摘要�隨著LED技�(shù)的不斷成�,LED�(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�(yīng)用研�,通過(guò)�(duì)植物光合作用吸收光譜和對(duì)比實(shí)�(yàn)分析總結(jié),選擇LED光源的合適波�(zhǎng)范圍、配�、以及功率大小的作為室內(nèi)植物種植的補(bǔ)光光�,并以此為核心設(shè)�(jì)出一整套包括恒流�(qū)�(dòng)電源和控制系�(tǒng)的智能LED植物�(bǔ)光系�(tǒng)�
�(guān)鍵詞�LED;LED波長(zhǎng);驅(qū)�(dòng)電路;控制系�(tǒng);植物補(bǔ)��
一、前�
室內(nèi)種植技�(shù)在國(guó)�(nèi)外一直在研究,室�(nèi)植物工廠就是一�(gè)典型案例,他的關(guān)鍵技�(shù)就是在室�(nèi)�(méi)有陽(yáng)光的情況�,采用人工光源對(duì)植物�(jìn)行補(bǔ)�,促�(jìn)植物光合作用,使之在室內(nèi)正常生長(zhǎng)�
�、智� LED植物�(bǔ)光燈光譜特性研�
采用光聲光譜儀分析出一般植物光合作用吸收光�[1](如圖一所示),得出植物光合作用時(shí)吸收光線的波�(zhǎng)曲線中有兩�(gè)波峰,這兩�(gè)波峰波長(zhǎng)大約�400nm~450nm的藍(lán)光區(qū)域和650nm~700nm的紅光區(qū)��
根據(jù)植物光合作用吸收光譜,選擇LED波長(zhǎng)分別�440nm�(lán)光和670nm的紅�,固定功�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�(jìn)行如下實(shí)�(yàn)�
方案一、采用全紅光方案,即24�670nm紅光LED
方案二、采用全�(lán)光方�,即24�440nm�(lán)光LED
方案�、采用紅�(lán)�5:1的方案,�20�670nm紅光�4�440nm�(lán)��
方案�、采用紅�(lán)�1:5的方�,即4�670nm紅光�20�440nm�(lán)光�
方案五、采用紅�(lán)�1:1的方�,即12�670nm紅光�12�440nm�(lán)光�
如上5�(gè)方案,實(shí)�(yàn)條件為:�5�(gè)�(dú)立避光的�(huán)境中,光源到植物的距�30cm,白�12小時(shí)定時(shí)�(bǔ)光(晚上不補(bǔ)光),采用傳�(tǒng)水培的方式分別種�1棵凈�30g的生菜,�1�(gè)月后�(jìn)行對(duì)生菜重量、高度、直徑等參數(shù)�(guān)系比�,如表一所��
表一、光源配比實(shí)�(yàn)�(shù)�(jù)�
�(xiàng)� |
生菜凈重 |
生菜高度 |
生菜直徑 |
方案一 |
120g |
12.6cm |
11.3cm |
方案� |
80g |
9.7cm |
7.4cm |
方案� |
332g |
16.5cm |
20.8cm |
方案� |
180g |
14.3cm |
13.1cm |
方案� |
203g |
14.6cm |
12.4cm |
�(shí)�(yàn)�(shù)�(jù)表明,采用方案三,即紅藍(lán)�5:1的比率配比為最佳方�,并通過(guò)多次重復(fù)�(shí)�(yàn),認(rèn)證了方案的可重復(fù)��
在以上實(shí)�(yàn)得出的最佳LED�(bǔ)光光源配比的基礎(chǔ)�,采用分別為6W�12W�18W�24W�30W功率的LED光源,在上一�(shí)�(yàn)的實(shí)�(yàn)條件基礎(chǔ)�,采用初始凈�50g大白菜品�,研究最佳功率。通過(guò)�(shí)�(yàn)可得表二�
表二、光源功率實(shí)�(yàn)�(shù)�(jù)�
�(xiàng)� |
大白菜凈� |
大白菜高� |
大白菜直� |
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 |
�(shí)�(yàn)�(shù)�(jù)表明,采�24W�30W�(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�(gè)�(shí)�(yàn)表明,采�1W大功率藍(lán)�440nm 4顆,紅光670nm 20顆為最佳補(bǔ)光條��
在具體設(shè)�(jì)�,為了實(shí)�(xiàn)�(duì)植物的均勻照�,對(duì)LED植物�(bǔ)光燈�(jìn)行二次配光設(shè)�(jì),通過(guò)�(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�(xué)�(shè)�(jì),實(shí)�(xiàn)LED植物�(bǔ)光燈不同波長(zhǎng)光源和整體光照的均勻分配�
�、智能LED�(bǔ)光系�(tǒng)�(qū)�(dòng)電路及可靠性設(shè)�(jì)
由于用于室內(nèi)植物�(bǔ)光系�(tǒng)需要多�(gè)不同色光的LED排列組合起來(lái),不同的LED�(qū)�(dòng)電壓不同,但是驅(qū)�(dòng)電流一致(�(duì)1W大功率LED其驅(qū)�(dòng)電流都是350mA�,因�,LED的驅(qū)�(dòng)電路需要采用恒流驅(qū)�(dòng)[2]。選�12顆LED串聯(lián)、兩路并�(lián)的方式,其中兩顆�(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�32V,保證在安全電壓范圍�(nèi),具有可靠性高,總體效率高,驅(qū)�(dòng)器設(shè)�(jì)制造方便的�(yōu)�(shì)�
針對(duì)本室�(nèi)植物種植的特�(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�。本�(shè)�(jì)擬通過(guò)�(duì)電源�(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、恒流芯片�(jìn)行比較,研發(fā)出適合本系統(tǒng)特點(diǎn)的LED�(qū)�(dòng)電路。恒流驅(qū)�(dòng)電路的效率大�90%,功率因子大�90%,采用PWM�(jìn)行光�(qiáng)�(diào)節(jié)[3],調(diào)光比大于1:100�
另LED工作�(shí)�80%的能量轉(zhuǎn)換為熱能,使芯片�(jié)溫升�。如果不能及�(shí)散去,會(huì)加速器件老化,甚至造成LED永久失效。因�,LED光源系統(tǒng)必須解決散熱�(wèn)題。通過(guò)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�,用于本系統(tǒng)LED�(bǔ)光系�(tǒng)的散�,如圖三所�。通過(guò)�(duì)本散熱系�(tǒng)�(cè)�,LED�(jié)溫不超過(guò)60��
�、LED控制系統(tǒng)�(shè)�(jì)
控制系統(tǒng)要實(shí)�(xiàn)�(duì)�(bǔ)光系�(tǒng)以及�(duì)其它相關(guān)系統(tǒng)的控�,功能框圖如圖二�
首先根據(jù)以上�(shè)�(jì)要求和原理框�,設(shè)�(jì)不同功能模塊,包括IN模塊(客戶端輸入)、LCD模塊(人�(jī)界面顯示�、POWER模塊(供電系�(tǒng)模塊�、IC模塊(主芯片及外圍元件)、OUT模塊(LED�(bǔ)光燈及橫流驅(qū)�(dòng)源)�,再將�(gè)模塊組合在一�(gè)電子線路系統(tǒng)�,再通過(guò)模擬仿真,檢�(cè)電路并查找異常問(wèn)�,糾�(cuò)完善系統(tǒng)。待電子線路正常�(yùn)作之�,再�(shè)�(jì)CPU控制程序,軟件設(shè)�(jì)完成�,再通過(guò)仿真確認(rèn)。然后制版打�,測(cè)�,并根據(jù)要求不斷完善系統(tǒng)�
�、結(jié)�
適應(yīng)室內(nèi)植物種植�(guī)�,選擇了12*1W大功率LED紅光與藍(lán)�5:1配比光源作為智能LED植物�(bǔ)光系�(tǒng)的補(bǔ)光光源,并設(shè)�(jì)了與�(bǔ)光光源配套的�(qū)�(dòng)電路和控制系�(tǒng),完成了整套智能LED植物�(bǔ)光系�(tǒng)的研��
參考文�(xiàn)�
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