开题报告-植物光照控制系统设计.docx

华中农业大学本科毕业论文（设计）开题报告书题 目植物光照控制系统设计姓 名学 号专业班级机电1202指导教师职 称副教授课题来源自选科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）1，课题的科学意义只有在阳光的照射下，植物才能生长得更加茂盛（赵启蒙等，2012）。光对植物生长的主要作用是促进植物叶绿素吸收二氧化碳和水等养分、合成碳水化合物。但是，现代科学可以让植物在没有太阳光源的环境中更好地生长（陈军，2011）。人们掌握了植物对太阳需求的内在原理，也就是叶片的光合作用。在植物叶片光合作用时，需要外界光子的激发才可完成整个光合过程，太阳光线就是光子激发的一过供能过程。人为地创造光源也同样可以让植物完成光合过程，现代园艺或者植物工厂内都结合了补光技术或者完全的人工光技术。科学家发现，蓝光与红光区与植物光合作用的效率曲线十分接近,是植物生长的最佳光源。LED光源在农业和生物中的应用有望成为LED产业发展的新领域。光环境作为植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，可以通过调节光质，控制植株形态，这是设施栽培领域的一项重要技术。2，国内外研究概况、水平和发展趋势近些年来，利用人工光源进行植物生长的研究日益受到人们重视（孔云等，2006）。应用于植物生长的人工光源主要包括白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和日光色镝灯等多种灯具（周国泉等，2008）。在这些人工光源中，高压钠灯的光谱特征更加契合植物生长的需求，所以在温室补光中使用最普遍。但是，这些传统的照明光源有着一系列缺点，如低效率、高功耗、利用率低等，使其应用范围受到极大限制。寻找新型的替代光源成为现今农业领域丞待解决的问题。LED技术的飞速发展，可能让这些问题迎刃而解（胡永光等，2001）。LED红光、蓝光等大功率LED器件生产成本下降，利用LED光源进行植物生长照明的研究受到广泛关注（闫新房等，2009）。LED光源具有体积小、质量轻、固态、寿命长、波长特殊、驱动电压较低、波谱较窄、光效率较高、能耗小、安全、可靠耐用、不易色衰等多种优点（Williams, 2000）。LED光源由电流驱动，在正常工作电压下，其亮度与正向电流基本呈线性比例关系（Brown et al, 1995）。通过研究LED光源在农业上的应用，为LED植物生长照明光源的改进以及LED光源在植物培育以及现代农业生产中的应用具有重要意义（Bula et al, 1991）。植物生长在不同的时间段以及不同的阶段对光强的需求是不同的。因此，在设计光照控制系统时，LED调光是很重要的。这样也可以在给植物提供充足光照的前提下，实现节能。LED的低电压驱动以及良好的易控性也使LED灯的调光相对于传统光源更易实现。通过直流电源的调光。通过改变经过LED的电流来改变其亮度的方式容易实现。因为在一定范围内，电流的增大会提高亮度，LED输出相对光强与正向电流基本呈线性关系。但是，电流调节法同时也带来了一个问题，那就是LED的光谱和色温会随之改变。而光谱的改变必定会带来光波长的改变，波长的改变对植物的生长是有重要影响的。所以调节正向电流的方法虽然简单容易实现，但是在LED植物灯的设计中并不实用。PWM调光技术被认为是最适合LED的调光技术。在进行脉冲宽度PWM调光时，通过控制脉冲宽度占空比，来调制LED驱动芯片的开关控制信号。LED的快速开关特性使PWM调光成为可能。这种调光方法应用简单、精度高、效率高、且调光效果好（刘丹，2013）。3，应用前景光对植物的生长发育过程具有显著的影响。因为它不仅影响着植物几乎所有的发育阶段，还为光合作用提供能量。光调节的发育过程包括植物发芽、植物茎的生长、植物叶和根的发育、叶绿素的合成以及分枝、花的诱导等。目前，荧光灯是植物培养的主要人工光源。荧光灯的发光效率在最近的20年中提升了将近50%左右。但与高压钠灯相比还是比较低的，与金属卤化物灯的发光效率基本相当。一般情况下，人工光源采用红外和远红外光的比例较大，因此有相当多的能量以热效应方式传递到环境中，产生大量的热，使得环境温度上升，反而对植物的生长发育造成了不好的影响，使得维持环境温度的成本提高（Critten, 1993）。LED（light emitting diode，发光二极管）因其自身的优良特性，广泛应用于家电和工业领域（卫修明，2010）。近年来，LED光源的研究与开发对人工光型植物培养的发展提供了良好契机。与传统的人工光源如白炽灯、荧光灯相较，LED光源体积小，所需电压低。其在满足植物光合作用需求的同时，大大节省能源，将会推动我国能源紧缺现象的解决和经济效益的提高。据有关研究估计，如果采用LED代替日本1/2的荧光灯与白炽灯，每年可节省相当于60亿升原油所产生的电能（吴文峰，2004）。LED没有热辐射，可近距离为植物提供光照，有效利用空间，扩大种植面积，提高产量，降低成本。参考文献1 陈军. 不同光照对黄连质量和产量的影响D.西北农林科技大学,2011.2 胡永光,李萍萍,邓庆安等. 温室人工补光效果的研究及补光光源配置设计J. 江苏理工大学学报(自然科学版),2001,03:37-40.3 孔云,王绍辉,沈红香等. 不同光质补光对温室葡萄新梢生长的影响J. 北京农学院学报,2006,03:23-25.4 刘丹. LED光源对花生以及黄瓜幼苗生长的影响D.南京农业大学,2013.5 吴文锋. LED光源照明应用及技术推广C. 2004全国半导体照明技术与应用研讨会论文集.2004:96-101.6 闫新房,丁林波,丁义,何松林. LED光源在植物组织培养中的应用J. 中国农学通报,2009,12:42-45.7 赵启蒙,周小丽,周明琦等. LED植物补光照明系统对拟南芥萌发率的效用探究J. 照明工程学报,2012,03:64-68.8 周国泉,徐一清,付顺华等. 温室植物生产用人工光源研究进展J. 浙江林学院学报,2008,06:798-802.9 Kevin Williams. Photo-Manipulation-Boxes; An instrument for the study of plant photobiologyJ.Plant Photobiology, 2000, 26(1): 315.10 Brown C S, Schuerger A C, Sager J C. Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red light-emitting diodes with supplemental blue or far-red lightingJ. Journal of the American Society for Horticultural Science, 1995, 120(5): 808813.11 Bula R J, Morrow R C, Tibbitts T W, et al. Light-emitting diodes as a radiation source for plantsJ. Hort Science, 1991, 26(2): 203205.12 Critten, D.L. A review of the light transmission into greenhouse crops. Acta Hort, 1993, 248:101108.研究内容1， 光谱范围对植物生理的影响“温、光、水、气、肥”是植物生长发育所需的主要环境因子，每个因子都是植物生长发育过程中所必须的。在这五个因子中，“光”居首位，其主要通过三方面影响植物的生长，及光谱分布、光强和光周期。光质即光辐射的波长，其对植物的生长、光合作用、形态建成、物质代谢等诸多方面均有调控作用。近些年来，随着大气环境污染的日益加剧，北方雾霾天气的增多，致使地球表面接受到的太阳福射日趋减少，严重影响到了作物的生长，这也促使人工光源在农业中的发展。植物只吸收特定波长的光，不同波长的光对植物的生长发育、种子萌发、叶绿素合成及形态形成等方面影响不同。自然光辐射的光谱不能全被植物吸收。被植物吸收并用于光合作用的辐射能称为生理辐射，研究发现，植物吸收的光集中于波长为 595nm700nm 的红橙光，和波长为 370nm435nm 蓝紫光。其中红橙光被植物吸收用于光合作用的比例最大，蓝紫光同化效率仅为红橙光的 1/8 左右。红橙光对叶绿素的形成及碳水化合物的合成，加速长日照植物的生长发育，延迟短日照植物的发育，促进种子萌发等方面起到重要作用；蓝紫对蛋白质合成，加速短日照植物的发育，延迟长日照植物的发育有重要作用，同时紫外线有利于维生素 C 的合成。2， 基于单片机控制RGB三色LED产生各种颜色（波长）的光以及通过按键调光彩色LED灯，是以RGB三原色为基础。显示出了丰富多彩的颜色，以PWM为原理，可以组建基于单片机的，4x4键盘控制，三基色显全彩灯光合成电路。关于PWM原理，控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。3， 程序编写使用C、VB.NET、PHP、JavaScript、HTML、CSS等编程语言实现各个模块的功能及模块间的交互。4， 4X4键盘原理的研究5， RGB三色混合原理的研究RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的，RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析1， 研究方法根据要求设计可由4X4键盘控制发光的光源，使用STC-ISP烧写软件、集成开发环境Keil uV2等工具进行编程调试。依据PWM原理，准确计算PWM波形各脉冲的宽度和间隔，按照计算结果控制各开关器件的通断，得到所需的PWM波形。利用4X4键盘实现对RGB各个值的量化调节，达到精确控制的目的。2， 技术路线3， 可行性分析(1) 利用PWM原理可以控制RGB三色光的强度。(2) 4X4阵列键盘在AT89C52上的成熟运用。(3) 串口通信模块实现PC机与单片机之间的通信。(4) windows系统的普及率以及其软件的稳定性。(5) 云端服务器价格的进一步降低、智能手机的普及率持续增加。综上所述，方案可行。研究计划及预期成果1， 研究计划20