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智能LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)的研制

編輯：chris 2012-04-12 10:14:05 瀏覽：2706 來源：方君峰

摘要：隨著LED技術(shù)的不斷成熟，LED應(yīng)用領(lǐng)域也逐步拓展，從家庭的LED照明燈、裝飾燈，到戶外的LED照明亮化工程，再到LED路燈工程，本文研究LED在植物種植方面的應(yīng)用研究，通過對(duì)植物光合作用吸收光譜和對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)，選擇LED光源的合適波長(zhǎng)范圍、配比、以及功率大小的作為室內(nèi)植物種植的補(bǔ)光光源，并以此為核心設(shè)計(jì)出一整套包括恒流驅(qū)動(dòng)電源和控制系統(tǒng)的智能LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：LED；LED波長(zhǎng)；驅(qū)動(dòng)電路；控制系統(tǒng)；植物補(bǔ)光；

　　一、前景

　　室內(nèi)種植技術(shù)在國(guó)內(nèi)外一直在研究，室內(nèi)植物工廠就是一個(gè)典型案例，他的關(guān)鍵技術(shù)就是在室內(nèi)沒有陽光的情況下，采用人工光源對(duì)植物進(jìn)行補(bǔ)光，促進(jìn)植物光合作用，使之在室內(nèi)正常生長(zhǎng)。

　　二、智能 LED植物補(bǔ)光燈光譜特性研究

采用光聲光譜儀分析出一般植物光合作用吸收光譜^[1]（如圖一所示），得出植物光合作用時(shí)吸收光線的波長(zhǎng)曲線中有兩個(gè)波峰，這兩個(gè)波峰波長(zhǎng)大約在400nm~450nm的藍(lán)光區(qū)域和650nm~700nm的紅光區(qū)域。

　　根據(jù)植物光合作用吸收光譜，選擇LED波長(zhǎng)分別為440nm藍(lán)光和670nm的紅光，固定功率24W （1W大功率LED24顆），在封閉的環(huán)境中，對(duì)兩種光源的各種配比進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。

　　方案一、采用全紅光方案，即24顆670nm紅光LED

　　方案二、采用全藍(lán)光方案，即24顆440nm藍(lán)光LED

　　方案三、采用紅藍(lán)光5:1的方案，即20顆670nm紅光，4顆440nm藍(lán)光。

　　方案四、采用紅藍(lán)光1:5的方案，即4顆670nm紅光，20顆440nm藍(lán)光。

　　方案五、采用紅藍(lán)光1:1的方案，即12顆670nm紅光，12顆440nm藍(lán)光。

　　如上5個(gè)方案，實(shí)驗(yàn)條件為：在5個(gè)獨(dú)立避光的環(huán)境中，光源到植物的距離30cm，白天12小時(shí)定時(shí)補(bǔ)光（晚上不補(bǔ)光），采用傳統(tǒng)水培的方式分別種植1棵凈重30g的生菜，在1個(gè)月后進(jìn)行對(duì)生菜重量、高度、直徑等參數(shù)關(guān)系比較，如表一所示。

表一、光源配比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

項(xiàng)目	生菜凈重	生菜高度	生菜直徑
方案一	120g	12.6cm	11.3cm
方案二	80g	9.7cm	7.4cm
方案三	332g	16.5cm	20.8cm
方案四	180g	14.3cm	13.1cm
方案五	203g	14.6cm	12.4cm

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用方案三，即紅藍(lán)光5:1的比率配比為最佳方案，并通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)證了方案的可重復(fù)性。

在以上實(shí)驗(yàn)得出的最佳LED補(bǔ)光光源配比的基礎(chǔ)上，采用分別為6W、12W、18W、24W、30W功率的LED光源，在上一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)下，采用初始凈重50g大白菜品種，研究最佳功率。通過實(shí)驗(yàn)可得表二。

表二、光源功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

項(xiàng)目	大白菜凈重	大白菜高度	大白菜直徑
6W	90g	9.3cm	8.4cm
12W	260g	13.4cm	14.7cm
18W	338g	15.9cm	19.6cm
24W	450g	21.4cm	28.0cm
30W	463g	22.8cm	27.6cm

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用24W與30W結(jié)果相差不大，但為了節(jié)能考慮，故采用24W作為理想功率。

綜上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，采用1W大功率藍(lán)光440nm 4顆，紅光670nm 20顆為最佳補(bǔ)光條件。

在具體設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的均勻照射，對(duì)LED植物補(bǔ)光燈進(jìn)行二次配光設(shè)計(jì)，通過對(duì)不同波長(zhǎng)LED空間的合理布局，并采用菲尼爾透鏡、折射透鏡等光學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)LED植物補(bǔ)光燈不同波長(zhǎng)光源和整體光照的均勻分配。

　　三、智能LED補(bǔ)光系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路及可靠性設(shè)計(jì)

　　由于用于室內(nèi)植物補(bǔ)光系統(tǒng)需要多個(gè)不同色光的LED排列組合起來，不同的LED驅(qū)動(dòng)電壓不同，但是驅(qū)動(dòng)電流一致（對(duì)1W大功率LED其驅(qū)動(dòng)電流都是350mA），因此，LED的驅(qū)動(dòng)電路需要采用恒流驅(qū)動(dòng)^[2]。選擇12顆LED串聯(lián)、兩路并聯(lián)的方式，其中兩顆藍(lán)光LED均勻放在中央，如圖二所示。并采用700mA橫流供電，額定電壓32V，保證在安全電壓范圍內(nèi)，具有可靠性高，總體效率高，驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)制造方便的優(yōu)勢(shì)。

　　針對(duì)本室內(nèi)植物種植的特點(diǎn)，恒流源的輸入為工頻交流電源，而輸出電源要求為安全電壓以下的直流電源。本設(shè)計(jì)擬通過對(duì)電源轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、恒流芯片進(jìn)行比較，研發(fā)出適合本系統(tǒng)特點(diǎn)的LED驅(qū)動(dòng)電路。恒流驅(qū)動(dòng)電路的效率大于90%，功率因子大于90%，采用PWM進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)節(jié)^[3]，調(diào)光比大于1:100。

　　另LED工作時(shí)，80%的能量轉(zhuǎn)換為熱能，使芯片結(jié)溫升高。如果不能及時(shí)散去，會(huì)加速器件老化，甚至造成LED永久失效。因此，LED光源系統(tǒng)必須解決散熱問題。通過采用良好的鋁型材散熱材料，表明加工成鋸齒形狀以增加散熱面積，用于本系統(tǒng)LED補(bǔ)光系統(tǒng)的散熱，如圖三所示。通過對(duì)本散熱系統(tǒng)測(cè)試，LED結(jié)溫不超過60℃。

　　四、LED控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)光系統(tǒng)以及對(duì)其它相關(guān)系統(tǒng)的控制，功能框圖如圖二：

　　首先根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求和原理框圖，設(shè)計(jì)不同功能模塊，包括IN模塊（客戶端輸入）、LCD模塊（人機(jī)界面顯示）、POWER模塊（供電系統(tǒng)模塊）、IC模塊（主芯片及外圍元件）、OUT模塊（LED補(bǔ)光燈及橫流驅(qū)動(dòng)源）等，再將個(gè)模塊組合在一個(gè)電子線路系統(tǒng)中，再通過模擬仿真，檢測(cè)電路并查找異常問題，糾錯(cuò)完善系統(tǒng)。待電子線路正常運(yùn)作之后，再設(shè)計(jì)CPU控制程序，軟件設(shè)計(jì)完成后，再通過仿真確認(rèn)。然后制版打樣，測(cè)試，并根據(jù)要求不斷完善系統(tǒng)。

　　五、結(jié)論

　　適應(yīng)室內(nèi)植物種植規(guī)律，選擇了12*1W大功率LED紅光與藍(lán)光5:1配比光源作為智能LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)的補(bǔ)光光源，并設(shè)計(jì)了與補(bǔ)光光源配套的驅(qū)動(dòng)電路和控制系統(tǒng)，完成了整套智能LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)的研制。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 孫魯,趙慧元,蘇秉華.一種新型白光LED模組驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].電源設(shè)計(jì).2010(10):196-201