大棚蔬菜的光照控制電路設(shè)計(jì)

新技術(shù)革命的到來，世界開始進(jìn)入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。隨著人們生活水平的不斷提高，人們對蔬菜的需求越來越高，尤其是對于反季節(jié)的蔬菜更是熱衷，所以大棚蔬菜的培育就顯得尤為重要。本系統(tǒng)是一個基于光敏電阻的大棚蔬菜光照的控制，采用光敏電阻采集光照強(qiáng)度信息，可以自動檢測光照的強(qiáng)弱并顯示，讓人們知道此時光照的強(qiáng)弱。
  通過對這個課題的研究，可以加強(qiáng)對傳感器的學(xué)習(xí)和認(rèn)識，正確運(yùn)用所學(xué)的光敏傳感器理論知識，將理論與實(shí)際相結(jié)合，傳感器在我們的生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用，注定影響一個時代，只要存在計(jì)算機(jī)的地方就會有它的存在，學(xué)好傳感器對今后的學(xué)習(xí)與工作有很多益處。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。

大棚蔬菜培養(yǎng)者可以設(shè)定光照強(qiáng)度的范圍，一旦超出此范圍該系統(tǒng)可以發(fā)出警報通知或直接采取措施使光照強(qiáng)度在此范圍內(nèi)，還可以通過看此裝置的顯示了解現(xiàn)在的光照狀態(tài)，做合理的光照調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)可分為四部分:即光照檢測部分、信號處理部分、光強(qiáng)顯示部分和報警部分。對于光照檢測部分可利用光敏電阻傳感器作為檢測元件,它可以完成從光強(qiáng)到電阻值的信號轉(zhuǎn)換,再把電阻值轉(zhuǎn)換為電信號就可以作為系統(tǒng)的輸入信號。對輸入信號處理后，就可以用來顯示了。對于顯示部分可利用發(fā)光二極管來顯示,不同的光強(qiáng)對應(yīng)于不同的發(fā)光二極管點(diǎn)亮,就能簡單的顯示出不同的光強(qiáng)了。最后加上用蜂鳴器為主體的報警部分，可以防止光照強(qiáng)度過大或者過小，保證蔬菜的快速生長。系統(tǒng)的基本框圖如圖2-1所示：

1.     設(shè)計(jì)時須對整個系統(tǒng)進(jìn)行全面綜合考慮。以完成課題功能要求為前提，盡量使電路簡單清晰。首先應(yīng)將系統(tǒng)分為四個模塊，其中測量顯示電路重點(diǎn)設(shè)計(jì)分析如下:
(1)電源部分:為了驅(qū)動比較器，電源電壓設(shè)置為5V
(2)分壓電路:為了便于分壓比較，另一分壓電阻均設(shè)為相同值
(3)比較電路:為了符合正常邏輯思維，應(yīng)該設(shè)定光照越強(qiáng)，亮的發(fā)光管越多。所以才將光敏電阻分壓端接入比較器負(fù)比較端。光最強(qiáng)時，電阻最小，分壓最少，比較器負(fù)輸入端都小于正輸入端，比較器輸出都為正，三個發(fā)光管都亮。

(4)顯示電路:為了驅(qū)動發(fā)光管，應(yīng)設(shè)置上拉電阻，為了保護(hù)發(fā)光管,應(yīng)設(shè)置限流電阻。
(5)報警電路:應(yīng)設(shè)置當(dāng)光照過強(qiáng)時，使蜂鳴器響。僅當(dāng)光照很強(qiáng)時，光敏電阻阻值才小于R3，蜂鳴器才響。其他狀態(tài)，蜂鳴器都不響。

2.     電路主要器件如下：

（1）  無源1206分體5.5歐蜂鳴器

（2）  LM339比較器

表2-1 比較器LM339主要參數(shù)表

LM339的輸出部分是集電極開路,發(fā)射極接地的NPN輸出晶體管,可以用多集電極輸出提供或OR ing功能輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上,不受Vcc端電壓值的限制此輸出能作為一個簡單的對地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒被運(yùn)用),輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的β值所限制.當(dāng)達(dá)到極限電流(16mA)時,輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升.輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm的γSAT限制。當(dāng)負(fù)載電流很小時，輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約1.0mV)允許輸出箝位在零電平。

（3）  發(fā)光二極管LED

（4）  發(fā)光三極管BJT

其主要參數(shù)如表2-2所示：

表2-2 BJT主要參數(shù)表

  (1)光照強(qiáng)度的信號采集部分
       采用光敏電阻作為信號采集器件。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)的一種光電器件，無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流(暗電流)很小;當(dāng)受到光照時，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率增加，電阻減小。其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻作為光電式傳感器的一種，它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬;體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐震動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等特點(diǎn)。所以選擇光敏電阻采集光照信號，并把不同的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為不同的電阻值。把光敏電阻串聯(lián)在直流電路中即可把不同的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值，電路如原理圖所示。于是，就把對光照信號的處理轉(zhuǎn)化為對電壓信號V的處理。
      (2)信號處理部分
      采用集成電壓比較器LM339N作為信號處理的核心元件，電路連接如原理圖所示。光強(qiáng)、適宜、黑暗三種光照狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三個電壓值V1, V2，V3作為比較器的輸入電壓;兩個比較器設(shè)置兩個參考電壓Vrefl, Vref2。 工作過程分析如下:光照較強(qiáng)時V1> Vrefl>Vref2,兩個比較器的輸出電壓分別為(5V, 0V); 光照適宜時Vrefl>V2> Vref2兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V,0V);光照黑暗時V3< Vref2 < Vrefl兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 5V)。 這樣就完成了從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，顯示部分就變得容易了。
    (3)光強(qiáng)顯示部分
    采用發(fā)光二極管顯示不同的光強(qiáng)狀態(tài)。由于比較器的驅(qū)動能力有限，所以在輸出端加一個上拉電阻提高其驅(qū)動能力。電路連接如原理圖所示，分析如下:當(dāng)光照較強(qiáng)時，兩個比較器的輸出電壓分別為(5V, 0V), LED1點(diǎn)亮;光照適宜時，兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 0), LED2被點(diǎn)亮;光照黑暗時， 兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V， 5V), LED2、LED3被點(diǎn)亮。這樣三種狀態(tài)就顯示出來。
      (4)光強(qiáng)報警部分
      采用有源蜂鳴器作為報警器件。電路連接如原理圖所示，用兩個NPN型BJT三極管的導(dǎo)通來控制報警電路的導(dǎo)通，三極管的導(dǎo)通又受發(fā)光二極管導(dǎo)通與否的控制，發(fā)光二極管的導(dǎo)通受光照的控制。所以光強(qiáng)就可以控制報警器了，設(shè)計(jì)方案采用了當(dāng)光照較強(qiáng)或較暗時報警。工作過程分析如下:當(dāng)光照較強(qiáng)時，兩個比較器的輸出電壓分別為(5V, 0V)，LED1亮，三極管BJT1被導(dǎo)通，報警電路被導(dǎo)通，蜂鳴器報警;光照適宜時，兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 0),LED2被點(diǎn)亮，三極管BJT1截止，報警電路也截止;光照黑暗時，兩個比較器的輸出電壓分別為(-5V, 5V), LED2、LED3被點(diǎn)亮，BJT2被導(dǎo)通，報警電路也被導(dǎo)通，蜂鳴器報警。

原理圖如圖3-1所示：

圖3-1 原理圖

1.     信號采集：光敏電阻處于被測環(huán)境感光，會有一個感光阻值，這樣就把被測光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

2.     信號測量：為了知道光敏電阻的阻值在所分的哪檔之間，需要進(jìn)行測量比較。分壓電路和比較電路就是完成此功能。光敏電阻和基準(zhǔn)電阻分別分壓接入比較器兩端(實(shí)際上是被測信號與基準(zhǔn)信號比較)。由于另一分壓電阻相同，電阻大的分壓就多。比較結(jié)果反映在比較器的輸出端。采用了三個比較電路比較，就可以確定光敏電阻在四檔的哪一檔。

3.     信號表達(dá)：通過比較器出來的是電壓信號，為了使人能直接感知，接上發(fā)光二級管。高電壓即點(diǎn)亮發(fā)光二級管。

圖4-1 原理圖仿真

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2019-12-30 15:54 上傳

圖4-2 仿真結(jié)果圖

光照大小不同，則二極管亮的個數(shù)不同。利用此電路可有效控制大棚蔬菜的生長，保證蔬菜以最快最安全的速度茁壯成長。