基于单片机的led植物生长灯的设计

基于单片机的led植物生长灯的设计内容摘要：

重而道远。 更值得注意的是， LED 的整个行业发展还处于一个耘酿期、布局期，离真正的产出还有一段距离，真正的照明市场还有待进一步普及，现在市场还处于开发期，现阶段我们要在 LED 技术上面 下更多的功夫，才能在市场来临之际从容应对。 植物生长灯发展前景 市场现状 （ 1）近年来由于市场需求的推动，各地普遍采用温室大棚生产反季节蔬菜、瓜果、花卉等。 反季节种植的主要问题是低温与光照不足。 包括华北在内的黄河流域地区、包括东北的辽南地区 、江苏、安徽北部地区、陕南的安康地区等，这正是我国冬季温室种植的重点区域，如进入 10 月份，月平均日照时数就锐减至 小时，大棚生产关键的 10 月至次年的 2 月份，平均日照只有 4 小时， 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用 纸 第 6 页 11 月是 3 小时。 类似的如河北、河南、山西、山东等省的南部的大片地区都是重灾区。 特别是近几年 ，这种灾难性气候出现的频次高，影响面积大，经济损失十分严重，已成为制约温室生产发展的一大障碍，而解决的最好办法之一，那就是根据作物生长的需要采取必要的补光措施。 所以，用于温室大棚的 LED 给光光源系统具有良好的市场前景。 （ 2）在育苗和组织培养的工厂化种植中，由于 LED 给光系统可使种苗发育快、健壮，抗病虫害能力强，并且适用各种作物。 另外，由于育苗和组织培养密度大，所需 LED 光源小，给光系统的成本低、效率高，投入少，收益高。 因此，经济效益更加可观。 Led 植物生长灯作用与未来发展 植物离不开光，光是植物生长必不 可少的能量来源，众所周知，光对植物的光合作用、生长发育、形态建成和物质代谢等都有调控作用。 而目前在温室、大棚种植中，弥补太阳光缺失所用的光源一般是萤光灯、高压钠灯和白炽灯等，这些光源的光谱能量分布是依据人眼对光的需求设计的，而植物生长所需要的光谱与人眼的需求是不一样的。 但 LED 波长类型丰富，可调控的余地较大，适合用于植物的照明灯。 LED 作为植物照明光源可以广泛应用于植物栽培、温室补光、植物工厂，具有促进植物生长，调节植物形态建成，节能环保等多方面优势。 不仅可发出光波较窄的单色光，如红色、橙色、黄色 、绿色、蓝色、红外等，并能根据动植物不同需要任意组合，而且还是低发热特性的冷光源，可以近距离照射植物，提高空间利用率。 LED 植物生长灯能够为农业生物的生长提供合理的光环境条件，减少农药、激素等化学品的使用，确保食品安全，是低能耗的绿色光源。 经应用测试， LED 植物灯的波长非常适合植物的生长、开花、结果。 一般室内植物花卉，会随着时间而长势越来越差，主要原因就是缺少光的照射，通过适合植物所需光谱的 LED 灯照射，不仅可以促进其生长，而且还可以延长花期，提高花的品质。 而把这种高效光源系统应用到大棚、温室等设 施等农业生产上，还可以解决日照不足导致番茄、黄瓜等大棚蔬菜口感下降的弊端。 不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用需要的光线，波长在400~720nm左右。 400~520nm（蓝色）的光线以及 610~720nm（红色）对于光合作用贡献最大。 520~610nm（绿色）的光线，被植物色素吸收的比率很低。 按照以上原理，植物灯都是做成红蓝组合、全蓝、全红三种形式，以提供红蓝两种波长的光线，覆盖光合作用所需的波长范围。 在视觉效果上，红蓝组合的植物灯呈现粉红色。 而白光 LED 灯，最 普遍的是使用蓝色核心，激发黄色荧光粉，由此复合产生视觉上的白光效果。 能量分布上，在 445nm的蓝色区和 550nm 的黄绿色区存在两个峰值。 而植物所需的 610~720nm 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用 纸 第 7 页 红光，则非常缺乏。 多年来在植物领域使用的人工光源主要有高压钠灯、萤光灯、金属卤素灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高，能耗费用约占全部运行成本的 50%~60%.因此，提高发光效率、减少能耗一直是植物领域人工光照明应用的重要课题。 据农业部统计，目前我国植物组培的总面积在 2020 万平方米以上，产值 200 亿元左右。 随着现代化农业的 不断发展，农业照明的需求还在不断扩大，但随之而来的是耗电量的大幅增加。 随着节能理念的不断深入人心，农业照明巨大的市场机遇与能源消耗向传统农业照明灯具技术提出了新的挑战，更为新型农业照明灯具的开发与应用提供了绝好的机遇。 近十年来，我国设施园艺面积发展迅速，植物生长的光环境控制照明技术已经引起重视。 设施园艺照明技术主要应用于两个方面：一、在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照明；二、作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。 LED 作为植物光合作用补充照明的研究 传统人工光源产生太多热量，如采 用 LED 补充照明和水培系统，空气能够被循环使用，过多的热量和水份可以被移除，电能能够被高效地转变为有效光合辐射，最终转化为植物物质。 研究表明：采用 LED 照明，生菜的生长速率、光合速率都提高 20%以上，将 LED 用于植物工厂是可行的。 研究发现，与荧光灯相比，混合波长的 LED 光源能够显著促进菠菜、萝卜和生菜的生长发育，提高形态指标；能够使甜菜生物积累量最大，毛根中甜菜素积累最显著，并在毛根中产生最高的糖分和淀粉积累。 与金属卤化灯相比，生长在符合波长 LED 下的胡椒、紫苏植株，其茎、叶的解剖学形态发生显著的变 化，并且随着光密度提高，植株的光合速率提高。 复合波长的 LED 可引起万寿菊和鼠尾草两种植物的气孔数目增多。 LED 作为植物光周期、光形态建成的诱导照明 特定波长的 LED 可影响植物的开花时间、品质和花期持续时间。 某些波长的 LED 能够提高植物的花芽数和开花数；某些波长的 LED 能够降低成花反应，调控了花梗长度和花期，有利于切花生产和上市。 由此可见通过 LED 调控可以调控植物的开花和随后的生长。 LED 应用于航天生态生保系统的研究 建立受控生态生保系统 (Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是解决长期载人航天生命保障问题的根本途径，高等植物的栽培是 CELSS 的重要元件，其关键之一光照。 基于空间环境的特殊要求，空间高等植物栽培中使用的光源必须具有发光效率高、输出的光 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用 纸 第 8 页 波适合于植物光合作用和形态建成、体积小、重量轻、寿命长、 高安全可靠性记录和无环境污染等特点。 与冷白荧光灯、高压钠灯和金属卤素灯等其它光源相比较， LED 更能有效地将光能转化成光合有效辐射；此外 ,它具有寿命长、体积小、重量轻和呈固态等特点，因此，近年来在地面和空间植物栽培中倍受重视。 研究 表明 LED 照明系统能提供光谱能量分布均匀的照明，其电能转换为植物所需光的效率超过金卤灯的 520 倍 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用 纸 第 9 页 第 2 章 MCS51 单片机 芯片简介 MCS51 单片机内部结构： 8051 是 MCS51 系列单片机的典型产品，包含中央处理器、程序存储器 (ROM)、数据存储器(RAM)、定时 /计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明： 中央处理器： 中央处理器 (CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理 8 位二进制数据或代码， CPU 负责控制、指 挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器 (RAM) 8051 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 图 1 8051 内部结构框图 程序存储器 (ROM)： 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时 /计数器 (ROM)： 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用 纸 第 10 页 8051 有两个 16 位的可编程定时 /计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出 (I/O)口： 8051 共有 4 组 8 位 I/O 口 (P0、 P P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： 8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统： 8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时 /计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。 时钟电路： 8051 内 置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。 单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛 (Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。 INTEL 的 MCS51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的MCS96 系列单片机则采用普林斯顿结构。 下图是 MCS51 系列单片机的内部结构示意 : 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用 纸 第 11 页 图 21 MCS51结构框图 MCS51的引脚说明： MCS51 系列单片机中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，右图是它们的引脚配置， 40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 4 组 8 位共 32 个 I/O口，中断口线与P3口线复用。 现在我们对这些引脚的功能加以说明。 引脚功能 MCS51系列单片机中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构，右图是它们的引脚配置， 40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根， 4 组 8 位共32个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。 现在我们对这些引脚的功能加以说明 ， 如图 22所示： 图 22 引脚功能 Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当 8051 通电，时钟电路开始工作，在 RESET 引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。 初始化后，程序计数器 PC 指向 0000H， P0P3输出口全部为高电平，堆栈指 针 写入 07H，其它专用寄存器被清 “0”。 RESET 由高电平下降为低电平后，系统即从 0000H 地址开始执行程序。 然而，初始复位不改变 RAM（ 包括工作寄存器 R0R7）的状态， 8051 的初始态。 毕 业 论 文 （ 设 计 ） 用 纸 第 12 页 8051 的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位。 此外， RESET/Vpd 还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失。 Pin30:ALE/ 当访问外部程序器时， ALE(地址锁存 )的输出用于锁存地址的低位字节。 而访问内部程序存储器时， ALE 端将有一个 1/6 时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。 更有一个特点，当访问外部程序存储器， ALE 会跳过一个脉冲。 如果单片机是 EPROM，在编程其间， 将用于输入编程脉冲。 Pin29: 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号， PC 的 16 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上，由 CPU读入并执行。 Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线， 8051 和 8751 单片机，内置有 4kB 的程序存储器，当 EA 为高电平并且程序地址小于 4kB 时，读取内部程序存储器指令数据，而超过。