摘要：光量子通量密度是农业生产中关键的光环境参数。设计一种光量子通量密度快速检测设备，对温室蔬菜、水果进行合理、精确补光，将有助于提升植物的生长发育和作物的产量与品质。该检测设备以STC90单片机为核心，搭载DAVIS 6450传感器、PCF8591模数转换器以及DS1302芯片，实现对各波段光量子通量密度的检测。首先，利用地物光谱仪OFS-1100对各光波段占太阳光的比例进行检测，并利用数据拟合方法得到任意太阳高度下的准确比例数据。然后，通过DS1302芯片获取时间，计算出太阳高度角，并通过传感器DAVIS 6450经模数转换得到太阳光能量。将得到的比例、能量数据代入公式获得各波段的光量子通量密度，为温室蔬菜、水果的合理、精确补光提供理论基础。

　　关键词：光量子通量密度；太阳高度角；数据拟合；日光温室

　　1.引言

　　光是绿色植物进行光合作用的必要条件，光合作用是地球上最重要的能源来源之一。太阳辐射光谱按其波长分为紫外线(波长小于0.4μm)、可见光(0.4—0.76μm)和红外线(波长大于0.76μm)。对绿色植物光合作用影响最大的是波长范围为0.4—0.76μm的可见光波段，其中可见光约占太阳辐射能的50%，其他波段的存在也有一定的作用。各种不一样波段的光在植物的生长发育开花结果阶段、有机物质合成和产量形成产生不同的作用。例如，红光的光合作用活性最大且能促进叶绿素的合成，而蓝光能被叶绿素和类胡萝卜素所吸收，有利于植物蛋白质的合成。黄光能对植物的根产生巨大影响。因此，需要对太阳光的不同波长光线进行分光检测。在不同的太阳高度下，各波段光线占太阳光能量的比例不同。忽略天气变化的影响，太阳高度角是影响地面获得太阳辐射能量的重要因素之一，决定了太阳光中各波段光线的占比。即使在太阳光强度一样的条件下，不同太阳高度下的各波段比例也不一样。由于可见光波段范围内的光量子通量密度会对光合作用产生重要影响。因此，如何检测各波段的光量子通量密度具有重要意义。现有的太阳光检测设备多为全波段、光合有效辐射波段检测设备，而少数的红光、蓝光分波段光照强度检测设备存在价格高、难扩展、使用不方便等难题，使得不同波段的光强检测设备难以推广，限制其在设施农业中的应用。

　　本研究设计了一种基于太阳高度角的光量子通量密度的快速检测设备。该设备能接收到太阳光的辐射能量，计算太阳高度，通过单片机显示其光量子通量密度。

　　2.光量子密度检测算法框架

　　2.1设计原理

　　地球表面接受的太阳辐射要因不同的大气情况发生不同程度的削弱，臭氧层等对能量的吸收和高空大分子对太阳能量的散射对太阳辐射能量的削弱产生重要影响。

　　另外，在地平面任意一固定点，太阳光在该点的入射方向与该地点之间的角度称为太阳高度角，从更专业的角度来解释，太阳高度角是指该地的太阳入射的光线与通过地心和该地点相连接的地表的切线夹角。

　　太阳赤纬角通常用符号δ来表示，用Φ表示来表示观测点的地理纬度。地方时(时角)以w表示，获得太阳高度角H的计算公式为：

　　sin(H)=sin(δ)·sin(Φ)+cos(Φ)·cos(δ)·cos(w)(1)

　　赤纬角(太阳倾角或日偏角)通常以年为周期，在+23°27′与-23°27′的范围内移动，成为季节的标志。在要求不严格的条件下，赤纬角的计算公式为：

　　δ=ε·sin(λ)(2)

　　其中，ε是黄赤交角等于23°26′。λ是黄径，春分日λ=0。λ=0.986*n，n为距离春分的日数，ω是时角的计算公式：

　　其中，h为北京时间小时数，m为分钟数。当T为负数时，则加上24。

　　2.2建模及模型验证

　　数学模型的建立基于大量实验数据基础上的模型建立。不一样的地点，不一样的时间点，太阳高度角是不一样的，但太阳高度角的变化是有规律可言的。在一个固定的地方其太阳高度角在太阳升起时为零，太阳高度角最大时刻出现在中午，最小的角度出现在太阳落山的时候，可以近似地用二次函数来模拟其升起，下落的过程。本文采用最小二乘法进行太阳高度角以及红光、蓝光、黄光的拟合。最小二乘法是利用实验所得数据与相应函数的每个点作差，使得每个数据的偏差的平方求和之后最小，然后通过矩阵方程组反求其对应的函数。从而使拟合曲线最大限度接近实际数据。通过测试重庆在2023年5月8点、9点、10点、11点、12点、13点、14点一直到18点，重庆地区的太阳高度角如表1所示。从表1可知，5月份的8:00的太阳高度角从16.86°到22.43°变化很小，平均19.73°,9:00的太阳高度角从28.38°到34.53°,平均值为31.53°,其他时刻如图所示。根据表中的平均值进行数据的拟合，拟合结果如图1所示。

　　通过MATLAB，其拟合函数的公式为：

　　h=-1.743t2+44.71t-227.95（5）

　　式中，t代表时间，h代表太阳高度角，从公式可以看出当时间确定之后，太阳高度就能确定。

　　通过MATLAB编写程序，可知拟合值与实际值的最大误差为2.98，最小误差为0.29，确定系数为0.98（“确定系数”能比较好地表示拟合曲线与实际数据的吻合程度。“确定系数”如果和“1”的差值越小，那么这就意味着函数的拟合与实际数据的吻合度越高，越能代表实际数据的变化趋势）。

　　2.3实验平台搭建

　　利用光纤、视场角调整器、笔记本电脑、地物光谱专用软件等器材开始实验数据采集。实验平台如图2所示。

　　由于STC90C51单片机不能计算带有三角函数的复杂反三角函数，因此，将太阳高度角中的经纬度设置成当地的经纬度，用MATLAB编写基于日期、时间的太阳高度角公式。选取某一月份，在一个固定的经纬度下，用MATLAB程序计算出不同时间点的太阳高度角，通过大量的不同时间下的太阳高度角用MATLAB函数拟合工具箱来拟合基于时间的太阳角计算公式。

　　3.平台搭建与试验

　　3.1系统设计

　　要实现基于太阳高度角下的光量子密度通量快速检测，首先计算光量子通量密度，以光合有效辐射为例，可以表示为：

　　PF D=⃞2ns n(6)

　　式中，nsna，S_PAR，N，h，c分别为各个波段的平均值、各波段占太阳辐射的比例、光合有效辐射的能量、阿伏伽德罗常数、普朗克常量、光速。通过串行时钟芯片DS1302组成的时钟电路，获取该时刻的准确时间，将得到的时间代入基于时间的太阳高度角函数中，得到该时刻的太阳高度角，再将其代入基于太阳高度角的各波段占太阳光的比例公式中，得到不同波长的色光占太阳光的比例。通过由集成电路总线PCF8591组成的模数转换电路，来获取该时刻太阳光一定波段的辐射能量。

　　3.2系统软件设计

　　整个系统的程序设计包括传感器模数转换模块的设计、时钟模块的设计、太阳高度角的计算等。首先通过DS1302时钟模块获得当下的时间，从而代入太阳高度角计算模块得到太阳高度角，再将太阳高度角代入各波段占太阳光的比例，得到各波段占太阳高度角的比例。再通过传感器DAVIS 6450经过PCF8591模拟数字转换器经过转换就会得到采集到的电压值，经过DAVIS 6450指定的规则得到采集到的太阳光的辐射能量。再将得到各波段的比例、太阳光的能量代入公式得到各波段的光量子通量密度，并通过LCD12864显示出来。如图3所示。程序开始时，通过对时钟模块的初始化和调用，对模数转换电路的调用和LCD12864显示电路的调用，再通过中央处理器的综合处理从而得到各波段的光量子通量密度。

　　3.3硬件设计

　　系统采用STC90C51系列单片机。单片机（single chip microcomputer）又称为微型控制器，是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器、I/O（输入/输出）接口电路集成到一块电路芯片上构成的微型计算机。其引脚图如图4所示

　　设计采用DAVIS 6450传感器获取太阳能量。DAVIS 6450用于测量太阳辐射和太阳能。高精度的设计与制造可以获得精准的余弦反应。如图5所示。

　　此时用Davis 6450采集到的电压为0.08V，转换为能量为46W/m2。如图6所示

　　3.4结果分析

　　各波段占太阳光的比例和对应波段的能量是决定光量子通量密度的因素。通常能量的获取较为精准，因此可以近似地认为光量子通量的误差就是各波段占太阳光比例的误差。因此，在晴天、阴天的模式下分别测量各波段的比例，并与光谱仪显示的比例进行数据进行对比和误差分析,本文的任务是对光量子通量密度的测量，在不同的天气情况下使用不同的测量模式，在9519实验室里的晴天测量模式如图7所示。

　　实验时间：2023年6月5日，测试地点：某大学教学楼顶楼，测试结果如表2所示。

　　从表2可知，利用测量设备得到红光比例为23.8%-27.5%，光谱仪得到的红光比例为24.01-27.6，误差在0.36%到2.10%；利用设备得到的蓝光比例为9.56%-11.54%,光谱仪得到的红光比例为9.8%-11.62%，误差在0.69%到2.44%；利用设备得到黄光比例为4.74%-6.02%，光谱仪得到的黄光比例为4.99%-6.13%，误差在0.99%到5.10%。

　　在晴天下，设计的误差与光谱仪的误差非常小，因此，可以认为研究设计具有较高的精度。由测试结果表1可以得出红光、蓝光、黄光的比例误差，如表3所示。

　　为了得到各波段的光量子通量密度，在6月6日应用该设备进行了光量子通量密度的测得。实验地点：教学楼5楼天台，天气情况：晴转阴各波段的光量子通量密度，（单位：umol/m2.s）如表4所示。

　　通过以上分析知，晴天下设计测得的各波段比例误差非常小，红光、蓝光的误差都在5%以内，黄光的误差在6%以内。因此，建立基于太阳高度角的光量子通量密度的模型是可行的，具有实际意义的。

　　4.结束语

　　采用C51单片机为控制核心，搭载DAVIS 6450太阳辐射传感器应用C51语言进行编程，得到了基于太阳高度角的光量子通量密度。该设备具有体积小、易控制、易携带、灵活性高等特点。

　　4.1建立了太阳高度角的时间模型。用地物光谱仪OFS-1100做实验，得到了在晴天和阴天的天气情况下红光、蓝光、黄光在不同的太阳高度角下占太阳光的比例，通过实验验证，研究设计的测量装置能较为准确地测量各波段的光量子通量密度。

　　4.2设计的装置能测量晴天、阴天下红、黄、蓝这三种波段的光量子通量密度。

　　4.3对系统进行了测试，验证了系统的可行性。应用于农业作物温室补光，将显著提升作物品质和产量。

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