基于STM32的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于STM32的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：光照是植物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，在植物組織培養(yǎng)過(guò)程中，為了更好地利用LED光源對(duì)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STM32的植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng);系統(tǒng)采用STM32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(guò)RS485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(duì)組培室內(nèi)的植物進(jìn)行補(bǔ)光；經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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)

2、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：LED；植物補(bǔ)光$閉環(huán)控制技術(shù); STM32；組培室;光照度調(diào)節(jié)Design of Control System for Plant Light Supplement Based on STM32Abstract： Light is one oP the important environmental factors for plant growth and development. An STM32 plant light supplement control system is des igned in o

3、rder to make better use of LED light source for plants i n tissue culture room，save energy and im7 prove the efficiency of light supplement. STM32 is used as the microcontroller to design the plant light supplement control center and the control nodes.The control center communcates the 6nstructons a

4、nd data wth the multple lght supplement control nodes，6n- stalled in the tissue culture room，through the RS485 communication module. According to the instructions and the light7supplemen- tng parameters，control nodes coordnate each module to work wth each other，so as to acheve the lght supplement on

5、 t me，on demand and according to quantity. The exper imental results show that this system is environmentally friendly, easy to operate，stable and reliable. It can save energy while replenishing light, thus reducng the seedlng raising cost of tissue culture room，which is a reference of supplement lg

6、ht 6n tssue culture 6ndoor plant.Keywords: LED； plant lght supplement； closedloop control technology； STM32； tissue culture room； illumination regulationA引言組織培養(yǎng)是對(duì)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(guò)組織培養(yǎng)不但能節(jié)省常規(guī)無(wú)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

7、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(guò)程中，光不僅是植物光合作用的能 量來(lái)源，而且對(duì)植物生長(zhǎng)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(duì)不同植物組 培苗以及植物組培苗不同生長(zhǎng)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(zhǎng)需求對(duì)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(zhǎng)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?xún)r(jià)比的植物組培苗相對(duì)于傳統(tǒng)植物補(bǔ)光光源，LED

8、 光源具有發(fā)光效率高、體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)和便于控 制等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)，利用LED光源對(duì)植物生長(zhǎng)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 課題婦（。在植物組織培養(yǎng)過(guò)程中，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)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 STM32F103VET6為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種組培室植物生 長(zhǎng)LED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(duì) 植物組培苗進(jìn)行補(bǔ)光，為在組培室內(nèi)采用LED光源對(duì)植物 進(jìn)行補(bǔ)光提供一種參考1系統(tǒng)組成與原理組培室植物生長(zhǎng)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1所示-圖1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

9、中心，上位 機(jī)為手機(jī)或筆記本電腦，手機(jī)通過(guò)GPRS與補(bǔ)光總控中心 進(jìn)行信號(hào)的傳輸，筆記本電腦通過(guò)USB與補(bǔ)光總控中心進(jìn) 行信號(hào)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(duì)組培植物進(jìn)行補(bǔ)光-補(bǔ)光總控中心通過(guò) RS485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(hào)的傳輸-系統(tǒng)的工作原理為：1）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(guò)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(chǔ)2）補(bǔ)光總控中心將上位 機(jī)發(fā)送來(lái)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(guò)RS485通信模塊傳輸?shù)浇M培室內(nèi)的各 個(gè)補(bǔ)光

10、調(diào)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)；3）組培室內(nèi)的補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)對(duì) 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D/ A模塊和LED光源驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED光源進(jìn)行調(diào)光，同時(shí)通 過(guò)光照度傳感器模塊檢測(cè)LED光源的光照度是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè) 植物補(bǔ)光光照的要求，如果沒(méi)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(duì)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(guò)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(duì)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

11、考-2 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)-2 1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GPRS模塊、USB轉(zhuǎn)串 口模塊、時(shí)鐘模塊、RS485通信模塊和存儲(chǔ)器模塊組成- 其硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示-補(bǔ)光總控中心選用性?xún)r(jià)比高、功耗低的STM32F103VET6圖2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SPI通信接口、I2C通信 接口、 USART通信接口和多組I/O接口等豐富

12、的片上資 源7，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)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-GPRS模塊選用 TTL串口轉(zhuǎn) GPRS模塊 VSR GPRS232 7S&來(lái)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GPRS模塊，它可以與微控制器的串口相 連接，實(shí)現(xiàn)TTL串口轉(zhuǎn)GPRS雙向數(shù)據(jù)透明傳輸功能-RS485通信模塊選用自動(dòng)控制流向的MAX485芯片來(lái) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)-該通信模塊為T(mén)TL串口轉(zhuǎn)RS485模塊，通過(guò)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DS3231高精度 時(shí)鐘模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)-該模塊通過(guò)I2C通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行 通信10-植物組培技術(shù)員既可以根據(jù)需要通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)組 培室內(nèi)的

13、LED光源進(jìn)行開(kāi)啟與關(guān)閉，又可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn) 行查看或修改LED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-2 2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(duì)組培室內(nèi)組培架上的LED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、RS485通信模 塊、光照度傳感器模塊、D/A模塊、電壓檢測(cè)電路、LED 光源驅(qū)動(dòng)模塊和LED光源組成-其硬件電路設(shè)計(jì)如圖3 所示-圖3補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)框圖LED光源驅(qū)動(dòng)模塊由繼電器電路和開(kāi)關(guān)電源電路組成， 開(kāi)關(guān)電源電路選用JM 36

14、0W60可調(diào)開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)， 該電源的AC輸入電壓為220 V，DC輸出電壓調(diào)整范圍為 060V，最大輸出電流6 A，通過(guò)輸入信號(hào)電壓05V來(lái) 調(diào)節(jié)輸出電壓，將其電壓調(diào)節(jié)控制端連接至D/A電路的輸 出端，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)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I/O 口相連，用來(lái)切換選擇給不同光譜 的LED光源供電-D/A模塊主要用來(lái)給可調(diào)開(kāi)關(guān)電源提供輸入控制電壓% 由于可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的最大輸入控制電壓5V,因此選用TI 公司的電壓輸出型DAC芯片TLV5616來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)% TLV5616通過(guò)SPI接口與微控制器的I/O 口相連接%由 MC1403電壓基準(zhǔn)芯片為其提供基準(zhǔn)電壓&11, D/

15、A模塊電 路連接如圖4所示圖4D/A電路框圖光照度傳感器模塊選用BH1750FVI芯片作為光照檢測(cè) 傳感器，用于檢測(cè)LED光源的光照強(qiáng)度，微控制器將檢測(cè) 得到的LED光源的光照強(qiáng)度與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果沒(méi)有 達(dá)到預(yù)設(shè)值的要求，微控制器將控制D/A模塊和LED光源 驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED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(guò)IC通信協(xié)議與微控制器進(jìn)行通信， 可以測(cè)量065 535 Lx的光照強(qiáng)度%補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)選用性?xún)r(jià)比高、功耗低的STM32F103C8T6 作為微控制器，其片內(nèi)集成有64 KB的Flash、20 KB的 SRAM、IC

16、通信接口、 2個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器、USART 通信接口和多組I/O接口等豐富的片上資源，易于實(shí)現(xiàn)對(duì) 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% STM32F103C8T6微控制 器通過(guò)RS485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(duì) 組培架上的LED光源進(jìn)行控制,根據(jù)植物補(bǔ)光需要實(shí)現(xiàn)對(duì) LED光源光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)%3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

17、塊的設(shè)計(jì)，然后畫(huà)出軟件流程 圖,最后在Keil uVision5集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下,用C語(yǔ)言來(lái)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)%3. 1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(dòng)程 序設(shè)計(jì)、USART驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)器模塊的驅(qū)動(dòng)程序設(shè) 計(jì),其主程序流程如圖5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(kāi)始工作后,STM32F103VET6微 控制器先對(duì)其內(nèi)部資源以及與之相連接的GPRS模塊、 USB轉(zhuǎn)串口模塊、時(shí)鐘模塊、RS485通信模塊和存儲(chǔ)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

18、數(shù)，則進(jìn)行指 令和植物補(bǔ)光參數(shù)的處理與存儲(chǔ)）如果沒(méi)有接收到上位機(jī) 指令和植物補(bǔ)光參數(shù),接下來(lái)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(méi)有接收到補(bǔ)光調(diào)控節(jié) 點(diǎn)的數(shù)據(jù)，接下來(lái)微控制器將通過(guò)I2C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(chǔ)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5 補(bǔ)光總控中心主程序流程圖3.2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BH1750FVI的驅(qū)動(dòng)程 序設(shè)計(jì)、USART驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、A/D驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和 TLV561

19、6的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，其主程序流程如圖6所示補(bǔ)圖6補(bǔ)光調(diào)控節(jié)點(diǎn)主程序流程圖光調(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(kāi)始工作后， STM32F103C8T6微控制器先對(duì)其內(nèi)部資源以及與之相連 接的RS485通信模塊、光照度傳感器模塊和D/A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(méi)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(lái)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LED光源的光照強(qiáng) 度，并判斷LED光源的光照強(qiáng)度是否在設(shè)置范圍內(nèi)，如果 LED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 D/A模塊和LED光源驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)LED光源的光照強(qiáng)度進(jìn) 行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，直至達(dá)到LED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(duì)植物按時(shí)進(jìn)行補(bǔ)光-4 系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)5結(jié)束語(yǔ)本文以STM32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(cè)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(duì)植物補(bǔ)光調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-測(cè)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)