智能LED植物补光系统的研制

编辑：chris 2012-04-12 10:14:05 浏览：2878 来源：方君峰

摘要：随着LED技术的不断成熟，LED应用领域也逐步拓展，从家庭的LED照明灯、装饰灯，到户外的LED照明亮化工程，再到LED路灯工程，本文研究LED在植物种植方面的应用研究，通过对植物光合作用吸收光谱和对比实验分析总结，选择LED光源的合适波长范围、配比、以及功率大小的作为室内植物种植的补光光源，并以此为核心设计出一整套包括恒流驱动电源和控制系统的智能LED植物补光系统。

关键词：LED；LED波长；驱动电路；控制系统；植物补光；

　　一、前景

　　室内种植技术在国内外一直在研究，室内植物工厂就是一个典型案例，他的关键技术就是在室内没有阳光的情况下，采用人工光源对植物进行补光，促进植物光合作用，使之在室内正常生长。

　　二、智能 LED植物补光灯光谱特性研究

采用光声光谱仪分析出一般植物光合作用吸收光谱^[1]（如图一所示），得出植物光合作用时吸收光线的波长曲线中有两个波峰，这两个波峰波长大约在400nm~450nm的蓝光区域和650nm~700nm的红光区域。

　　根据植物光合作用吸收光谱，选择LED波长分别为440nm蓝光和670nm的红光，固定功率24W （1W大功率LED24颗），在封闭的环境中，对两种光源的各种配比进行如下实验。

　　方案一、采用全红光方案，即24颗670nm红光LED

　　方案二、采用全蓝光方案，即24颗440nm蓝光LED

　　方案三、采用红蓝光5:1的方案，即20颗670nm红光，4颗440nm蓝光。

　　方案四、采用红蓝光1:5的方案，即4颗670nm红光，20颗440nm蓝光。

　　方案五、采用红蓝光1:1的方案，即12颗670nm红光，12颗440nm蓝光。

　　如上5个方案，实验条件为：在5个独立避光的环境中，光源到植物的距离30cm，白天12小时定时补光（晚上不补光），采用传统水培的方式分别种植1棵净重30g的生菜，在1个月后进行对生菜重量、高度、直径等参数关系比较，如表一所示。

表一、光源配比实验数据表

项目	生菜净重	生菜高度	生菜直径
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

　　实验数据表明，采用方案三，即红蓝光5:1的比率配比为最佳方案，并通过多次重复实验，认证了方案的可重复性。

在以上实验得出的最佳LED补光光源配比的基础上，采用分别为6W、12W、18W、24W、30W功率的LED光源，在上一实验的实验条件基础下，采用初始净重50g大白菜品种，研究最佳功率。通过实验可得表二。

表二、光源功率实验数据表

项目	大白菜净重	大白菜高度	大白菜直径
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

　　实验数据表明，采用24W与30W结果相差不大，但为了节能考虑，故采用24W作为理想功率。

综上两个实验表明，采用1W大功率蓝光440nm 4颗，红光670nm 20颗为最佳补光条件。

在具体设计中，为了实现对植物的均匀照射，对LED植物补光灯进行二次配光设计，通过对不同波长LED空间的合理布局，并采用菲尼尔透镜、折射透镜等光学设计，实现LED植物补光灯不同波长光源和整体光照的均匀分配。

　　三、智能LED补光系统驱动电路及可靠性设计

　　由于用于室内植物补光系统需要多个不同色光的LED排列组合起来，不同的LED驱动电压不同，但是驱动电流一致（对1W大功率LED其驱动电流都是350mA），因此，LED的驱动电路需要采用恒流驱动^[2]。选择12颗LED串联、两路并联的方式，其中两颗蓝光LED均匀放在中央，如图二所示。并采用700mA横流供电，额定电压32V，保证在安全电压范围内，具有可靠性高，总体效率高，驱动器设计制造方便的优势。

　　针对本室内植物种植的特点，恒流源的输入为工频交流电源，而输出电源要求为安全电压以下的直流电源。本设计拟通过对电源转换器、稳压器、恒流芯片进行比较，研发出适合本系统特点的LED驱动电路。恒流驱动电路的效率大于90%，功率因子大于90%，采用PWM进行光强调节^[3]，调光比大于1:100。

　　另LED工作时，80%的能量转换为热能，使芯片结温升高。如果不能及时散去，会加速器件老化，甚至造成LED永久失效。因此，LED光源系统必须解决散热问题。通过采用良好的铝型材散热材料，表明加工成锯齿形状以增加散热面积，用于本系统LED补光系统的散热，如图三所示。通过对本散热系统测试，LED结温不超过60℃。

　　四、LED控制系统设计

控制系统要实现对补光系统以及对其它相关系统的控制，功能框图如图二：

　　首先根据以上设计要求和原理框图，设计不同功能模块，包括IN模块（客户端输入）、LCD模块（人机界面显示）、POWER模块（供电系统模块）、IC模块（主芯片及外围元件）、OUT模块（LED补光灯及横流驱动源）等，再将个模块组合在一个电子线路系统中，再通过模拟仿真，检测电路并查找异常问题，纠错完善系统。待电子线路正常运作之后，再设计CPU控制程序，软件设计完成后，再通过仿真确认。然后制版打样，测试，并根据要求不断完善系统。

　　五、结论

　　适应室内植物种植规律，选择了12*1W大功率LED红光与蓝光5:1配比光源作为智能LED植物补光系统的补光光源，并设计了与补光光源配套的驱动电路和控制系统，完成了整套智能LED植物补光系统的研制。

参考文献：

[1] 聂琴,樊大勇,韩涛,高荣孚.利用光声光谱仪研究植物材料不同层次组织的光吸收光谱[J].石河子大学学报(自然科学版).2007(12):737-740

[2] 范俊杰,宁凡.LED驱动电源的现状与展望[J].中国科技信息,2009(15):137-139

[3] 孙鲁,赵慧元,苏秉华.一种新型白光LED模组驱动电路的设计[J].电源设计.2010(10):196-201