韓 冰，楊景發(fā)，楊寶柱，孫瑞杰，王雅蘭，侯國(guó)棟，李 乾，張曉雄

（1.河北北方學(xué)院理學(xué)院，河北張家口075000，2.河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北保定071002）

大力發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)是進(jìn)行農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要環(huán)節(jié)，也是黨和國(guó)家對(duì)于建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的具體要求。特別是我國(guó)加入WTO 之后，對(duì)出口肉、蛋的質(zhì)和量的要求越來(lái)越高。因此，急需改變傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式，建立規(guī)?；?、科學(xué)化的養(yǎng)殖基地，提高養(yǎng)殖業(yè)的科技水平，提升產(chǎn)品的品質(zhì)與安全性，搶占國(guó)際市場(chǎng)，促進(jìn)出口創(chuàng)匯。

目前，我國(guó)規(guī)?；仪蒺B(yǎng)殖主要以封閉式塔式籠養(yǎng)為主，存在自然光照不足，生長(zhǎng)遲緩、死亡率高、產(chǎn)量低等問(wèn)題。目前用于養(yǎng)雞場(chǎng)補(bǔ)光照明光源多為白熾燈和節(jié)能燈，其發(fā)射光譜為帶狀譜、存在汞污染。少數(shù)用到的LED 光源，多選用小功率LED 燈珠，其光譜被預(yù)置固化［1］，對(duì)不同的家禽及其不同生長(zhǎng)階段，其光質(zhì)、光強(qiáng)、照射時(shí)間不能夠交互式設(shè)置。為此，本研究開(kāi)展了“基于單片機(jī)肉蛋雞生產(chǎn)光源”的研制工作。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 禽類視覺(jué)和處理光信息的特殊性

雞眼的敏感度曲線如圖1 所示。禽類在視網(wǎng)膜上比人多一種敏感區(qū)在425nm 的視錐細(xì)胞，使得在400～480nm、545～575nm 和580～700nm光譜區(qū)禽比人敏感，同樣光禽感覺(jué)較亮。資料表明［2－4］，光照強(qiáng)度、光波長(zhǎng)等光信息通過(guò)雞眼球內(nèi)的光受體－視網(wǎng)膜的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，傳遞至視覺(jué)中樞，或者通過(guò)下丘腦內(nèi)的相關(guān)光受體而被感知，并將光信息轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)，進(jìn)而影響與刺激下丘腦釋放激素來(lái)調(diào)節(jié)雞的生長(zhǎng)發(fā)育、生產(chǎn)性能、生殖功能和行為活動(dòng)。

1.2 紅光提高產(chǎn)蛋率／藍(lán)綠光促進(jìn)肉雞增肉作用

據(jù)報(bào)道，紅色可以減弱雞的神經(jīng)過(guò)敏，使之更安靜；紅色可以大大減少雞的相互爭(zhēng)斗和相互啄破的發(fā)生，死亡率也隨之下降。同時(shí)，紅光可以降低飼料消耗；對(duì)籠養(yǎng)蛋雞還能提高蛋的質(zhì)量，減少破蛋。藍(lán)綠光可以有效的刺激肉雞分泌睪酮，使血清內(nèi)雄性激素水平增加，促使肉雞在更多的時(shí)間內(nèi)不同的采食，導(dǎo)致在藍(lán)光下飼養(yǎng)的肉雞在體重、胸肌重、大腿重、小腿重等方面明顯高于在其他光下飼養(yǎng)的雞［5－7］。同時(shí)，藍(lán)光可明顯促進(jìn)肉雞脾細(xì)胞的增殖，提高脾細(xì)胞的免疫功能。

2 肉蛋雞促產(chǎn)型LED 光源的設(shè)計(jì)

本光源包括單片機(jī)控制模塊、LED 驅(qū)動(dòng)模塊、LED組合燈具和電源模塊等部分設(shè)計(jì)［8］，在單片機(jī)程序軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)LED 組合燈具光質(zhì)、光強(qiáng)、光照時(shí)間的調(diào)制。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖1 雞眼的敏感度曲線Fig.1 Corn sensitivity curve

2.1 LED 組合燈具設(shè)計(jì)

2.1.1 燈珠測(cè)試 基于理論研究，LED 組合光源由大功率的紅色、藍(lán)色、綠色、白光LED 組合而成，首先利用LED 積分球、PMS－50 光譜分析系統(tǒng)和LED626分布光度計(jì)測(cè)量其主要光色電性能參數(shù)（見(jiàn)表1），為組合光具的設(shè)計(jì)中LED 燈珠的選取提供了理論和設(shè)計(jì)指導(dǎo)［9－11］。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch diagram of structure

表1 LED 發(fā)光管的主要光色電參數(shù)Table 1 The main parameters of LED

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用模塊式設(shè)計(jì)思想，首先設(shè)計(jì)基元模塊（燈珠排列圖見(jiàn)圖3），再由若干個(gè)基元模塊組成LED 陣列平面光源，達(dá)到均勻照射之目的。一個(gè)基元燈具由LED 燈珠、鋁基PCB板、鋁質(zhì)頂齒散熱板和軸流風(fēng)扇等部分組成（見(jiàn)圖4）

圖3 燈珠排列圖Fig.3 Diagram of LED lamp array

圖4 基元燈具結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of primitive lamps

2.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

選用SN335驅(qū)動(dòng)芯片，采用降壓型電感電流連續(xù)模式設(shè)計(jì)LED 驅(qū)動(dòng)電路，基于設(shè)計(jì)功率和芯片設(shè)計(jì)手冊(cè)，確定外圍器件和參數(shù)，一個(gè)基元的電路原理圖見(jiàn)圖5，畫出SCH 和PCB 圖，制作線路板，焊接調(diào)試。

圖5 LED 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.5 The schematic diagram of LED drive circuit

2.3 LED 調(diào)光（光質(zhì)、光強(qiáng)、時(shí)間）設(shè)計(jì)

調(diào)光控制系統(tǒng)以STC89C54單片機(jī)為核心，主要由單片機(jī)LCD 電路、I／O 電路、按鍵電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等外圍電路組成。其中，通過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，依據(jù)調(diào)控方法完成初始設(shè)定，光質(zhì)、光強(qiáng)、給光時(shí)長(zhǎng)等的設(shè)定；向SN3352的ADJI引腳施加PWM信號(hào)，通過(guò)控制幅值以調(diào)整輸出電流的大小，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的控制；通過(guò)調(diào)整TH、TL脈寬時(shí)間長(zhǎng)短，工作比（TH／（TH＋TL）＊100%）可調(diào)。

系統(tǒng)軟件寫在控制器的單片機(jī)內(nèi)，用C 語(yǔ)言編程，采用流行的模塊法編程，其程序流程圖見(jiàn)圖6，主要包括時(shí)鐘模式、鍵盤模塊、LCD 顯示模塊和參數(shù)存儲(chǔ)模塊，程序開(kāi)始后，先初始化系統(tǒng)，再讀取用戶的存儲(chǔ)參數(shù)；接著選擇禽蛋類型，設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘，然后進(jìn)行光參數(shù)設(shè)定，設(shè)定完成后保存，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式。

圖6 程序流程圖Fig.6 The program flow chart of software

2.4 樣機(jī)整機(jī)制作與調(diào)試

遵循“科學(xué)布局，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，美觀與實(shí)用”的原則，進(jìn)行CAD 設(shè)計(jì)，按照機(jī)械制作標(biāo)準(zhǔn)制作樣機(jī)（圖7）。利用PMS－50光譜分析系統(tǒng)測(cè)試“肉蛋雞生產(chǎn)型LED 光源”的發(fā)射光譜，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖7 樣機(jī)實(shí)物圖Fig.7 Prototype picture

圖8 單色LED 譜圖Fig.8 Monochromatic LED

3 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的“陣列式LED 組合燈具”采用鋁基PCB板、鋁質(zhì)頂齒散熱板和軸流風(fēng)扇，有效地解決了燈具的散熱問(wèn)題，保證大功率LED 的正常工作?；趩纹瑱C(jī)通過(guò)施加PWM 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了燈具的光色、光強(qiáng)、工作時(shí)間的交互式自動(dòng)調(diào)控。本光源集單片機(jī)、LED 發(fā)光技術(shù)于一體，技術(shù)先進(jìn)，且具擴(kuò)展性，應(yīng)該適于圈舍養(yǎng)殖的動(dòng)物，以及水產(chǎn)、特種動(dòng)物的照明。

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