[发明专利]一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统

权利要求书

1.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，包括超声阵列模块、接收电路、处理电路、驱动电路、函数发生模块、控制模块和植物工厂上位机，所述的植物工厂上位机将植物工厂内部的温度和光照信号传输给控制模块，所述的控制模块基于植物工厂的环境信息确定超声波能量发生及转换系统的工作状态，所述函数发生模块根据控制信号产生不同形状、不同频率的波形信号，波形信号经过驱动电路放大后传输给超声阵列模块的发射换能器，产生有助植物生长的超声波；同时，超声波阵列的接收换能器采集实际超声波信息，实测信号通过接收电路、处理电路传输给控制模块，控制模块根据该回馈信号调整输出进一步提高系统的控制精度。

2.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，系统的工作频率有4种：低频工作10KHz-100KHz、中频工作100KHz-1000KHz、高频工作1000KHz-10MHz、极高频工作10MHz-50MHz；系统的工作波形有7种：三角波、锯齿波、矩形波/方波、正弦波、递增斜波、递减斜波、阶梯波；系统根据植物工厂内不同的光照周期、环境温度和植物品种，确定最优的工作频率、工作时间以及工作波形。

3.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，该系统所使用的超声波阵列模块由22个超声波换能器按照一定规则构成，包括超声波发射阵列和超声波接收阵列；其中16个发射换能器呈4*4的2维矩形排列构成超声波发射阵列；另外4个接收换能器位于超声波阵列的中央位置，呈2*2的2维矩形排列构成超声波接收阵列；所述发射换能器和接收换能器均采用收发一体的、中心频率为50KHz的压电陶瓷超声换能器，负责完成超声信号的发送、超声回波信号的接收。

4.一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征在于，系统采用最小均方LMSTDE算法对超声回波接收电路采集到的超声回波信号进行数字信号处理，得到从超声相控阵发射超声波信号到接收到的超声回波信号之间的时间间隔；为防止发生换能器的余震干扰正常的回波检测，在超声相控阵停止发射超声波后需要延时0.5ms来消除超声波换能器探头的余震的影响。

5.根据权利要求1所述的一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征是所述控制模块从植物工厂上位机处接收植物工厂的温度、光照和菜品信息，由此确定最优的超声波工作波形、频率、工作时间以及幅值，同时，根据系统的实际测量反馈信号进行模糊PID控制，提高系统的控制精度；所述函数发生模块由FPGA和D/A转换芯片组成，各种运算都在FPGA芯片中进行，通过了FPGA芯片和D/A转换芯片可以得到波形的输出．其中FPGA是函数发生器系统结构中的核心，从D/A转换芯片输出的是电流，如要在D/A转换芯片输出端输出电压，可以用一个运算放大器，对输出波形进行I/V转换，并在放大器的输入端加一个可变电阻，即可得到所需幅值；所述的驱动电路由MOSFET和升压变压器TR功率放大后驱动超声换能器发射超声波。

6.根据权利要求1所述的一种植物工厂用超声波能量发生及转换系统，其特征是所述接收电路由前置同相比例放大电路和带通滤波电路组成，所述前置同相比例放大电路采用同相比例放大器实现对回波小信号的线性放大；所述处理电路用于包络检测，由于超声波信号的包络线具有较好的一致性，因此对于回波信号到达包络峰值的时间点，系统采用时延估计法完成对超声回波信号的处理，从而得到超声波发射电路从发送超声波到超声波接收电路接收到回波信号的时间间隔。