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智能LED植物�(bǔ)光系�(tǒng)的研�

編輯:chris 2012-04-12 10:14:05 瀏覽�2848  �(lái)源:方君�

    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)�

[1] 聶琴,樊大�,韓濤,高榮�.利用光聲光譜儀研究植物材料不同層次組織的光吸收光譜[J].石河子大�(xué)�(xué)�(bào)(自然科學(xué)�).2007(12):737-740

[2] 范俊�,寧凡.LED�(qū)�(dòng)電源的現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)科技信息,2009(15):137-139

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

 

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