和 CH1 各能提供 16 位精度的光强数据。图 5 光照强度信息采集模块接口电路 Fig.5 Light intensity information acquisition mo
16、dule interface circuit 下载原图1.5 OLED 显示模块接口电路设计OLED 模块采用 SSD1306 芯片驱动 OLED 矩阵, 分别为 128 列64 行的像素字符、单色、图形显示的模块。SSD1306 芯片内部集成了 8 912 个单元的 RAM, 对应与OLED 显示屏的 8 912 个像素点, 分成了 07 页, 1 页中又分成 8 行, 可满足光照调节器相关电流和光强信息的显示需要。该部分接口电路如图 6 所示。图 6 OLED 显示模块接口电路 Fig.6 OLED display module interface circuit 下载原图1.6 LED
17、光源模组电路设计用于温室大棚内区域环境光亮度补偿的 LED 光源模组采用串并混联方式, 其结构如图 7 所示。图 7 光源模组中的 LED 排列结构 Fig.7 LED arrangement in the light source module 下载原图每个光源模组采用 9 颗 LX5730D 型高亮度 LED, 以 3 串联后再 3 并联的方式连接, 该型号的 LED 相关参数如表 1 所示。表 1 LX5730D 的电气与光学参数 Table 1 Electrical and optical parameters of LX5730D 下载原表 2 调节器软件设计光照调节器软件设计采用
18、C 语言编写, 分为处理器主程序和子程序两大部分。主程序主要完成系统中各功能单元的初始化工作, 如图 8 所示。图 8 调节器主程序流程图 Fig.8 Program flow chart of Regulator 下载原图接收用户通过键盘录入的亮度增强或降低指令, 并根据用指令发出控制命令, 实时采集并显示光照传感器模块输出的光强检测信息和恒流源输出的电流强度信息, 通过数字 PID 算法控制 LED 光源发出强度恒定的光。子程序实现系统的各个子功能, 主要包括传感信息采集程序、按键扫描程序、显示程序和数字PID 调光程序等模块。2.1 传感信息采集程序调节器的传感信息有恒流源电路模块输出电
19、流强度和温室大棚区域环境光照强度两种:前者直接由 STM32F072VBT6 处理器的 ADC 接收并经过线性变换后存储和显示;后者涉及 IC 总线通信协议和 TSL2561 的命令控制。其程序流程如图 9 所示。图 9 振动信息采集程序流程图 Fig.9 Program flow chart of vibration information acquisition 下载原图2.2 按键扫描程序调节器中设置了 4 个按键, 分别代表“系统复位”“亮度增加”“亮度减少”“回车确定”4 个功能。采用独立式连接, 在软件中只需要进行 I/O 口的扫描判断, 实现方法简单。该部分程序流程如图 10 所
20、示。图 1 0 按键扫描程序流程图 Fig.10 Program flow chart of key scan 下载原图2.3 数字 PID 调光程序为保证 LED 光源模组以用户设定的强度值发光并保持恒定, 调光算法采用闭环控制方式, 由光强传感器反馈亮度值采用数字 PID 算法12。根据扩充临界比例度 PID 参数整定法, 结合 Ziegler-Nichle 条件可得其中, E (k) 、E (k-1) 和 E (k-2) 为最近 3 次采样后算得的偏差值;K P为归一化控制参数。在程序中, 预置 3 个缓存单元, 每采样得到 1 个新的偏差值, 替换先前的偏差值。根据式 (2) , 对最
21、近的 3 次采样偏差值进行运算, 即可得到控制增量 P (k) 。在本调节器中, 光照强度的采样周期定制为 200ms, 程序流程如图 11 所示。图 1 1 PID 调光程序流程图 Fig.11 Program flow chart of PID dimming 下载原图3 光照调节器运行测试将本调节器放置于广州市从化区街口镇的从化华隆果菜保鲜有限公司的蓝莓种植大棚内进行试验, 安装示意图如图 12 所示。LED 光源模组固定在蓝莓大棚顶架上, 光路垂直向下;光照强度传感模块水平放置在该区域的蓝莓冠层顶部上, 与光源的垂直距离约 2m。图 1 2 光照调节器安装示意图 Fig.12 Ligh
22、t sensor installation diagram 下载原图3.1 PID 参数整定为得到效果较优的控制参数 Kp, 人为调节温室大棚内日光灯的通和断, 测试光照调节器对阶跃信号的响应时间。开启日光灯后恢复到预设的亮度值 (200Lux) 所用的时间, 使用 HT-860 型照度计测量光照强度并用秒表计时。试验重复 3 次, PID 控制参数调整实验数据如表 2 所示。表 2 PID 控制参数调整实验数据 Table 2 Experimental data of the adjusted PID control parameters 下载原表 由表 2 可以看出:K P的最佳值为 0.
23、7, 精度为 10。另外, K P精度和采样周期的长短都会影响 PID 控制的品质。3.2 恒流源电流显示精度测试光照调节器上电后, 通过按键设定电流的输出值, 以约 50m A 的步进幅度递增, 记录显示屏上显示的对应 DAC 转换输出值的电流大小。通过外部电流表检测电流源输出电流的大小来进行对比, 统计数据如表 3 所示。表 3 中的最大相对误差为 3.96%, 平均相对误差为 2.23%。由此可见, 恒流源的电流输出控制得当, 精度较高。表 3 电流显示精度测试数据 Table 3 Test data of current accuracy 下载原表 3.3 工作稳定性测试当工作一段时间
24、, 电流外部测量值随着系统工作时间延长稍有减少, 但显示输出值基本不变。造成这种误差的主要原因如下:当系统工作的时间加长时, 元器件的温度不断上升, 虽然比较缓慢, 当时间一长, 采样电阻和负载电阻的阻值不断变大, 造成输出电流减少而采样电阻两端的电压不变。测试的结果如表 4所示。表 4 长时间工作电流变化趋势 Table 4 Current trend with long time working 下载原表 结果表明:调节器的工作电流存在温度漂移现象, 是由于相关元器件工作时所产生的热量排散效果不好所致。为此, 拟在后续的改进工作中加入风扇和散热片等专用散热器具, 以降低温漂现象。4 结语基
25、于数控恒流技术的蓝莓光照调节器实现了对温室大棚内区域光照强度的精确控制, 克服了传统人工调光方式灵敏度低、耗时低效的局限性。测试结果表明:该调节器软硬件设计合理, 具有良好的扩展性, 在此基础上可以挂接更多传感器模块, 实现对蓝莓大棚的温度、湿度和空气成分等更多参数的检测和监控, 能较好地满足大棚内蓝莓生长发育的光照补偿需要, 并具有使用灵活、安装简便和成本低廉的特点。该设计方案不仅能应用在蓝莓大棚光照强度监控领域, 还可以推广到其它照度监控领域, 为实现最终的蓝莓光照按需供给及其它温室大棚全方位智能监控提供了技术参考。参考文献1张德宁, 温鹏, 耿丽微, 等.基于 STC89C52 的温室温
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