王青彩 向卓 黃冬霞

摘 要：針對溫室育苗的需要，文章設計一種低成本、簡單、實用的光照強度連續(xù)測量儀，其采用數字光照強度采集模塊BH1750FVI完成光照信息的采集，STC12C5A60S2單片機作為中央處理器，通過試驗進行系統(tǒng)性能驗證。試驗結果表明，在日光燈下連續(xù)進行12次測量結果的相對標準偏差僅為6. 60%，具有較好穩(wěn)定性，能夠較好地實時響應光照情況。

關鍵詞：單片機；光照強度；連續(xù)測量

光照是植物進行光合作用的必要因素[1-2]。因此光照強度對植物生長的影響不容小覷，在大棚種植中可以改變光照強度使光照強度達到農作物最佳的種植光照強度，確保農作物育苗適宜生長。所以設計一種能夠對農作物光照強度進行實時監(jiān)控的測量儀在大棚種植農作物的發(fā)展中有著重要意義。

目前，光照強度測量儀作為一種數字型儀器代表著新技術和新工藝的發(fā)展[3-4]。本設計采用模塊化的方式，以高速度、低功耗、高可靠的STC12C5A60S2單片機為中心處理器、LCD1602液晶作為顯示器件、利用串口通信傳輸數據、用16位數字輸出型光照強度傳感器BH1750FVI模塊采集光照強度信號等建立光照強度連續(xù)測量系統(tǒng)，并對其各個模塊進行分析。

1 硬件結構設計及工作原理

1.1 總體設計

通過下位機和上位機的分工合作就可以完成光照強度及時顯示和數據的處理，各模塊的關系如圖1所示。光照強度測量儀主要包括下位機和上位機兩大部分，下位機由單片機控制模塊、光照采集模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊、按鍵控制模塊構成。上位機主要由串口通信、數據庫模塊、數據分析模塊構成。該測量儀通過BH1750FVI數字光照強度采集模塊將采集到的光照小電流信號經過放大、AD轉換、界面公式的計算，將模擬小信號變成單片機可以識別的數字信號，單片機再將信息交給液晶顯示。每10 min的間隔，數據將會被保存在單片機的EEPROM中一次。單片機把一天中保存的數據傳給上位機后會自動將數據擦除。上位機通過單片機串口輸送的數據進行數據庫的整理和分析。其中在單片機中保存的數據可以通過按鍵來上翻和下翻進行查看。

1.2 硬件設計

光照采集是整個設計中非常重要的一塊，數據的精確度由它來確定。GY-30光照采集模塊主要從數據的來源和轉換進行分析。在選擇光照傳感器時有介紹過其內部結構由光敏二極管、運算放大器、模數轉換器、寄存器和內部振蕩器構成。BH1750FVI是通過IIC總線協議和單片機通信的。內置662 k穩(wěn)壓芯片是高紋波抑制率、低功耗、低壓差具有過流和短路保護的CMOS降壓型電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓3.3 V。

（1）光敏二極管和普通二極管在結構上是類似的，其管芯是一個具有光敏特征的PN結，比一般PN結面積更大，從而增加對光的敏感度。

（2）集成運算放大器（簡稱“運放”）將光敏二極管采集到的微小PD電流轉換為PD電壓，運放對于輸入電路阻抗越大越好，電路輸出阻抗越小越好。

（3）模數轉換模塊是將采集到的模擬光強度信號轉換為數字信號，模塊使用了AD719X系列模數轉換器，AD719X支持PGA和寬范圍的可編程輸出數據速率，以不同的數據速率來轉換不同幅度的信號。

（4）BH1750FVI光照采集模塊寄存器部分分為數據寄存器和測量時間寄存器。數據寄存器就是暫時保存16位光強度數值，初始值為：0000 0000 0000 0000。測量時間寄存器初始值為：0100 0101。

2 軟件程序設計

光照傳感器數據采集模塊通過程序中單片機設定的定時器每隔30 s采集并發(fā)送1次。首先對單片機端口進行初始化，使用查詢方式。顯示模塊上顯示的時間部分剛好為00，10，20，30，40，50時CPU 感應并立刻發(fā)采集的信號給BH1750FVI模塊采集當前數據，指令是通過IIC總線傳輸的。數據輸出是光照采集部分，程序流程如圖2所示。

3 試驗與結果

完成光照強度連續(xù)測量儀調試后，該連續(xù)測量儀與高精度照度計UT383同時進行測量。選擇在日光燈下，上午11：10～13：00。每10 min測量一個數據，設置好儀器相應的參數后啟動測量儀連續(xù)進行12次測量，其測量結果如表1所示。

連續(xù)測量2個小時對比分析其12個數據， 從表1可以看出，數值集中在20 000 lx左右。連續(xù)測量儀的讀數與UT383照度計測量的數值變化趨勢相同。綜合試驗得到的數據，連續(xù)測量儀相對標準偏差為6. 60%，測量準確度較高。表明該連續(xù)測量儀測量的結果能夠信任光照強度連續(xù)測量的需要，能夠較好的實時響應環(huán)境光照情況。

4 結語

實驗結果表明，采用這款光照強度連續(xù)測量儀能有效地了解農業(yè)生產、養(yǎng)殖業(yè)或者人們自己生活環(huán)境中的光照情況，從而判斷光照值是否為農作物的最佳光照強度，也可以判斷今年是減產還是有增產的可能，在大棚種植中可以在知道了農作物最佳種植光照強度之后，根據需要改變光照強度。使得農業(yè)生產和養(yǎng)殖業(yè)在調節(jié)光照強度后達到最大經濟利益。

[參考文獻]

[1]高飛，柯燚，金韜，等.光照對植物合成花色素苷的影響研究進展[J].中國農學通報，2014（34）：6-10.

[2]魏永贊，李偉才，董晨，等.光照對植物花色素苷生物合成的調控及機制[J].植物生理學報，2017（9）：1577-1585.

[3]云中華，白天蕊.基于BH1750FVI的室內光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012（6）：27-29.

[4]田安紅，付承彪.一種虛擬光照強度測試儀系統(tǒng)設計[J].實驗技術與管理，2017（4）：115-117.