本發(fā)明屬于植物生長補(bǔ)光設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種促進(jìn)蔬菜或多肉植物生長的LED植物燈自動補(bǔ)光設(shè)備。

背景技術(shù)：

目前在家庭陽臺種植蔬菜（或多肉植物）的用戶普遍采用夜晚不補(bǔ)光的方法粗放式種植。這樣會影響到蔬菜（或多肉植物）花芽分化、抽穗開花、結(jié)果實，也會影響到塊莖、塊根、球莖的形成。很多蔬菜（或多肉植物）在每天夜晚來臨時由于白天太陽光照射時間不夠，光飽和度和光補(bǔ)償點不足有機(jī)物質(zhì)的消耗多余累積，會導(dǎo)致植株干質(zhì)量下降從而導(dǎo)致其生長緩慢、瘦弱、葉面易枯萎和焦黃等癥狀影響口味（或觀賞性）。

而目前采用補(bǔ)光技術(shù)的用戶只是在現(xiàn)有的LED植物燈補(bǔ)光技術(shù)的指導(dǎo)下簡單粗暴地整夜對蔬菜（或多肉植物）進(jìn)行同一亮度的照射。此方法雖比前一種方式對蔬菜（或多肉植物）在光照方面有所改進(jìn)但是依然不是科學(xué)合理的補(bǔ)光方式。

其采用的LED植物燈補(bǔ)光技術(shù)僅僅是把LED植物燈補(bǔ)光燈插在220V電源插排上機(jī)械地進(jìn)行整夜的單一照度的光照，等早晨起床后關(guān)掉電源停止補(bǔ)光。雖然此補(bǔ)光技術(shù)和本發(fā)明的實現(xiàn)方案有些淵源，但是它比本發(fā)明浪費電能，影響了蔬菜（或多肉植物）的休息規(guī)律，也達(dá)不到本設(shè)備實現(xiàn)的補(bǔ)光效果。

現(xiàn)有的補(bǔ)光技術(shù)浪費電能，不能智能化補(bǔ)光，同時影響了蔬菜（或多肉植物）的休息規(guī)律起不到最好的效果，反而對蔬菜（或多肉植物）生長起到了反作用，不利于蔬菜（或多肉植物）的根莖形成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對上述問題，提供一種節(jié)省人力、節(jié)能、科學(xué)補(bǔ)光的促進(jìn)蔬菜或多肉植物生長的LED植物燈自動補(bǔ)光設(shè)備。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，本發(fā)明包括MCU，MCU的信號輸入端口分別與NPN三極管的發(fā)射極、光照度傳感器的信號輸出端口、采樣電阻一端、存儲器的信號輸出端口、溫濕度傳感器的信號輸出端口、時鐘芯片的信號輸出端口相連。

MCU的電源端口與開關(guān)電源的輸出端口相連，開關(guān)電源的正極輸出端口通過LED補(bǔ)光燈與NPN三極管的集電極相連，NPN三極管的基極與MCU的控制信號輸出端口相連，開關(guān)電源的輸入端口與220V交流相連，開關(guān)電源的負(fù)極端口與采樣電阻另一端相連。

作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述采樣電阻采用1%高精度采樣電阻。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述MCU的電源端口與開關(guān)電源的5V輸出端口相連，開關(guān)電源的42V輸出端口通過發(fā)光二極管與NPN三極管的集電極相連。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述采樣電阻經(jīng)過運算放大器電路與MCU的信號輸入端口相連。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述MCU采用STM32F103VET6芯片U1，所述運算放大器電路采用MCP602芯片U3，所述光照度傳感器采用BH1750FVI型光照度傳感器U6，所述存儲器采用W25Q64芯片U10，所述溫濕度傳感器采用DHT11型溫濕度傳感器U5，所述時鐘芯片采用DS1302芯片U8。

U1的85引腳分別與電阻R11一端、電容C22一端相連，C22另一端接地，R11另一端分別與U3的1引腳相連，U3的3引腳通過電阻R13、R12分別與電阻R6一端、電阻R7一端、NPN三極管發(fā)射極相連，R7另一端接地，R6另一端分別與電阻R4一端、NPN三極管基極相連，R4另一端接U1的84引腳。

U6的6、4引腳分別與U1的95、96引腳對應(yīng)連接；U6的5引腳分別與電阻R22一端、電容C26一端相連，C26另一端接地，R22另一端接3V3電源。

U10的1引腳通過電阻R32接3V3電源，U10的6、5引腳與U1的30、31對應(yīng)連接。

U5的2腳分別與電阻R23一端、U1的87腳相連，R23另一端分別與3V3電源、U5的1腳相連。

U8的2、3引腳分別與晶振Y1兩端連接，U8的5、6、7引腳分別與U1的53、52、51引腳對應(yīng)連接，U8的5引腳通過電阻R28接3V3電源，U8的6引腳通過電阻R27接3V3電源，U8的7引腳通過電阻R26接3V3電源。

U3的7腳通過電阻R20與U1的86腳相連，U3的5腳通過電阻R21分別與電阻R1一端、電阻R5一端相連，R5另一端接地，R1另一端接LED+。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述U1的82腳通過電阻R36分別與電阻R38一端、三極管Q4基極相連，Q4發(fā)射極和R38另一端接地，Q4集電極接蜂鳴器負(fù)極，蜂鳴器正極接3V3電源。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述單片機(jī)對采樣到的采樣電阻經(jīng)過運算放大器MCP602電路處理后的電壓值進(jìn)行分析，結(jié)合記錄在W25Q64內(nèi)部的BH1750FVI光照度傳感器的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、DHT11的溫濕度值、以及DS1302的年月日時分秒數(shù)據(jù)，通過PID算法進(jìn)行綜合分析和調(diào)節(jié)，通過輸出PWM值對三極管的基極進(jìn)行控制，對LED植物燈的補(bǔ)光進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述單片機(jī)MCU上電后程序執(zhí)行完各種初始化信息完畢，開始讀取EEPROM芯片AT24C02內(nèi)對應(yīng)位置上的值n，然后讀取W25Q64內(nèi)保存的光照度的值u,則全天的實際光照度值為U=u+n*65536；對比U值是否和設(shè)定值一致；如果U值比人工設(shè)定（或程序設(shè)定）的值小，則需要另外補(bǔ)光；補(bǔ)光的開始時間段、時長以及強(qiáng)度大小則需要結(jié)合另外幾個傳感器的值綜合決定。

其次，本發(fā)明所述綜合決定的方法為：人工通過外置按鍵對設(shè)備設(shè)置光飽和點,當(dāng)單片機(jī)程序識別出太陽光照射時W25Q64內(nèi)的值超過65536后，則對AT24C02內(nèi)對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)加1保存，而W25Q64內(nèi)的值自動從0開始被新采集到的值覆蓋掉保存；根據(jù)U=u+n*65536，當(dāng)單片機(jī)（MCU）識別到的U值大于或者等于人工設(shè)定,說明不再需要LED植物補(bǔ)光燈另外補(bǔ)光，程序無需啟動LED補(bǔ)光燈設(shè)備；如果U值小于人工設(shè)定值則，程序繼續(xù)向下執(zhí)行，開始讀取DS1302時鐘芯片里的小時寄存器（0x85H），根據(jù)蔬菜（或多肉植物）的生長習(xí)性和補(bǔ)光規(guī)律在其不能被太陽照射的時間段內(nèi)設(shè)定經(jīng)驗值，此經(jīng)驗值隨著日照時間的長短被自動記錄和保存在W25Q64的對應(yīng)位置為下一年的日光照射時長提供參考依據(jù)；在一個被軟件程序認(rèn)可的數(shù)值下，開始讀取BH1750設(shè)備，看是否仍有陽光在照射植物；當(dāng)同時滿足DS1302內(nèi)的時間寄存器大于或者等于（>=）設(shè)定值（參考值）且同時沒有陽光照射蔬菜（或多肉植物）的條件時讀取DHT11溫濕度值，與程序內(nèi)設(shè)置的對應(yīng)時間段的溫濕度參考值做比較，判斷是否是夜晚來臨了或者陰雨天一直沒有陽光，蔬菜（或多肉植物）開始進(jìn)行LED補(bǔ)光。

再次讀取DS1302的月份寄存器（0x89H）值，單片機(jī)（MCU）程序根據(jù)月份寄存器(0x89H)內(nèi)的值做一段時間的對比和自動修改，判斷是在四季中的哪個季節(jié)，同時根據(jù)單片機(jī)（MCU）程序中設(shè)置好的參考值做對比，初步判定需要的光飽和度和光補(bǔ)償點大小，如果人工通過外部按鍵設(shè)置過需要的光飽和度和光補(bǔ)償點大小，則以外部設(shè)置的值為參考值，否則以單片機(jī)（MCU）內(nèi)部設(shè)置的值為參考值，執(zhí)行程序設(shè)定的補(bǔ)光時長和強(qiáng)度。

另外，本發(fā)明所述被軟件程序認(rèn)可的數(shù)值為T,單片機(jī)程序認(rèn)可的值的范圍為：|T-18|<=3，即下午15點到晚上21點間開始讀取BH1750設(shè)備。

本發(fā)明有益效果。

本發(fā)明技術(shù)方案通過嵌入式軟件與硬件設(shè)計相結(jié)合，綜合光照度、光補(bǔ)償度、周圍環(huán)境溫濕度和實時時間等蔬菜（或多肉植物）生長因子，對比人工設(shè)置好的光照強(qiáng)度的補(bǔ)償點的參考值，為LED植物燈智能化補(bǔ)光提供科學(xué)依據(jù)。解決了目前蔬菜（或多肉植物）傳統(tǒng)LED植物燈補(bǔ)光技術(shù)方面的粗放式、單一性和不科學(xué)性的缺陷問題。

本發(fā)明電路設(shè)計精巧、成本低廉，改變了傳統(tǒng)的LED等控制電路的設(shè)計理念，變傳統(tǒng)的220V交流補(bǔ)光燈設(shè)計為42V直流電源供電設(shè)計，智能化補(bǔ)光或關(guān)閉由嵌入在設(shè)備內(nèi)的嵌入式軟件程序精確控制，減少了人為干預(yù)的工作，從而節(jié)省人力，減少了電能的浪費。

本發(fā)明利用LED植物補(bǔ)光燈中的紅藍(lán)光譜促進(jìn)蔬菜在夜晚沒太陽光照射的情況下依然進(jìn)行光合作用促進(jìn)快速成長，不但節(jié)省電能，同時最大程度縮短了植物的生長周期。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明保護(hù)范圍不僅局限于以下內(nèi)容的表述。

圖1是本發(fā)明電路原理框圖。

圖2是本發(fā)明控制流程圖。

圖3～7是本發(fā)明電路原理圖。

具體實施方式

如圖所示，本發(fā)明包括MCU，MCU的信號輸入端口分別與NPN三極管的發(fā)射極、光照度傳感器的信號輸出端口、采樣電阻一端、存儲器的信號輸出端口、溫濕度傳感器的信號輸出端口、時鐘芯片的信號輸出端口相連。

MCU的電源端口與開關(guān)電源的輸出端口相連，開關(guān)電源的正極輸出端口通過LED補(bǔ)光燈與NPN三極管的集電極相連，NPN三極管的基極與MCU的控制信號輸出端口相連，開關(guān)電源的輸入端口與220V交流相連，開關(guān)電源的負(fù)極端口與采樣電阻另一端相連。

所述采樣電阻采用1%高精度采樣電阻。

所述MCU的電源端口與開關(guān)電源的5V輸出端口相連，開關(guān)電源的42V輸出端口通過發(fā)光二極管與NPN三極管的集電極相連。本發(fā)明在傳統(tǒng)市電220V交流電壓下，通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成為直流5V和42V，分別給單片機(jī)(MCU)正負(fù)極以及和LED補(bǔ)光燈的正極供電，LED植物補(bǔ)光燈的負(fù)極連接NPN型三極管的集電極端。NPN型三極管的發(fā)射極端串接1%高精度采樣電阻與開關(guān)電源負(fù)極連接。

所述采樣電阻經(jīng)過運算放大器電路與MCU的信號輸入端口相連。

所述MCU采用STM32F103VET6芯片U1，所述運算放大器電路采用MCP602芯片U3，所述光照度傳感器采用BH1750FVI型光照度傳感器U6，所述存儲器采用W25Q64芯片U10，所述溫濕度傳感器采用DHT11型溫濕度傳感器U5，所述時鐘芯片采用DS1302芯片U8。

U1的85引腳分別與電阻R11一端、電容C22一端相連，C22另一端接地，R11另一端分別與U3的1引腳相連，U3的3引腳通過電阻R13、R12分別與電阻R6一端、電阻R7一端、NPN三極管發(fā)射極相連，R7另一端接地，R6另一端分別與電阻R4一端、NPN三極管基極相連，R4另一端接U1的84引腳。

U6的6、4引腳分別與U1的95、96引腳對應(yīng)連接；U6的5引腳分別與電阻R22一端、電容C26一端相連，C26另一端接地，R22另一端接3V3電源。

U10的1引腳通過電阻R32接3V3電源，U10的6、5引腳與U1的30、31對應(yīng)連接。

U5的2腳分別與電阻R23一端、U1的87腳相連，R23另一端分別與3V3電源、U5的1腳相連。

U8的2、3引腳分別與晶振Y1兩端連接，U8的5、6、7引腳分別與U1的53、52、51引腳對應(yīng)連接，U8的5引腳通過電阻R28接3V3電源，U8的6引腳通過電阻R27接3V3電源，U8的7引腳通過電阻R26接3V3電源。

U3的7腳通過電阻R20與U1的86腳相連，U3的5腳通過電阻R21分別與電阻R1一端、電阻R5一端相連，R5另一端接地，R1另一端接LED+。這部分通過電阻采樣，完成PWM調(diào)光功能。R1另一端接LED+,而LED-連接R2和C3串聯(lián)的部分，單片機(jī)程序通過PID算法對U1的第84腳進(jìn)行PWM調(diào)光控制，U1的第84腳通過R4連接到Q1的G端，R6和G端相連然后通過R12、R13被運算放大器MCP602被放大處理，由于R11的存在則被采集到的電流值轉(zhuǎn)換成了可被U1的第85腳采樣的電壓值然后與R21通過運算放大器MCP602和R20相連的而被U1的86腳采集的電壓值做對比檢測二者是否一致，防止采樣過程中出現(xiàn)大的偏差或者毛刺。比如想調(diào)節(jié)燈光亮度占空比為50%，則通過此電路和單片機(jī)的PID算法程序調(diào)節(jié)，很快能高效穩(wěn)定地達(dá)到目的。

所述U1的82腳通過電阻R36分別與電阻R38一端、三極管Q4基極相連，Q4發(fā)射極和R38另一端接地，Q4集電極接蜂鳴器負(fù)極，蜂鳴器正極接3V3電源。蜂鳴器用來提示信息，比如按鍵輸入設(shè)定數(shù)據(jù)時會有“滴”的一聲鳴響，或者設(shè)備在整個運行過程中出現(xiàn)故障而持續(xù)鳴叫。

所述單片機(jī)對采樣到的采樣電阻經(jīng)過運算放大器MCP602電路處理后的電壓值進(jìn)行分析，結(jié)合記錄在W25Q64內(nèi)部的BH1750FVI光照度傳感器的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、DHT11的溫濕度值、以及DS1302的年月日時分秒數(shù)據(jù)，通過PID算法進(jìn)行綜合分析和調(diào)節(jié)，通過輸出PWM值對三極管的基極進(jìn)行控制，對LED植物燈的補(bǔ)光進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

下面結(jié)合附圖說明本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理過程。

單片機(jī)（MCU）上電后程序執(zhí)行完各種初始化信息完畢，開始讀取EEPROM芯片AT24C02內(nèi)對應(yīng)位置上的值n，然后讀取W25Q64內(nèi)保存的光照度的值u,則全天的實際光照度值為U=u+n*65536。對比U值是否和設(shè)定值一致。如果U值比人工設(shè)定（或程序設(shè)定）的值小則是需要另外補(bǔ)光的。補(bǔ)光的開始時間段、時長以及強(qiáng)度大小則需要結(jié)合另外幾個傳感器的值綜合決定。

比如種植西紅柿?xí)r人工通過外置按鍵對設(shè)備設(shè)置的光飽和點為7萬lux,當(dāng)單片機(jī)程序識別出太陽光照射時W25Q64內(nèi)的值超過65536后，則對AT24C02內(nèi)對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)加1保存，而W25Q64內(nèi)的值自動從0開始被新采集到的值覆蓋掉保存。根據(jù)U=u+n*65536，當(dāng)單片機(jī)（MCU）識別到的U值大于或者等于0x11170,（7萬lux,其值為人工設(shè)置值或者程序自動設(shè)置）時即說明不再需要LED植物補(bǔ)光燈另外補(bǔ)光，程序無需啟動LED補(bǔ)光燈設(shè)備。如果U值小于0x11170則，程序繼續(xù)向下執(zhí)行，開始讀取DS1302時鐘芯片里的小時寄存器（0x85H），一般根據(jù)蔬菜（或多肉植物）的生長習(xí)性和補(bǔ)光規(guī)律在其不能被太陽照射的時間段內(nèi)設(shè)定經(jīng)驗值（比如下午18:00），此經(jīng)驗值會隨著日照時間的長短被自動記錄和保存在W25Q64的對應(yīng)位置為下一年的日光照射時長提供參考依據(jù)。在一個被軟件程序認(rèn)可的數(shù)值下（這個數(shù)值定為T,單片機(jī)程序認(rèn)可的值的范圍為：|T-18|<=3，即下午15點到晚上21點間開始讀取BH1750設(shè)備，從而可以保證即使連續(xù)的多日陰雨天仍然會有補(bǔ)光設(shè)備工作照射在蔬菜（多肉植物）上幾個小時。），開始讀取BH1750設(shè)備，看是否仍有陽光在照射植物。當(dāng)同時滿足DS1302內(nèi)的時間寄存器大于或者等于（>=）設(shè)定值（參考值）比如下午18點整且同時沒有陽光照射蔬菜（或多肉植物）的條件時讀取DHT11溫濕度值，與程序內(nèi)設(shè)置的對應(yīng)時間段的溫濕度參考值做比較，判斷是否是夜晚來臨了或者陰雨天一直沒有陽光，蔬菜（或多肉植物）可以開始進(jìn)行LED補(bǔ)光了。

根據(jù)以上的各個條件再次讀取DS1302的月份寄存器（0x89H）值，單片機(jī)（MCU）程序會根據(jù)月份寄存器(0x89H)內(nèi)的值做一段時間的對比和自動修改，判斷是在四季中的哪個季節(jié)，同時根據(jù)單片機(jī)（MCU）程序中設(shè)置好的參考值做對比，初步判定需要的光飽和度和光補(bǔ)償點大小，如果人工通過外部按鍵設(shè)置過需要的光飽和度和光補(bǔ)償點大小，則以外部設(shè)置的值為參考值，否則以單片機(jī)（MCU）內(nèi)部設(shè)置的值為參考值，執(zhí)行程序設(shè)定的補(bǔ)光時長和強(qiáng)度。

以上述西紅柿種植為例，當(dāng)單片機(jī)（MCU）讀取到W25Q64的U值為0xEA60(6萬lux),其小于0x11170(7萬lux)，讀取到的DS1302的值為18:01大于設(shè)置的時間18:00，同時光照度傳感器BH1750的值不再繼續(xù)增加，則判斷此時已經(jīng)沒有太陽光照射在蔬菜（或多肉植物）上，有可能是需要通過LED補(bǔ)光燈補(bǔ)光的,因為其需要結(jié)另外幾個傳感器綜合判斷，所有程序繼續(xù)向下執(zhí)行。溫濕度傳感器DTH11被單片機(jī)（MCU）識別到的溫度為13°C,濕度15 %RH。讀取到的月份寄存器為11月份，則綜合以上因素考慮，此時為冬季，并且此刻已沒有太陽光照射，但是白天太陽光照射后其U值沒有達(dá)到預(yù)定的值，需要LED植物燈補(bǔ)光，補(bǔ)光量為0x11170(7萬lux)-0xEA60(6萬lux)=0x2710(1萬lux)。程序運行PID算法開啟智能化補(bǔ)光過程，無需人工外界干預(yù)。依次執(zhí)行以上步驟，逐漸到補(bǔ)光過程結(jié)束或者清晨的第一縷陽光普照在蔬菜（或多肉植物）上結(jié)束本次補(bǔ)光流程。補(bǔ)光程序結(jié)束后單片機(jī)程序自動清空AT24C02記錄n和W25Q64記錄u的位置，則U值為0，意味著新的一天開始，程序開始進(jìn)入一個新的征程。

本發(fā)明依據(jù)各種長日照、短日照、中日照蔬菜（或多肉植物）自身對光照強(qiáng)度的補(bǔ)償點不同首先進(jìn)行人工設(shè)定其參考值，并采用單片機(jī)（MCU）程序?qū)嶋H陽光照射量、光飽和度、照射時間進(jìn)行綜合記錄和分析，結(jié)合當(dāng)時的環(huán)境溫濕度情況使用PID算法合理地對LED植物燈補(bǔ)光燈進(jìn)行PWM控制和調(diào)節(jié)，從而科學(xué)合理地進(jìn)行光照補(bǔ)償或關(guān)閉。

可以理解的是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實施例所描述的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，以達(dá)到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。