全数字智能LED植物补光灯控制系统-徐秀知重点.doc

精品文档全数字智能 LED 植物补光灯控制系统徐秀知 1, 2, 王淑凡 1, 王巍 2, 3, 牛萍娟 2,3(1. 天津工业大学 电子与信息工程学院, 天津 300387; 2. 天津工业大学 大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心, 天津300387; 3. 天津工业大学 电气工程与自动化学院, 天津300387摘 要:提出了一种多参数可编程的全数字 LED 植物补光灯控制系统, 基于 CPLD 设计了控制系统的控制盒 、 智能驱动器及 LED 植物补光灯头;根据实际情况设定了控制盒与智能驱动器之间的数据传输协议, 并进行了功 能仿真 . 结果表明:该系统可以针对不同植物 、 或同一植物在不同生长阶段的光质需求, 有效地控制不同地 址的 LED 植物灯红 、 蓝两基色达到预设的光照度灰度值, 并输出相应的 PWM 占空比, 满足植物按需补光的 要求 .关键词:CPLD ; 全数字; 智能控制; LED ; PWM 中图分类号:TN873文献标志码:A文章编号:1671-024X (2012 04-0057-04All-digital intelligent control system of LED plant light supplement lampXU Xiu-zhi 1, 2, WANG Shu-fan 1, WANG Wei 2, 3, NIU Ping-juan 2,3(1. School of Electronics and Information Engineering , Tianjin Polytechnic University , Tianjin 300387, China ; 2. Engi -neering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education , Tianjin Poly -technic University , Tianjin 300387, China ; 3. School of Electrical Engineering and Automation , Tianjin Polytechnic U -niversity , Tianjin 300387, China Abstract :An all-digital multi-parameter programmable control system of LED plant light supplement lamp is proposed. Inthe control system , the control box , the intelligent driver and LED lamp are designed based on CPLD. According to the actual situation , the data transfer protocol between the intelligent driver and the control box is set. Func -tional and timing simulation is done to the control system. The results show that the system can control red and blue color brightness of different address LED lamps to reach the preset light intensity gray value according to the light quality requirements of different plants , or of the same plants at different growth stages. Finally , the corre -sponding PWM control signal is output to meet the light supplement of plant.Key words :CPLD ; all-digital ; intelligent control ; LED ; PWM第 31卷 第 4期 2012年 8月天 津 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITYVol.31No.4August 2012收稿日期:2012-03-01基金项目:天津市科技支撑计划重点项目 (10ZCGYGX18300通信作者:徐秀知 (1978 , 女, 博士, 讲师 . E-mail :光是植物生长发育的基础, 植物光合作用在可见光光谱 (380760nm 范围内, 所吸收的光能占其生理 辐射光能的 60%65%, 其中主要以波长 610720nm 的红 、 橙光以及波长 400510nm 的蓝 、 紫光为吸收峰 值区域 1-2. LED 植物补光灯正是基于上述理论, 以红 、 蓝 LED 为光源,依照植物生长规律所需要的太阳光, 用灯光代替太阳光给植物补光的一种灯具 . LED 与传 统光源相比具有光源纯 、 波长类型多 、 节能环保 、 使用 寿命长 、 发热少和易于控制等优点, 同时随着半导体 技术的发展, LED 已越来越广泛的应用于农业生产 3-4.现有 LED 植物补光装置一般通过采用红蓝灯珠固定配比的方法实现定光照度 、 定光质的补光方式 5-6, 未 考虑植物环境光照条件 、 环境温度等因素, 因此不能 满足不同植物或同一植物不同生长阶段的不同光质 需求,从而造成植物补光不足或过度等现象 . 为了解 决现有 LED 植物补光装置的不足, 本文基于 CPLD 设 计了一种全数字智能 LED 植物补光灯控制系统, 可以 针对植物在不同阶段不同环境下的需光量, 通过预设 温度 、 红蓝光照度等补光信息, 实现多盏 LED 植物灯 各自红 、 蓝二基色的预设值, 并输出相应的 PWM 占空天 津 工 业 大 学 学 报 第 31卷比信号, 即不需要改变红蓝灯珠的配比, 而是根据植 物外界环境, 利用数字智能调控技术来实现不同的 R/B 比, 以满足对不同植物按需补光的要求 7.1总体设计方案LED 植物补光灯全数字智能控制系统如图 1所 示 . 该补光系统由控制盒 、 智能驱动器及 LED 植物补 光灯头组成, 其中智能驱动器与 LED 植物补光灯头组 装在一起,每个控制盒可以实现对 28个 LED 植物补 光灯的控制 .控制盒和智能驱动器之间通过 ZIGBEE 方式进行 通信 . 控制盒内部都预存有若干补光模式,可以对接 入的补光灯灯具组进行预存补光模式的任意组合 . 每 一个智能驱动器内部均集成温度传感器 、 红蓝亮度传 感器, 可以方便地将检测到的植物外界环境信息传递 给控制盒 . 控制盒可以访问灯头内部状态参数,根据 灯头外括的温度和照度由传感器综合调度接入灯头 的红蓝亮度信息等参数, 以满足植物在不同阶段不同 环境下的需光量 .为了实现系统对植物按需补光的要求, 方便控制 盒与智能驱动器之间的数据传输,采用 27位表示植 物补光数据的传输代码,各位代码代表的意义如图 2所示 . 其中, T26T19表示灯具地址,即每个控制盒可 调控 256盏 LED 植物灯; T18表示读写信号, 该位为 1时进行读操作, 为 0时进行写操作; T17T16表示温度 预设信号, 将 8位温度数字信号的输出值划分为 4个 等级; T15T8表示 8位蓝光亮度预置信号; T7T0表 示 8位红光亮度预置信号 . 在实际应用中,可依据植 物在不同生长阶段的光合作用的有效温度范围设置 补光温度值, 在光补偿点和饱和点之间选择固定值作 为红蓝光目标光照度参数, 相关传输协议的预设值可 参考不同作物生理的相关研究成果进行设置 . 智能驱动器的内部结构如图 3所示, 电路上所有 的控制逻辑全部集成到一片 Altera 公司出品的大容量低成本 CPLD 芯片当中 . 控制逻辑的主要功能为接收LED 控制盒的植物补光数据, 根据自定义数据传输代 码的意义, 设计可编程逻辑功能模块, 使得不同地址 LED 植物灯的红 、 蓝两基色分别按照预定的亮度变化速率达到数据传输协议所预设的光强二进制值, 并输 出相应的 PWM 占空比,从而满足植物按需补光的要 求, 并能根据要求返回植物补光灯具的状态, 以使其 能提出更合适的控制方案 .鉴于该系统植物灯内部智能驱动的功能要求和 控制方法, 将系统分为 6个模块:通信模块 (接收 、 发 送模块 、 温度处理模块 、 红蓝光比较模块 、 地址处理 模块 、 执行模块以及 PWM 产生模块 . 系统框图如图 4所示 .系统的工作过程为:接收模块接收控制盒的数 据,传递给地址预处理模块 . 预处理模块首先根据地 址信息判断信号是否发给指定的 LED 植物补光灯头, 即判断地址信号是否相符 . 若不符则终止操作,若符图 1控制系统框图 Fig.1Diagram of control system图 2数据传输协议Fig.2Data transfer protocol图 3智能驱动器内部结构Fig.3Internal structure of intelligent driver图 4智能驱动器分模块框图 Fig.4Block diagram of intelligent driver温度处理模块红蓝光比较模块接收模块 发送 模块通 信 模 块地址 处理 模块红蓝 执行 模块红蓝 PWM 产生 模块读写控制盒LED 植物 补光灯 1LED 灯头 1智能 驱动 器 1LED 灯头 2智能 驱动 器 2LED 植物 补光灯 2LED灯头 255智能 驱动 器 255LED 植物 补光灯 255LED 灯头 256智能 驱动 器 256LED 植物 补光灯 256T15T14T13T12T11T10T9T8T7T6T5T4T3T2T1T0T26T25T24T23T22T21T20T19T18T17T16地址信号读写信号温度预设信号蓝光亮度预置信号红光亮度预置信号电缆接口 芯片供电蓝基色 LED 模组温度传感器蓝光照度传感器红光照度传感器CPLD芯片红基色 LED 模组 58 第 4期合则继续判断是进行读操作还是进行写操作 . 若是读 操作, 程序则转入发送模块, 将植物灯当前状态返回 到用户交互模块; 若是写操作, 程序则将亮度变化的 级别信号传递给执行模块进行处理 . 同时温度处理模 块 、 红蓝二基色比较模块分别将检测到的数据信号与 传输协议的预设值进行比较, 将比较结果输送到执行 模块 . 执行模块根据亮度变化速率 、 红蓝二基色亮度 值比较的结果 、 传输预设照度值等信息, 得到对应二 基色的 PWM 控制信号, 再由各自的 PWM 发送模块产 生不同占空比的 PWM 信号来控制 LED 植物补光灯 头, 从而实现在外界条件不满足预设值的情况下对植 物按需补光的要求 .2系统分模块功能设计(1通信模块,主要接收植物补光数据和发送 LED 植物灯的当前状态 . 该模块由发送子模块和接收 子模块组成 . 在该模块中, rxd_clk标记为模块的时钟 信号; txd_cs为模块的使能信号; sdata 为串行输入信 号; sys_rst为系统复位信号; q26.0为并行指令输出 信号 .(2地址处理模块,对通信模块接收到的数据协 议进行预处理, 使得控制模块能够正确地执行上级发 送的命令 . 该模块的工作原理为由 10位比较器将补 光数据的地址信号 adressin7.0与预设的地址 adress 7.0进行比较, 相等则输出高电平, 与读写信号 rw 进 行 “ 与 ” 操作; 当 rw 为 1时进行写操作, 同时输出读写 控制信号 rw_out.(3温度处理模块 、 红蓝光比较模块, 分别将检测 到的数据信号与传输协议的相应预设值进行比较 . 若 符合预设值的要求,则将比较结果输送到执行模块; 若不符合则结束操作 . temp_in标记为检测到的温度 二进制值输入信号; red_in标记为检测到的红光照度 信号; blue_in标记为蓝光照度信号 .(4执行模块, 主要执行预处理模块和温度 、 光照 比较模块处理后得到的指令,根据亮度变化速率将 红 、 蓝二基色亮度值比较结果 、 传输协议预设亮度值 等信息转化为相应的 PWM 占空比信号,对输出的占 空比信号标记为 pwmctrl ,并将其输入到对应的 PWM 模块实现对 LED 植物灯的调光控制 .(5 PWM 模块, 主要实现 PWM 信号的输出, 由 8位 计数器对 clk 信号进行 0255循环计数,比较器将计数 结果 q 与 PWM 控制信号 pwmctrl 进行比较,当 q 值小 于 pwmctrl 时输出为 1, 反之则输出为 0. 3仿真结果系统工作时钟 sys_clk信号周期设为 1s , rxd_clk为接收模块时钟信号,该信号 27个周期并且与系统 时钟周期相同 . cs 为接收片选信号, 该信号持续 27个 周期的高电平, 为接收模块提供使能信号, 接收结束 后该信号变为低电平 . rxd_clk和 cs 同时存在时接收 模块开始工作 . sdata 为传输过程中的串行信号,长度 为 27个时钟周期,每个周期代表并行信号中的一位 . 根据场景数据协议的要求, 传输顺序从低位到高位 . q 为由接收模块将串行信号转换成的 27位并行信号 . 假定该智能补光控制系统当前的数据协议代码 为 011110100100110000010001010,同时假定检测到 外界环境的温度值分别为 01、 10;红光亮度值分别为 01011100、 01101010、 10001010、 11110000; 蓝光亮度值 分 别 为 00001100、 00100000、 01000000、 10000000, 要 求地址为 01111010的 LED 植物补光灯按照所设计的 逻辑功能输出相应的 PWM 占空比, 实现对红 、 蓝二基 色的补光 . 仿真结果如图 5所示 . 图 6为红 、 蓝光 PWM 占空比信号的放大图 .从图 5和图 6的仿真结果可以看出, sdata 输入数 据与 q 所输出的数据是一致的,未出现任何偏差 . 根 据所设计的系统工作原理及植物补光数据传输协议, 从仿真图可以明显看出:当外界温度值为 01时, 不满 图 5系统总体仿真图Fig.5Simulation diagram of system图 6系统仿真放大图Fig.6Amplification diagram of simulation徐秀知, 等:全数字智能 LED 植物补光灯控制系统 59 天 津 工 业 大 学 学 报 第 31卷色 PWM 信号按照速度等级 001逐渐降低至所设置的 各亮度值 (R 占空比 36/256、 G 占空比 108/256、 B 占空 比 72/256 .4结 论为了解决传统的 LED 景观灯调控技术简单 、 控制 方式单一等问题, 本文设计了基于 CPLD 的 LED 景观 灯的控制系统, 根据设定的功能对整个系统采用分层 思想进行功能模块的划分, 并给出了仿真结果, 实现 了对 256盏 LED 景观灯的智能控制, 使其在 256级灰 度调制范围内以不同的亮度变化速率达到灯具预设 的亮度级别 . 从仿真结果可以看出,该系统可将各个 模块的功能有效地结合起来, 使得不同地址的 LED 景 观灯实现柔和渐变的效果, 有效地改善了景观灯在多彩变化时容易出现的跳跃问题 . 参考文献:1潘宗树 . 基于 NiosII 的 SOPC 系统设计与研究 D.武汉:武 汉科技大学, 2007. 2李鸿 . 基于 SOPC 的全彩色 LED 景观灯控制系统设计 J.电子测量技术, 2009, 32(8 :148-151.3朱继红 . LED 在景观照明中的基本混光方式 J.照明工程 学报, 2008, 19(9 :26-29.4郭宝增,邓淳苗 . 基于 FPGA 的 LED 显示屏控制系统的设 计 J.液晶与显示, 2010, 25(6 :424-428.5邓宏贵, 邓淳苗, 曹文晖, 等 . 基于 PWM 的 LED 显示屏像 素亮度控制方法 J.光电子技术, 2010, 30(2 :131-134. 6张海辉, 杨青, 胡瑾, 等 . 可控 LED 亮度的植物自适应精准补光系统 J.农业工程学报, 2011, 27(9 :153-158.足预设温度值 10, 此时不输出 PWM 信号; 当满足预设 温度值 10时,若指定地址的红蓝二基色检测到的外 界环境光照亮度值小于预置的亮度值, 则输出预设置 的红 、 蓝亮度值 (R 占空比 138/256、 B 占空比 96/256 , 若指定地址的红蓝二基色检测到的外界环境光照亮 度值大于预置的亮度值, 则不输出 PWM 信号 .4结束语为了解决现有植物补光装置中存在的补光方式 单一 、 控制技术简单以及只能通过改变红蓝灯珠的配 比来实现不同的 R/B比等问题,本文设计了基于 CPLD 的全数字智能 LED 植物补光灯控制系统,设计 了控制盒与智能驱动器之间的数据传输协议, 并设计 了智能驱动器的功能模块, 给出了系统功能及时序仿 真结果 . 从仿真结果可以看出,该系统可将各个模块 的功能有效地结合起来, 实现了对不同地址的 L