控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)測量與控制 收稿日期 修回日期 基金項(xiàng)目 年廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目 作者簡介 易 藝 男 廣西防城人 碩士 高級實(shí)驗(yàn)師 高級工程師 主要從事測控技術(shù)與傳感器技術(shù)方向的研究 引用格式 易 藝 竇文淼 莫燕蘭 等 基于 的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)測量與控制 文章編號 中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 基于 的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 易 藝 竇文淼 莫燕蘭 袁頌岳 桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院 廣西 桂林 桂林亦元生現(xiàn)代生物技術(shù)有限公司 廣西 桂林 摘要 光照是植物生長和發(fā)育的重要環(huán)境因子之一 在植物組織培養(yǎng)過程中 為了更好地利用 光源對組培室內(nèi)植物進(jìn) 行補(bǔ)光 節(jié)約能源和提高補(bǔ)光效率 設(shè)計(jì)了一種基于 的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng) 系統(tǒng)采用 作為微控制器 設(shè)計(jì)植物補(bǔ) 光總控中心和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)電路 補(bǔ)光總控中心通過 通信模塊與安裝在組培室內(nèi)的多個(gè)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的 通信 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)補(bǔ)光總控中心的任務(wù)指令和補(bǔ)光參數(shù) 協(xié)調(diào)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的各個(gè)電路模塊之間相互工作 實(shí)現(xiàn)按時(shí) 按 量對組培室內(nèi)的植物進(jìn)行補(bǔ)光 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明 該系統(tǒng)環(huán)保 易操作且性能穩(wěn)定可靠 能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)光的同時(shí)節(jié)約能源 進(jìn)而減少了組培室的育苗成本 為在植物組培室內(nèi)實(shí)現(xiàn)植物的補(bǔ)光提供參考 關(guān)鍵詞 植物補(bǔ)光 閉環(huán)控制技術(shù) 組培室 光照度調(diào)節(jié) 引言 組織培養(yǎng)是對傳統(tǒng)植物繁殖方法的突破 它能使有性 繁殖成活率低和不能有性繁殖的植物繁育出新的植株 且 不受季節(jié) 氣候 自然災(zāi)害等因素影響 組織培養(yǎng)的繁 殖周期短 擴(kuò)繁速度快 短時(shí)間內(nèi)可繁殖出大量植株 通 過組織培養(yǎng)不但能節(jié)省常規(guī)無性繁殖所需要的大量母本植 物 保持母本優(yōu)良性狀一致 還可以防止植物種性退化 目前 組織培養(yǎng)在快速繁殖 育種 保存瀕危植物種質(zhì)資 源等工作中得到廣泛的應(yīng)用 在植物組織培養(yǎng)過程中 光不僅是植物光合作用的能 量來源 而且對植物生長發(fā)育 形態(tài)建成和生理代謝等各 個(gè)方面均有調(diào)節(jié)和控制作用 傳統(tǒng)組培室對不同植物組 培苗以及植物組培苗不同生長階段進(jìn)行補(bǔ)光大都采用統(tǒng)一 的植物補(bǔ)光方式 不能根據(jù)植物生長需求對光進(jìn)行合適的 調(diào)節(jié) 因而影響植物組培苗的培育質(zhì)量 熒光燈 高壓鈉 燈等傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源都含有植物生長不需要的光譜 只 有部分波段的光可以被植物吸收利用 存在光能量浪費(fèi) 耗能較高 在組培室中使用傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源 不易獲得 高性價(jià)比的植物組培苗 相對于傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源 光源具有發(fā)光效率高 體積小 功耗低 壽命長和便于控 制等優(yōu)點(diǎn) 近年來 利用 光源對植物生長進(jìn)行補(bǔ)光 的研究 受 到 廣 泛 關(guān) 注 并成為許多科研人員研究的 課題 在植物組織培養(yǎng)過程中 為了更好地實(shí)現(xiàn)對組培室內(nèi) 的植 物 進(jìn) 行 補(bǔ) 光 降 低 育 苗 成 本 本文以微控制器 為主控芯片 設(shè)計(jì)了一種組培室植物生 長 補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)可以根據(jù)需要按時(shí) 按量對 植物組培苗進(jìn)行補(bǔ)光 為在組培室內(nèi)采用 光源對植物 進(jìn)行補(bǔ)光提供一種參考 投稿網(wǎng)址 計(jì)算機(jī)測量與控制 第 卷 系統(tǒng)組成與原理 組培室植物生長補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)由上位機(jī) 補(bǔ)光總控中 心和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)組成 其系統(tǒng)組成如圖 所示 圖 系統(tǒng)組成框圖 上位機(jī)和補(bǔ)光總控中心安放在組培室管理中心 上位 機(jī)為手機(jī)或筆記本電腦 手機(jī)通過 與補(bǔ)光總控中心 進(jìn)行信號的傳輸 筆記本電腦通過 與補(bǔ)光總控中心進(jìn) 行信號的傳輸 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)安裝在組培室內(nèi)的植物組培 架上 方便對組培植物進(jìn)行補(bǔ)光 補(bǔ)光總控中心通過 通信模塊與安裝在組培室內(nèi)的多個(gè)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行信號的傳輸 系統(tǒng)的工作原理為 上位機(jī)向補(bǔ)光總控 中心發(fā)送任務(wù)指令和補(bǔ)光參數(shù) 植物組培技術(shù)員根據(jù)組培 植物的需求通過上位機(jī)輸入任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù) 然 后發(fā)送給補(bǔ)光總控中心進(jìn)行存儲 補(bǔ)光總控中心將上位 機(jī)發(fā)送來的任務(wù)指令和植物補(bǔ)光時(shí)間 光照度等補(bǔ)光參數(shù) 進(jìn)行處理 然后通過 通信模塊傳輸?shù)浇M培室內(nèi)的各 個(gè)補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲 組培室內(nèi)的補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)對 接收到的任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)進(jìn)行處理 然后控制 模塊和 光源驅(qū)動模塊對 光源進(jìn)行調(diào)光 同時(shí)通 過光照度傳感器模塊檢測 光源的光照度是否滿足預(yù)設(shè) 植物補(bǔ)光光照的要求 如果沒有達(dá)到預(yù)設(shè)光照參數(shù)要求 則進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 直至達(dá)到預(yù)設(shè)的光照參數(shù)要求 實(shí)現(xiàn) 對植物補(bǔ)光參數(shù)的閉環(huán)控制 植物組培技術(shù)員可以根據(jù)需 要通過上位機(jī)輸入調(diào)光控制指令和參數(shù) 傳輸給補(bǔ)光總控 中心 補(bǔ)光總控中心進(jìn)行處理后 對組培室內(nèi)的補(bǔ)光調(diào)控 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制與管理 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)按照接收到的控制指 令和參數(shù)進(jìn)行光環(huán)境參數(shù)的調(diào)控 并將調(diào)控結(jié)果返回給上 位機(jī) 給植物組培技術(shù)員參考 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括補(bǔ)光總控中心和補(bǔ)光調(diào)控節(jié) 點(diǎn)的電路設(shè)計(jì) 補(bǔ)光總控中心的硬件設(shè)計(jì) 補(bǔ)光總控中心作為上位機(jī)與補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的中間橋梁 用于接收上位機(jī)的任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)并進(jìn)行處理 然后控制和管理組培室內(nèi)的全部補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作 它主要由微控制器和與之相連接的 模塊 轉(zhuǎn)串 口模塊 時(shí)鐘模塊 通信模塊和存儲器模塊組成 其硬件電路設(shè)計(jì)如圖 所示 補(bǔ)光總控中心選用性價(jià)比高 功耗低的 圖 補(bǔ)光總控中心硬件電路設(shè)計(jì)框圖 芯片作為微控制器 其片內(nèi)集成有 通信接口 通信 接口 通信接口和多組 接口等豐富的片上資 源 易于實(shí)現(xiàn)對組培室內(nèi)主控節(jié)點(diǎn)和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的控 制和管理 模 塊 選 用 串 口 轉(zhuǎn) 模 塊 來實(shí)現(xiàn) 該模塊是濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 有限公司推出的 模塊 它可以與微控制器的串口相 連接 實(shí)現(xiàn) 串口轉(zhuǎn) 雙向數(shù)據(jù)透明傳輸功能 通信模塊選用自動控制流向的 芯片來 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 該通信模塊為 串口轉(zhuǎn) 模塊 通過串 口與微控制器進(jìn)行通信 時(shí)鐘模塊選用內(nèi)部自帶溫補(bǔ)晶振電路的 高精度 時(shí)鐘模塊來實(shí)現(xiàn) 該模塊通過 通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行 通信 植物組培技術(shù)員既可以根據(jù)需要通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對組 培室內(nèi)的 光源進(jìn)行開啟與關(guān)閉 又可以通過上位機(jī)進(jìn) 行查看或修改 光源的光照時(shí)間 光照強(qiáng)度等參數(shù) 系 統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完成后 補(bǔ)光總控中心可以脫離上位機(jī) 控制 和管理組培室內(nèi)的補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)接收補(bǔ)光總控中心的任務(wù)指令 并根據(jù) 任務(wù)指令和植物補(bǔ)光參數(shù)對組培室內(nèi)組培架上的 光源 進(jìn)行調(diào)控 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)主要由微控制器 通信模 塊 光照度傳感器模塊 模塊 電壓檢測電路 光源驅(qū)動模塊和 光源組成 其硬件電路設(shè)計(jì)如圖 所示 圖 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)框圖 光源驅(qū)動模塊由繼電器電路和開關(guān)電源電路組成 開關(guān)電源電路選用 可調(diào)開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn) 該電源的 輸入電壓為 輸出電壓調(diào)整范圍為 最大輸出電流 通過輸入信號電壓 來 調(diào)節(jié)輸出電壓 將其電壓調(diào)節(jié)控制端連接至 電路的輸 出端 實(shí)現(xiàn)對開關(guān)電源輸出電壓的調(diào)節(jié) 繼電器電路的控 制端與微控制器的 口相連 用來切換選擇給不同光譜 的 光源供電 投稿網(wǎng)址 第 期 易 藝 等 基于 的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 模塊主要用來給可調(diào)開關(guān)電源提供輸入控制電壓 由于可調(diào)開關(guān)電源的最大輸入控制電壓 因此選用 公司 的 電 壓 輸 出 型 芯 片 來 設(shè) 計(jì) 實(shí) 現(xiàn) 通過 接口與微控制器的 口相連接 由 電壓基準(zhǔn)芯片為其提供基準(zhǔn)電壓 模塊電 路連接如圖 所示 圖 電路框圖 光照度傳感器模塊選用 芯片作為光照檢測 傳感器 用于檢測 光源的光照強(qiáng)度 微控制器將檢測 得到的 光源的光照強(qiáng)度與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較 如果沒有 達(dá)到預(yù)設(shè)值的要求 微控制器將控制 模塊和 光源 驅(qū)動模塊對 光源的光照度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 直至達(dá)到 光照強(qiáng)度預(yù)設(shè)值的要求 以形成閉環(huán)控制 實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng) 度的調(diào)整 該模塊通過 通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行通信 可以測量 的光照強(qiáng)度 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)選用性價(jià)比高 功耗低的 作為微控制器 其片內(nèi)集成有 的 的 通信接口 個(gè) 位的 轉(zhuǎn)換器 通信接口和多組 接口等豐富的片上資源 易于實(shí)現(xiàn)對 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)中各個(gè)電路模塊的控制和管理 協(xié)調(diào)補(bǔ)光調(diào) 控節(jié)點(diǎn)中各個(gè)電路模塊進(jìn)行工作 微控制 器通過 通信模塊接收補(bǔ)光總控中心發(fā)送的植物補(bǔ)光 時(shí)間 光照強(qiáng)度等補(bǔ)光參數(shù) 然后根據(jù)補(bǔ)光參數(shù)和指令對 組培架上的 光源進(jìn)行控制 根據(jù)植物補(bǔ)光需要實(shí)現(xiàn)對 光源光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括補(bǔ)光總控中心軟件設(shè)計(jì)和補(bǔ) 光調(diào)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 補(bǔ)光總控中心軟件設(shè)計(jì)和補(bǔ)光調(diào)控 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)都采用程序模塊化的設(shè)計(jì)方法 首先將系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì)分為多個(gè)子程序模塊的設(shè)計(jì) 然后畫出軟件流程 圖 最后在 集成開發(fā)環(huán)境下 用 語言來編 程實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光總控中心和補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的各個(gè)軟件模塊的程 序設(shè)計(jì) 補(bǔ)光總控中心軟件設(shè)計(jì) 補(bǔ)光總控中心的軟件設(shè)計(jì)主要包括時(shí)鐘模塊的驅(qū)動程 序設(shè)計(jì) 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)和存儲器模塊的驅(qū)動程序設(shè) 計(jì) 其主程序流程如圖 所示 補(bǔ)光總控中心的軟件工作 流程為 補(bǔ)光總控中心開始工作后 微 控制 器 先 對 其 內(nèi) 部 資 源 以 及 與 之 相 連 接 的 模 塊 轉(zhuǎn)串口模塊 時(shí)鐘模塊 通信模塊和存儲器模 塊進(jìn)行初始化 接著判斷是否收到上位機(jī)指令和植物補(bǔ)光 參數(shù) 如果接收到上位機(jī)指令和植物補(bǔ)光參數(shù) 則進(jìn)行指 令和植物補(bǔ)光參數(shù)的處理與存儲 如果沒有接收到上位機(jī) 指令和植物補(bǔ)光參數(shù) 接下來將判斷是否接收到補(bǔ)光調(diào)控 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 如果接收到補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 則進(jìn)行數(shù) 據(jù)的處理 并發(fā)送給上位機(jī) 如果沒有接收到補(bǔ)光調(diào)控節(jié) 點(diǎn)的數(shù)據(jù) 接下來微控制器將通過 通信協(xié)議讀取時(shí)鐘模 塊的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 并進(jìn)行時(shí)鐘和補(bǔ)光參數(shù)的數(shù)據(jù)處理 然后 根據(jù)存儲的植物補(bǔ)光參數(shù) 如 光照強(qiáng)度和補(bǔ)光時(shí)間 向 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令和補(bǔ)光調(diào)控參數(shù) 圖 補(bǔ)光總控中心主程序流程圖 圖 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)主程序流程圖 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包括 的驅(qū)動程 序設(shè)計(jì) 驅(qū) 動 程 序 設(shè) 計(jì) 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)和 的驅(qū)動程序設(shè)計(jì) 其主程序流程如圖 所示 補(bǔ) 投稿網(wǎng)址 計(jì)算機(jī)測量與控制 第 卷 光調(diào)控節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程為 補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)開始工作后 微控制器先對其內(nèi)部資源以及與之相連 接的 通信模塊 光照度傳感器模塊和 模塊進(jìn)行 初始化 接著判斷是否收到補(bǔ)光總控中心指令和植物補(bǔ)光 參數(shù) 如果接收到補(bǔ)光總控中心指令和植物補(bǔ)光參數(shù) 則 進(jìn)行指令和植物補(bǔ)光參數(shù)的處理 如果沒有接收到補(bǔ)光總 控中心指令和植物補(bǔ)光參數(shù) 接下來微控制器將控制光照 度傳感器模塊工作 獲取組培室內(nèi)的 光源的光照強(qiáng) 度 并判斷 光源的光照強(qiáng)度是否在設(shè)置范圍內(nèi) 如果 光源的光照強(qiáng)度不在設(shè)置范圍內(nèi) 則微控制器將控制 模塊和 光源驅(qū)動模塊對 光源的光照強(qiáng)度進(jìn) 行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 直至達(dá)到 光源光照強(qiáng)度預(yù)設(shè)范圍的要 求 然后根據(jù)預(yù)設(shè)的光照時(shí)間參數(shù)調(diào)用光照時(shí)間控制函數(shù) 對植物按時(shí)進(jìn)行補(bǔ)光 系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn) 為了驗(yàn)證植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)的功能 選擇紅光和藍(lán)光 作為 光源 將設(shè)計(jì)制作完成的 補(bǔ)光調(diào)控電 路按照圖 建立實(shí)驗(yàn)測試電路 然后采用優(yōu)利德數(shù)字式照 度計(jì) 對補(bǔ)光調(diào)控電路的光照度參數(shù)調(diào)節(jié)情況進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)測試 得到其部分參數(shù)測量結(jié)果如表 所示 圖 補(bǔ)光調(diào)控電路的實(shí)驗(yàn)測試圖 表 光源光照度測量結(jié)果表 序號 預(yù)置值 測試值 相對誤差 測試結(jié)果表明 補(bǔ)光調(diào)控電路對 光源的光照度參 數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬 調(diào)節(jié)精度較高 誤差較小 能夠滿足組培 室植物補(bǔ)光的需求 結(jié)束語 本文以 微控制器作為控制核心 結(jié)合電子技 術(shù) 傳感器技術(shù)和測控技術(shù) 設(shè)計(jì)了一種組培室植物補(bǔ)光 調(diào)控系統(tǒng) 闡述了系統(tǒng)的組成原理和軟硬件設(shè)計(jì)方法 并 對植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 測試結(jié)果表明 系統(tǒng) 達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求 可以在常規(guī)組培室根據(jù)需要對植 物組培苗按時(shí) 按量進(jìn)行補(bǔ)光 相對于傳統(tǒng)組培室植物補(bǔ) 光方式而言 達(dá)到節(jié)約能源的目的 減少育苗成本 為在 組培室內(nèi)采用 光源對植物進(jìn)行補(bǔ)光提供一種參考 但該植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)也存在不足的地方 比如 植 物補(bǔ)光存在 光源光照分布不均勻 不能對光質(zhì)進(jìn)行科 學(xué)的調(diào)控等問題 在今后的研究中 需要對植物補(bǔ)光調(diào)控 系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn) 以完善植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)的功能 并建 立豐富的數(shù)據(jù)庫 實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)選擇植物類型 就可以自 適應(yīng)地完成對植物補(bǔ)光光環(huán)境的調(diào)控 參考文獻(xiàn) 劉曉鵬 王 鋒 趙黎明 等 藥用植物組織培養(yǎng)研究進(jìn)展 湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 劉曉英 徐志剛 焦學(xué)磊 等 可調(diào) 光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其 對菠菜生長的影響 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 于海業(yè) 孔麗娟 劉 爽 等 植物生產(chǎn)的光環(huán)境因子調(diào)控應(yīng) 用綜述 農(nóng)機(jī)化研究 岑益超 余桂英 季杭峰 等 新型智能 植物組培光照 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 張建 飛 楊 景 發(fā) 胡 嵐 嵐 等 基于單片機(jī)植物組培專用 光源的設(shè)計(jì) 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 周 泓 虞俠挺 基于嵌入式的蘭科植物組培控制系統(tǒng) 傳感器與微系統(tǒng) 鄒豐謙 邱成軍 植物生長環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 傳感器與 微系統(tǒng) 張德茂 袁 曉 陳文杰 電磁閥遠(yuǎn)程控制及水壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 計(jì)算機(jī)測量與控制 易 藝 郝建衛(wèi) 于新業(yè) 等 用于繁育植物種苗的高壓發(fā) 生器的設(shè)計(jì) 現(xiàn)代電子技術(shù) 郝建衛(wèi) 易 藝 李長俊 基于 的智能放大器的研究 與實(shí) 現(xiàn) 計(jì)算機(jī)測量與控制 邢 蘇 周國平 何碧漪 等 基于 的高效光伏能量 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì) 現(xiàn)代電子技術(shù) 投稿網(wǎng)址