楊景發(fā) 杜明月 裴志彬 李倩 李一男 劉海燕

(1.河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002;2.河北大學(xué) 工商學(xué)院，河北 保定 071002)

1 引言

生態(tài)水族的主角是魚、水草，視覺欣賞是其主要功能。光照是其首要解決的三大技術(shù)問題之一。常用的水族照明光源主要有熒光燈、水銀燈、鹵鎢燈等，但其發(fā)射光譜與水生物選擇性吸收光譜不匹配，用于水生動植物補(bǔ)光，針對性差、光效低、耗能大、大量發(fā)熱影響水溫［1］。發(fā)光二極管 (LED)以其高效、多色、窄帶、直流、顯色性好、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來主要的、較為理想的人工水生動植物補(bǔ)光光源［2］。但目前市場上的LED水族光源，存在光譜和強(qiáng)度被預(yù)制固化、不可調(diào)、顯色性差、靜態(tài)等問題，不能滿足水生動植物對光譜的動態(tài)需求，因此，智能LED水族光源成為科學(xué)工作者競相研究的重點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 觀賞性水草的生長發(fā)育對光波段的選擇性吸收

植物是在全譜自然光下進(jìn)化、生長、成熟。在太陽光譜的可見光的范圍內(nèi)，在690～780nm、580～690nm、350～530nm之間的光波段是最強(qiáng)的生理活動波段，與植物的葉綠素吸收、光合效率、向光性、光建成的紅光誘導(dǎo)和長波紅光誘導(dǎo)五個主要植物光生化反應(yīng)作用光譜 (見圖1)是一致的［3］。綠色水草的葉綠素對紅色光和藍(lán)色光的吸收能力較強(qiáng)，紅色水草體內(nèi)的葉黃素和胡羅卜素對綠色和藍(lán)色的光譜的吸收能力強(qiáng)。

圖1 五個主要的植物光生化反應(yīng)作用光譜

2.2 光質(zhì)對水生動物的生長影響

光作為自然界中重要的生態(tài)因子，對動物行為的影響極為明顯。不同的光照強(qiáng)度、光照周期和光譜成分對動物捕食率、新陳代謝、生長發(fā)育、繁殖都有一定的影響［4］?？傮w看，觀賞魚對于短波長的光照環(huán)境不是很適應(yīng)，隨著波長的增加，魚的生長速度也逐漸提高。

2.3 光周期對水生物生長影響

自然界陽光的強(qiáng)光時(shí)段約在10:00～15:00，照射時(shí)間約5～6h，考慮人工光源光的強(qiáng)度不如陽光強(qiáng)，因此建議水族光源強(qiáng)光以6～8小時(shí)的照明為宜，且以分段照明的方式: “10%光量 ×1h—80%光量×6h—20%光量 ×1h”為佳，即光量以 “弱→中→強(qiáng)→中→弱”的照明時(shí)段，用電源時(shí)序器控制開燈、熄燈的時(shí)間，使得光照能符合水生物生長的光周期。

3 水族照明LED組合光源的設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)控制的LED水族照明裝置主要包括兩方面設(shè)計(jì):硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括LED組合燈具、LED驅(qū)動器和電路控制系統(tǒng)三大部分 (結(jié)構(gòu)框圖見圖2)。LED組合燈具由主燈模組和觀賞模組組成，LED采用降壓式恒流驅(qū)動方式，電路控制系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時(shí)段、時(shí)長的分段自動調(diào)控。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，依據(jù)光譜柔性組合與調(diào)控方法用C語言編寫，并與硬件有機(jī)融合，通過鍵盤和GSM網(wǎng)絡(luò)兩重方法控制主控器，實(shí)現(xiàn)提供水生動植物所需全仿真光譜的功能。

圖2 LED水族照明光源的結(jié)構(gòu)框圖

3.1 LED組合燈具

圖3 LED燈具燈條示意圖

3.1.1 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水生動植物對光選擇性吸收的事實(shí)，確定了“LED水族照明光源”的主光譜輻射區(qū)［5］。突破傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源技術(shù)缺陷，LED組合燈具采用模組式設(shè)計(jì)，由1組主燈條 (3W的4藍(lán)、6白、2紅LED)和1組月光燈條 (1W的4藍(lán)、3紅、2綠、1黃、1三基色LED)組成 (見圖3)。每個燈珠裝配30°聚光帽，配合兩側(cè)納米反光條，使光線最大程度的集中于水族箱內(nèi)，由于燈具是點(diǎn)射光，水面的波紋折射出陰影，可模擬大自然波光粼粼的效果［6］。

3.1.2 燈具散熱和防水設(shè)計(jì)

LED水族燈具散熱系統(tǒng)由主動散熱 (涂覆紅外高輻射材料的鋁基板、鋁質(zhì)側(cè)齒散熱燈槽)和被動散熱 (軸流風(fēng)扇、循環(huán)水散熱)組成，PCB鋁基板焊接后涂刷防水漆，燈組下方裝高透光亞克力擋板，結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。解決了大功率LED燈具的散熱、防水問題，使得LED組合光源更加高效、節(jié)能環(huán)保。

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

利用SN3352芯片，采用降壓恒流驅(qū)動方式完成LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。SN3352芯片輸入電壓范圍為6V至40V，輸出電流高達(dá)750mA，輸出功率高達(dá)30W，集成了溫度補(bǔ)償電路，具有過熱保護(hù)和溫度補(bǔ)償功能。通過PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片開關(guān)和調(diào)光功能。一個基元的電路原理圖見圖5。

3.3 電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 控制器電路設(shè)計(jì)

圖4 LED組合燈具的結(jié)構(gòu)示意圖

主控制器以STC89C54RD+單片機(jī)為核心，由單片機(jī)電路，I/O接口驅(qū)動電路，系統(tǒng)參數(shù)存儲電路，按鍵電路，LCD顯示電路，GSM遠(yuǎn)程控制電路及LED驅(qū)動控制電路組成。單片機(jī)寫有C語言程序，用于調(diào)控并設(shè)定LED的驅(qū)動電流強(qiáng)度、工作頻率和脈沖寬度，以滿足對光譜柔性調(diào)節(jié)的需求;單片機(jī)電路通過I/O接口、串行數(shù)據(jù)接口和LED恒流驅(qū)動電路、按鍵電路、LCD顯示接口電路、GSM遠(yuǎn)程控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路相連接［7］。各組塊有機(jī)結(jié)合，各司其職，協(xié)調(diào)合作。

圖5 LED模組驅(qū)動電路

3.3.2 GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于OEM板，使用串口實(shí)現(xiàn)與C89C54單片機(jī)進(jìn)行通信。GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)芯片、時(shí)鐘芯片、看門狗芯片、GSM接口、存儲芯片及驅(qū)動芯片［8］(見圖6)。此系統(tǒng)可將用戶的指令信息通過短信的方式傳遞到單片機(jī)，然后進(jìn)行LED燈具燈亮滅及發(fā)光顏色遠(yuǎn)程控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。

圖6 GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件固化在單片機(jī)的芯片中，采用模塊化程序設(shè)計(jì) (流程圖見圖7)，用C語言編寫，主要包括人機(jī)接口 (鍵盤掃描模塊、LCD驅(qū)動模塊、GSM遠(yuǎn)程控制模塊)，LED控制模塊 (LED驅(qū)動電路模塊、LED燈頭模塊)，參數(shù)存儲模塊。各模塊各司其能，由主程序統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各模塊依存關(guān)系，完成所需的光質(zhì)、光強(qiáng)、時(shí)序控制等各種設(shè)置，以期達(dá)到操作界面友好，控制效果理想，系統(tǒng)高度穩(wěn)定的目標(biāo)。

圖7 程序設(shè)計(jì)流程圖

3.5 整機(jī)設(shè)計(jì)和制作

智能LED水族照明光源系統(tǒng)由主控箱，LED組合燈具和紫外殺菌燈組成。在制作過程中我們嚴(yán)格遵循科學(xué)布局，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，務(wù)實(shí)簡潔的思想，在制作初期設(shè)計(jì)多種樣機(jī)模型，經(jīng)過多次論證，確定最終的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照機(jī)械制作標(biāo)準(zhǔn)制作而成(樣機(jī)見圖8)。

圖8 智能LED水族照明光源樣機(jī)

4 LED水族照明光源光電特性性能測試

4.1 水族照明光源的亮度測試

在距離水族照明光源前方5m處，用 CX—2A成像亮度計(jì)分別測試四種照射模式的水族照明光源的亮度分布 (見圖9)，測試可知，光強(qiáng)的空間分布，決定了組合燈具設(shè)計(jì)時(shí)的各色LED管子的排列間隔和補(bǔ)光時(shí)的照射距離。同距離處LED因功率、光色的不同而亮度不同，正好可以模擬波光粼粼的效果。

圖9 LED組合燈具亮度

4.2 水族照明光源的光譜測試

本研究設(shè)計(jì)的“LED水族照明光源”的LED組合燈具由大功率的紅色、藍(lán)色、白光、綠色LED組合而成。用PMS—50光譜分析系統(tǒng)測量其發(fā)射光譜見圖10。

5 結(jié)束語

圖10 LED混色譜圖

“智能LED水族照明光源”，采用高亮度、大功率的白色、藍(lán)色、紅色、綠色、黃色LED優(yōu)化搭配而成，采用模組化設(shè)計(jì)理念，LED燈具由主燈條和月光燈條組成。基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)、照射時(shí)長、時(shí)段的自動可調(diào)，滿足了水生動植物對光的選擇性吸收和人們的視覺觀賞要求，同時(shí)很好的解決了魚對光的應(yīng)激反應(yīng)。在設(shè)計(jì)中充分應(yīng)用人文和環(huán)保理念，實(shí)現(xiàn)了光源的節(jié)能高效，這正是將LED推向新領(lǐng)域所進(jìn)行的積極探索，可以相信“智能LED光源”在大規(guī)模水草的品種培育、人工繁殖，觀賞魚工廠化培育、水族園藝、水族館專用補(bǔ)光光源以及特色水族箱等方面進(jìn)行科學(xué)研究和推廣應(yīng)用，必將帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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