一種光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統的製作方法

2023-10-09 22:20:24

專利名稱：一種光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，屬於生物植 物生長控制儀器領域。
背景技術：
從不同的研究資料中，我們知道溫度、溼度、光譜參數(包括波長、光周期、光照時 間，在本文統稱為光度)，對生物植物的生長發育具有關鍵性作用。長期研究結果表明溫度、 溼度以及光度、紫外光殺菌等影響芽菜類植物的生長，可以實現植物的發育在某種程度的 轉變。目前，由於無法通過現有的儀器設備和手段同時獲得溫度、溼度、光度等的不同調節， 不能精細地調控和設定生物植物生長過程中所需要的環境條件參數，這制約著芽菜類生物 植物生長控制方法受到很大的限制。在目前的光生物植物生長研究中，白熾燈、螢光燈等傳統的照明光源被普遍採用。 但由於傳統光源的波長和光密度分布是固定的，且波長範圍很寬，難以滿足多參數的變化 需求。而LED光源由於其特有的性質，具有三基色單光譜、波寬窄、波長類型豐富、可混合或 單一使用、可調控性好、節能低碳等優點，適合光生物植物生長研究領域。相關資料中有過 關於國外利用LED進行2-3種波長簡單的報導，這遠遠不能滿足生物植物生長對多光譜和 多輻射能參數組合的需求。而利用中央控制系統實現溫度、溼度在芽菜培育中的應用更是少之又少；紫外光 殺菌的功能在醫學等領域用得較多，而在生物植物生長方面用到的較少。綜上所述，利用單片機等硬體開發具有中央控制功能，實現溫度、溼度、光度及殺 菌功能的培養基系統對生物植物生長的研究具有重大意義。

實用新型內容本實用新型的目的在於解決上述問題，為生物植物生長的研究提供一種具有溼 度、溫度、光度可調，並具有殺菌功能的光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，該 系統通過中央微處理器，實現對芽菜生長的溼度、溫度、光度等不同的調節，從而在實驗中 獲取某種芽菜最佳生長狀態；該培養基系統的殺菌功能能消滅影響芽菜生長的細菌和病 毒，從而保證芽菜健康生長。為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案一種光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，它包括中央微處理器、溫度 控制系統、溼度控制系統、LED照明系統、報警系統、存儲器、I/O接口電路以及下載線接口、 電源電路等。電源電路為各設備供電，中央微處理器則與其他幾部分相連接；通過溫度控 制系統對芽菜的生長溫度進行調整，通過溼度控制系統對芽菜生長溼度進行控制，通過LED 照明系統對LED燈的光周期參數、光強度參數進行設置，從而對芽菜的生長光度進行調節， 並同時進行紫外線殺菌。所述I/O接口電路主要由鍵盤和LED顯示器組成，這兩部分實現人機互動；鍵盤和LED顯示器通過擴展接口電路與中央微處理器連接。所述溫度控制系統由溫度傳感器、溫度採樣單元、溫度A/D轉換電路、溫度控制電 路等幾部分組成。溫度傳感器將捕獲的溫度信息送入溫度採樣單元，經溫度採樣單元採樣 的數據送入溫度A/D轉換電路進行模數轉換，轉換後的數據送中央微處理器；中央微處理 器將採樣的溫度與預設溫度數據比較，並將比較結果送溫度控制電路，溫度控制電路根據 比較結果決定是加熱還是降溫，並驅動相應的加熱或降溫電路。所述溼度控制系統包括溼度傳感器、溼度採樣單元、溼度A/D轉換電路、溼度控制 電路等幾部分。溼度傳感器將捕獲的溼度信息送入溼度採樣單元，經溼度採樣單元採樣的 數據送入溼度A/D轉換電路進行模數轉換，轉換後的數據送中央微處理器，與預設溼度數 據比較，並將比較結果送溼度控制電路，溼度控制電路根據比較結果打開或關閉供水系統， 保證培養基的芽菜生長溼度適中。所述LED照明系統包括比例電流源電路、電子開關、矩陣電路等部分。中央微處理 器通過多路電子開關控制比例電流源電路，比例電流源電路一路輸出經負反饋電路、電源 電路返回，與比例電流源電路形成閉環連接方式；另外兩路輸出則分別與LED矩陣電路和 紫外光矩陣電路連接。所述比例電流源電路是供給LED矩陣電路和紫外光矩陣電路不同的電流，實現 點亮LED燈管和紫外光燈管。其主要組成包括一個三極體VTtl,其發射極經電阻Rtl接地， 同時發射極還經負反饋電路與電源電路連接，電源電路則經電阻R與三極體VTtl的集電 極連接，三極體VTtl與矩陣驅動電路連接，矩陣驅動電路為η組m位控制電路。驅動三極 管VT 7的基極與三極體VTtl的基極和集電極連接，其集電極與LED矩陣電路和紫外光矩 陣電路連接，發射極經電阻Ri接地，i為自然數。每組矩陣驅動電路的輸出電流共有m 路，則其形成的電流Ici可有i&.，2i&.，…，Cm-Dici, 共111種組態，形成光密度組合有
mlC; + Cl + C；+...,十Cf1 十C)= 2ri ·μ種。所述控制電路主要由繼電器、三極體等組成。繼電器線圈的一個接線端接外電源， 另一端接三極體的集電極，三極體基極通過電阻Ri2接中央微處理器；繼電器常開觸點與電 阻Ri3串聯後並聯在電阻Ri兩端。本實用新型光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統主要包括培養基、系統 硬體、系統軟體三大部分。硬體系統主要包括中央控制系統、I/O接口、溫度控制系統、溼度 控制系統、LED照明系統、報警系統、電源電路等十部分電路；系統軟體配合硬體電路實現 芽菜的溫度、溼度以及光度調節，以確保芽菜的最佳生長環境，並在芽菜生長期定時進行紫 外線殺菌，實現芽菜增產和增收。1.中央微處理器中央微處理器主要用於實現溫度控制系統、溼度控制系統、LED照明系統及報警系 統的控制，他的其他附屬電路還包括存儲器、下載線接口及其他預留外設接口等。中央微處 理器通過鍵盤、LED顯示器與外界實現人機互動，獲得控制條件，從而啟動控制電路，實現對 溫度、溼度、光度等的調節和紫外光殺菌時間的調整。2. I/O 接 口電路I/O接口電路主要由鍵盤和LED顯示器組成，這兩部分主要實現人機互動。鍵盤是4X4矩陣鍵盤電路，主要由功能鍵、數字鍵等組成。功能鍵主要實現清除、確認、選擇等功能，另有三個鍵作為保留鍵以備功能擴展使用。數字鍵主要用來輸入時間、溫度、溼度或光 度等信息；清除鍵用來清除輸入的數字；確認鍵用來確認輸入的信息，便於系統開始工作， 選擇鍵主要有兩個功能，一是時間、溫度、溼度或光度的選擇，另一個是時間時、分、秒的選 擇。右邊三個插孔，其中紅色插孔為外電源引入插孔，其他兩個插孔在用戶選擇模塊時可做 備用。左邊三組8排線插孔，主要輸出控制信號。LED顯示器主要用來顯示輸入及輸出信息 的。3.溫度控制系統溫度傳感器將捕獲的溫度信息送入溫度採樣單元，經溫度採樣單元採樣的數據送 入溫度A/D轉換電路進行模數轉換，轉換後的數據送中央微處理器，與由鍵盤輸入的預設 數據比較，並將比較結果送溫度控制電路。溫度控制電路根據培養基內的溫度情況決定是 加熱還是降溫，並驅動相應的電路。4.溼度控制系統溼度控制系統的工作原理與溫度控制電路的工作原理相似。溼度傳感器將捕獲的 溼度信息送入溼度採樣單元，經溼度採樣單元採樣的數據送入溼度A/D轉換電路進行模數 轉換，轉換後的數據送中央微處理器，與鍵盤輸入的預設數據比較，並將比較結果送溼度控 制電路。溼度控制電路根據情況決定是否打開供水系統，為培養基的芽菜供水。5. LED照明系統根據芽菜生長發育參考表，可通過鍵盤將LED發光的周期參數、光強度參數進行 設置。例如，通過鍵盤的設定實現脈衝寬度的調製，從而實現光周期的設定；任一波長的光 密度與該波長的LED數量和工作電流成正比，通過增減紅、綠、藍三種LED數量或工作電流， 則得到不同混合光譜、色溫的光。(1)比例電流源電路比例電流源電路的作用是供給紅、綠、藍三基色LED矩陣電路的不同電流，以分別 控制紅、綠、藍LED的發光密度和混合光譜、色溫，其主要組成部分是控制電路和矩陣電路。控制電路，其工作過程可描述如下控制電路主要由繼電器、三極體等組成。繼電器線圈的一個接線端接外電源，另一 端接NPN三極體的集電極。基極通過電阻Ri2接單片機的引腳。當單片機的引腳輸出高電 平時，三極體VT導通，繼電器線圈3、4得電，觸點1、2閉合，外電壓接通，形成一迴路；當單 片機引腳輸出低電平，三極體截止，繼電器失電，觸點釋放，電路斷開。二極體是線圈的續流 二極體，為感應電動勢提供迴路，以免損害三極體。LED矩陣電路驅動LED使其發光照明。設矩陣驅動電路為η組m位控制電路。驅 動三極體VTi的基極與三極體VTtl的基極和集電極連接，其集電極與LED矩陣電路和紫外 光矩陣電路連接，發射極經電阻Ri接地，i為自然數。每組矩陣驅動電路的輸出電流共有 m路，則其形成的電流Ici可有2iCi,…，(m-1) iCi, mCi共m種組態，形成光密度組合有
si《+c^c^..., +Cf+Ci)=廣》 種。(2) LED光譜單元LED光譜單元由一組組的LED組成，在驅動電路的作用下，LED發出預設的混合光譜或單色光譜，給芽菜提供不同光譜的光源照射。(3)紫外光消毒電路紫外光消毒電路的作用是為培養基定時消毒，使芽菜生長在一個較安全的消毒環
^Mi ο6.報警系統報警電路主要實現報警功能。當中央微處理器對溫度、溼度、光度等的調節失去作 用時，該電路發出報警信息，提示操作人員或監控人員。7.電源電路電源電路的主要作用是為系統提供各種所需的直流電源，如5V、12V、36V等。本實用新型的有益效果是光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統對芽菜 的生長發育具有較好的效果，它能使芽菜對溫度、溼度、光度等的需求達到多層次的組合， 使工作人員實現多層次、多參數綜合研究，有利於得出不同芽菜對溫度、溼度、光度等的不 同需要的參數，更加有利於生物學研究和指導芽菜類蔬菜的生產。

圖1芽菜培育系統框圖；圖2 I/O接口電路；圖3溫度控制系統；圖4溼度控制系統；圖5 LED照明系統；圖6電源電路；圖7比例電流源電路；圖8控制電路。其中，1.中央微處理器，2.下載線接口，3.預留外設接口，4.存儲器，5. I/O接 口電路，6.溫度控制系統，7.溼度控制系統，8. LED照明系統，9.報警系統，10.電源電 路，11.擴展接口電路，12.鍵盤，13. LED顯示器，14.溫度控制電路，15.加溫或降溫電 路，16.溫度A/D轉換電路，17.溫度採樣單元，18.溫度傳感器，19.溼度控制電路，20. 供水系統，21.溼度A/D轉換電路，22.溼度採樣單元，23.溼度傳感器，24.多路電子開關， 25.比例電流源電路，26. LED矩陣電路，27.負反饋電路，28.紫外光矩陣電路，29.電源 整流濾波電路，30.變壓器，31.脈衝整流濾波電路I，32.脈衝整流濾波電路II，33.穩壓 7812模塊，34.脈衝整流濾波電路III，35.穩壓7805模塊，36.基準電壓模塊，37.取樣模 塊，38.比較放大器，39.脈衝調寬電路，40.控制電路，41.繼電器。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1中，中央微處理器1分別與溫度控制系統6、溼度控制系統7、LED照明系統8、 報警系統9、存儲器4、I/O接口電路5以及下載線接口 2等連接，電源電路10則為各設備 供電；通過溫度控制系統6對芽菜的生長溫度進行調整，通過溼度控制系統7對芽菜生長溼 度進行控制，通過LED照明系統8對LED燈的光周期參數、光強度參數進行設置，從而實現對芽菜的生長光度進行調節，並具有紫外線殺菌功能。下載線接口 2可實現用戶程序的修 訂，預留外設接口 3是預留接口，可以根據用戶需要，隨時進行擴展。圖2中，I/O接口電路主要由擴展接口電路11、鍵盤12和LED顯示器13組成，其 中擴展接口電路11的主要作用是擴展中央微處理器1的I/O 口，以保證以後應用時，有足 夠的I/O 口，保證實現隨時擴展的需要。鍵盤12和LED顯示器13這兩部分主要實現人機 交互。當需要設置溫度、溼度、光度等參數時，通過按動選擇鍵，確定輸入功能。在某功能 下，通過數字鍵用來輸入時間、溫度、溼度或光度以及頻率等信息，然後按鍵確定，信息保存 至存儲器4 ；如果設置錯誤，可通過清除鍵清除本次設置。當中央微處理器接收到工作信息 後，系統開始工作。圖3是溫度控制系統6工作原理圖。溫度傳感器18將捕獲的溫度信息送入溫度 採樣單元17，經溫度採樣單元17採樣的數據送入溫度A/D轉換電路16進行模數轉換，轉換 後的數據送中央微處理器1 ；中央微處理器1將採樣的溫度與預設溫度數據比較，並將比較 結果送溫度控制電路14，溫度控制電路14根據比較結果決定是加熱還是降溫，並驅動相應 的加熱或降溫電路15。圖4是溼度控制系統7工作原理圖。溼度傳感器23將捕獲的溼度信息送入溼度 採樣單元22，經溼度採樣單元22採樣的數據送入溼度A/D轉換電路21進行模數轉換，轉換 後的數據送中央微處理器1，與預設溼度數據比較，並將比較結果送溼度控制 電路19，溼度 控制電路19根據比較結果決定是否打開供水系統20。圖5是LED照明系統8工作原理圖。中央微處理器1通過多路電子開關24控制 比例電流源電路25，比例電流源電路25 —路輸出經負反饋電路27、電源電路10與比例電 流源電路25構成閉環連接方式；比例電流源電路的另外兩路輸出則分別與LED矩陣電路 26和紫外光矩陣電路28連接。根據芽菜生長發育參考表，可通過鍵盤12，結合鍵盤掃描模 塊，將LED燈的光周期參數、光強度參數進行設置，同時設置紫外光殺菌電路28工作時間。 硬體電路和軟體系統共同完成LED照明及紫外光殺菌。圖6是開關電源電路10工作原理圖。220V市電經電源濾波整流電路29整流濾 波後，經變壓器30的初級線圈與開關管的集電極相連，開關管的基極與脈衝調寬電路39連 接。變壓器30的次級線圈與脈衝整流濾波電路I 31、脈衝整流濾波電路II 32和脈衝整流 濾波電路III34分別連接，以獲得不同的電壓輸出。其中脈衝整流濾波電路I 31輸出端依次 與比例電流源電路25和矩陣驅動電路26/28連接，同時比例電流源電路25的輸出還經負 反饋電路27與自身連接，構成閉環連接方式。脈衝整流濾波電路II 32輸出則與穩壓7812 模塊33連接，穩壓形成的12V電壓送至溫度控制系統6和溼度控制系統7。脈衝整流濾波 電路III 34則與穩壓7805模塊連接，穩壓後的5V電壓送至中央微處理器1作為供電電源。 脈衝整流濾波電路III 34輸出還經取樣模塊37、比較放大器38與脈衝調寬電路39連接，比 較放大器38還與基準電壓模塊36連接，其主要作用是形成反饋，保證開關電源電壓輸出穩 定。圖7是比例電流源電路25的工作原理圖，其作用是供給LED矩陣電路26和紫外光 矩陣電路28不同的電流，實現點亮LED和紫外光燈管的目的，其主要組成包括一個三極體 VTtl，其發射極經電阻Rtl接地，同時發射極還經負反饋電路與電源電路連接，電源電路則經 電阻R與三極體VTtl的集電極連接，三極體VTtl與矩陣驅動電路連接，矩陣驅動電路為η組m位控制電路。驅動三極體VTi的基極與三極體VTtl的基極和集電極連接，其集電極與LED矩 陣電路26和紫外光矩陣電路28連接，發射極經電阻Ri接地，i為自然數。每組矩陣驅動電 路的輸出電流共有m路，則其形成的電流Ici可有iu，2iu，…，(m-l)iCi,mi-Ci共m種組態，
形成光密度組合有扭勻+爛+爛+... +. 種，若每組驅動電路的輸出支
路有m = 8，共有8組，其形成的光密度則有2048種。 圖8為控制電路40示意圖，其主要由繼電器41、三極體VT等組成，繼電器41線圈 的一個接線端接外電源，另一端接三極體的集電極，三極體VT基極通過電阻Ri2接中央微處 理器1 ；繼電器常開觸點與電阻Ri3串聯後並聯在圖7中電阻Ri兩端。當系統誤動作導致檢測結果出現異常時，報警系統9自動啟動，通過發出的報警 聲提示培養基系統出現問題，並伴有相應的指示燈指示錯誤出現的部位，以提示操作人員 或監控人員，實現對培養基的人工操作。
權利要求一種光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，其特徵是，它包括中央微處理器，中央微處理器分別與溫度控制系統、溼度控制系統、LED照明系統、報警系統、存儲器、I/O接口電路以及下載線接口連接，電源系統則為各設備供電；通過溫度控制系統對芽菜的生長溫度進行調整，通過溼度控制系統對芽菜生長溼度進行控制，通過LED照明系統對LED燈的光周期參數、光強度參數進行設置，從而對芽菜的生長光度進行調節，並同時進行紫外線殺菌。
2.如權利要求1所述的光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，其特徵是，所 述I/O接口電路主要由鍵盤和LED顯示器組成，以實現人機互動；鍵盤和LED顯示器通過擴 展接口電路與中央微處理器連接。
3.如權利要求1所述的光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，其特徵是，所 述溫度控制系統主要由溫度傳感器、溫度採樣單元、溫度A/D轉換電路、溫度控制電路組 成；溫度傳感器將捕獲的溫度信息送入溫度採樣單元，經溫度採樣單元採樣的數據送入溫 度A/D轉換電路進行模數轉換，轉換後的數據送中央微處理器；中央微處理器將採樣的溫 度與預設溫度數據比較，並將比較結果送溫度控制電路，溫度控制電路根據比較結果決定 是加熱還是降溫，並驅動相應的加熱或降溫電路。
4.如權利要求1所述的光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，其特徵是，所 述溼度控制系統包括溼度傳感器、溼度採樣單元、溼度A/D轉換電路、溼度控制電路，溼度 傳感器將捕獲的溼度信息送入溼度採樣單元，經溼度採樣單元採樣的數據送入溼度A/D轉 換電路進行模數轉換，轉換後的數據送中央微處理器，與預設溼度數據比較，並將比較結果 送溼度控制電路，溼度控制電路根據比較結果決定打開還是關閉供水系統。
5.如權利要求1所述的光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，其特徵是，所 述LED照明系統包括比例電流源電路、電子開關、矩陣電路；中央微處理器通過多路電子開 關控制比例電流源電路，比例電流源電路一路輸出經負反饋電路、電源電路返回，與比例電 流源電路形成閉環連接方式；另外兩路輸出則分別與LED矩陣電路和紫外光矩陣電路連 接。
6.如權利要求5所述的光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，其特徵 是，所述比例電流源電路包括一個三極體VTtl,其發射極經電阻Rtl接地，同時發射極還 經負反饋電路與電源電路連接，電源電路則經電阻R與三極體VTtl的集電極連接，三 極管VTtl與矩陣驅動電路連接，矩陣驅動電路為η組m位控制電路；驅動三極體VTi的 基極與三極體VTtl的基極和集電極連接，其集電極與LED矩陣電路和紫外光矩陣電路 連接，發射極經電阻Ri接地，i為自然數；每組矩陣驅動電路的輸出電流共有m路， 則其形成的電流Ici有Ui, 2iCi,…，(m-1) iCi, ni/ei共m種組態，形成光密度組合有
7.如權利要求6所述的光譜可調具有紫外殺菌功能的芽菜培養基系統，其特徵是，所 述控制電路主要由繼電器、三極體組成，繼電器線圈的一個接線端接外電源，另一端接三極 管的集電極，三極體基極通過電阻Ri2接中央微處理器；繼電器常開觸點與電阻Ri3串聯後 並聯在電阻Ri兩端。
專利摘要本實用新型涉及一種芽菜培養基系統，主要包括中央微處理器、下載線接口、預留接口、I/O接口、存儲器、溫度控制系統、溼度控制系統、LED照明系統、報警系統、電源電路等十部分電路，其中電源電路為各系統提供不同的供電電壓，中央微處理器作為主控器，分別與其他電路系統連接，以實現對他們的控制。本實用新型系統的溫度控制系統實現對芽菜的生長溫度自動調節，溼度控制系統實現芽菜生長溼度進行控制，LED照明系統實現LED燈的光周期參數、光強度參數的設置，以確保芽菜的生長光度適中，並同時具備紫外線殺菌功能。溫度、溼度、光度這三個植物生長的關鍵條件的自動調節，從而確保了芽菜生產的增產和增收。
文檔編號A01G9/24GK201758631SQ201020213408

公開日2011年3月16日 申請日期2010年6月3日 優先權日2010年6月3日
發明者姜瀚崴, 姜榮, 王亞盛, 米衛新 申請人:姜瀚崴