設施栽培技術主要是指利用普通的大棚或溫室大棚來生產蔬菜、水果等農作物的技術。隨著設施栽培技術的普及，溫室大棚數量不斷增多。農作物產量往往隨著氣候的變化而波動，如何提高氣候意識，做到順應氣候規律，合理利用氣候資源，對發展溫室大棚農業有著極為重要的意義。在諸多氣候資源信息中光照度對農作物生長極其重要，不同的作物對光照度的要求是不一樣的，科學合理地利用光照才能生產最優的產品。現有的光照度測量設備存在很多缺點，本文研究并設計了一種基于單片機的自動光照度測量、記錄和調節的智能管理系統。本系統設計簡單、性能可靠，全天候監控并記錄數據，對數據分析并可自動執行。
1 系統硬件設計
本系統硬件是由光傳感器電路、模數轉換器、單片機和執行電路組成。具體地說是先用光電池來采集光照度信號，通過模數轉換器AD78 12將采集到的模擬信號轉換成數字信號，再利用80C51BH單片機對數據進行記錄和分析并發出執行指令，最后由執行電路來執行調整遮光設備。
1．1 光照度采集及放大電路設計
1．1．1 光電池設計
本設計的光照度采集由硅光電池來完成．安裝方法如圖1所示。
圖中4個光電池G1～G4分別放置在4個獨立的只有上面透光的箱體底部，避免光線直射到光電池上，上面放置玻璃和遮光材料，根據透光權數的不同，從G1到G4上面的遮光材料的遮光程度是不同的。G1不放遮光材料，G2放置一層，G3放置2層，G4放置4層，遮光材料可用多層半透明的塑料膜代替。
1．1．2 運算放大電路設計
電路設計如圖2所示。
本單元的核心器件是OP07芯片，它是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路。OP07同時具有輸入偏置電流低(±2 nA)和開環增益高(300 V／mV)的特點。在這里OP07起到放大光照度信號的作用，輸入信號在2腳以負極性電流信號輸入，輸出信號以電壓形式由6腳輸出。隨著光強的增強，4個光電池相繼導通，這樣就把光強信號轉換成電流信號。當光照最強時(200 klux)，4個光電池都輸出最高電流，使4個三極管VT1～VT4都處于飽和導通狀態，這時輸出電壓最大，理論上輸出電壓UT=5．215 V。考慮到電路中有一定的光電池電流和三極管的誤差，實際電壓要比這值略低。這里的RP是用于調零，如果要求測量精度不高時，RP可以省略，OP07的1、8管腳空置。
1．1．3 遮光材料調節
由于具體應用時環境不同，在應用本系統前要對遮光材料的遮光程度進行調節。調節步驟如下：
1)選最強光照時，適當增加或減少G4上的遮光，使輸出電壓UT≤5．0V處于臨界狀態。
2)按比例調節遮光材料厚度，從G1到G4低次為比例0：1：2：4。
3)再重復幾次上述過程，使輸出電壓正好為5.0V臨界值。
1．2 A／D轉換電路設計
經過運算放大電路輸出的含有光照度的信息的電壓是模擬信號，這里必須要經過模／數轉換電路把模擬信號轉換成數字信號才能被單片機接收和處理，本設計中采用AD7812作為模數轉換器。AD7812是一種串行口的10位8通道逐次逼近型A／D轉換器。與同類電路相比，有如下優點：
1)它是數據串行輸出，所以用這種A／D轉換器能節省單片機輸入引腳，便于系統擴展。
2)有8個輸入通道可以同時采集8路模擬信號，這也可以用來進一步系統功能開發。
3)具有軟件轉換啟動與軟件關斷特性。
具體電路設計如圖3所示。CREF接10 nF電容，傳送同步TFS與接收同步RFS與單片機P1．0口連接，數據輸出DOUT與單片機P1．1口連接，數據輸入DIN與單片機P1．2口連接，讀取時鐘SCLK與單片機P1．3口連接，轉換起動CONVST與單片機P1．4口連接。這樣就很容易由單片機來控制串行數據讀取。
1．3 單片機處理器電路設計
Intel80C51BH單片機是美國Intel公司出產的實用性很強的8位單片機。它有4 kROM和64 keprom，21個特殊功能寄存器，很適合作為本設計處理器。單片機處理電路如圖4所示。由單片機P1口的前5位來接收和控制來自AD7812的信號，由P0．0口來輸出調節溫室大棚遮光指令。
1．4 執行電路設計
由于單片機發出的指令信號功率較小，所以不能直接啟動執行開關或電機，必須用驅動電路來實現動作。為節約成本，這里仍然利用運算放大器OP07來實現，電路設計成一個同相比例運算電路，電壓放大倍數為3，電路中執行指令信號經由電阻R1在IN+腳輸入，由OUT腳輸出。由于采用運算放大電路，所以輸出功率很大。輸出信號控制開關繼電器KA完成執行任務。
2 系統軟件設計
為了便于系統擴展，將系統進行模塊化設計。該系統由測光照度電路、A／D轉換器、數據處理和執行輸出4個模塊組成。具體流程是這樣的：先由測量光照度電路將光強信號(0～200 klux)轉換成電壓信號(0～5 V)，再由A／D轉換電路將這模擬電壓信號轉換成單片機能識別的數字信號，最后由單片機進行數據分析、處理和判斷。當條件符合時啟動調光照調節電路，如圖6所示。
2．1 A／D轉換器模塊
為了正常讀取數據，A／D轉換器必須在啟動之前進行初始化。先將單片機的P1．4口置1，然后軟件啟動一次轉換過程即可。在轉換的過程中，由于任何模數轉換需要一定的持續時間，所以在讀取數據時要有一定的時間延遲，本設計為5μs，以確保讀取正確的數據。
2．2 中央處理器模塊
這個模塊主要包括單片機對A／D轉換模塊的控制、對數據處理以及對執行電路的控制3個部分。
單片機對A／D轉換器的控制主要包括對A／D的模擬通道選取地址寫入、清零和控制模數轉換步驟；數據處理部分主要是將讀取的與光照度相對應的數字信號與預先設定的標準值進行比較，當溫度超出規定值時發出執行指令。本設計確定30 min進行數據記錄和判斷一次，全天候監控記錄。
3 結束語
文中主要設計了一種溫室和大棚的自動光照度管理系統。與已有的類似系統相比，有諸多優點。采用模塊化設計思路，系統參數可以修改，系統可以擴展為多點測量和多點執行，也可以加入溫濕度采集和執行通風、澆水設備，還可以加入聲光報警等。系統測光范圍寬，精確度高，便于調節，使用靈活。設計電路簡單實用，實現方便，成本低，適合廣泛推廣。