基于LED光源的溫室光環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計

TSL2561是一種光強度傳感器芯片，它具有數(shù)字式輸出端口和標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，涵蓋1～70000Lx的寬照度范圍。其內(nèi)部通道0和通道1是兩個光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A／D轉(zhuǎn)換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，從通道0寄存器和通道1寄存器讀取相應(yīng)的值CH0和CH1計算光照度Lx。
DS18B20是一種溫度傳感器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL配置寄存器。DS1 8B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0．0625℃／LSB形式表達，其中S為符號位。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，單片機嚴(yán)格按照DS18B20的時序進行控制，可完成光源板中心溫度的測量。
3．3 LED驅(qū)動電路
LED光源流明效率(ηe)是指輸入每瓦電功率所產(chǎn)生的流明光通，計量單位1m／W，計算公式如式(6)所示：

式中：ηe是流明效率，φ1um是光通量，U是LED正向電壓，I是LED正向電流。
照度(E)是指1流明的光通量均勻分布在1m2表面上所產(chǎn)生的光照度，單位為勒克斯(Lx)，計算公式如式(7)所示：

可見，LED的亮度幾乎和它的驅(qū)動電流直接成正比關(guān)系，可以通過調(diào)整正向驅(qū)動電流的大小來調(diào)整LED的亮度。

LED陣列采用恒流驅(qū)動方式，LED可獲得恒定的顏色輸出。系統(tǒng)選擇PT4115恒流驅(qū)動芯片，驅(qū)動電路如圖4所示。PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，它具有直流8V到30V的較寬輸入電壓范圍，擊穿電壓大于45V，輸出200～1200mA恒定直流，可滿足驅(qū)動點亮N顆串并聯(lián)的小功率LED。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0．3V時，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態(tài)。LED的最大平均電流由連接在VIN和CSN兩端的電阻RS決定，通過在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號可以調(diào)小輸出電流以實現(xiàn)調(diào)光，計算方法如式(9)所示：

式中，D是PWM的占空比，Vpilse為PWM的高電平值，Rs為限流電阻。
3．4 控制器算法設(shè)計及實現(xiàn)
STC12C5A60S2作主控制器，該芯片自帶兩路PWM控制器、兩個定時器、十位AD轉(zhuǎn)換器等。系統(tǒng)光照度調(diào)整使用增量式的PID算法，根據(jù)變換量按比例調(diào)整PWM定時器CCAP1L、CCAP1H的值，輸出不同占空比的PWM信號調(diào)節(jié)LED的照度。其中PID如式(10)
△uk=Aek-Bek-1+Cek-2 (10)
式中：△uk為控制量的增量；k為采樣序號；ek為第k次采樣的輸入偏差值：ek-1為第k-1次采樣的輸入偏差值。
光照度調(diào)整分兩種狀態(tài)：1)如果當(dāng)前值小于輸入的設(shè)定值，則PWM波形占空比增加，輸出光照度增大，直到輸出值等于設(shè)定值。2)如果輸出值大于或等于設(shè)定值，則PWM輸出占空比減小，輸出光照度減小，直到輸出值等于設(shè)定值。通過不斷的檢測與調(diào)整，讓光照度保持恒定。
LED光源板的溫度通過溫度傳感器檢測，當(dāng)檢測溫度高于設(shè)定溫度時，啟動降溫風(fēng)扇。當(dāng)檢測溫度低于或等于設(shè)定溫度時，停止降溫風(fēng)扇。