趙富強， 陳鳳英，黎　欣，馮　浩，張文婷

(1.南昌航空大學信息工程學院， 江西南昌　330063；2.南昌航空大學測試與光電工程學院大學物理國家級實驗教學示范中心， 江西南昌　330063)

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太陽能LED植物生長燈的設計

趙富強1， 陳鳳英2，黎欣2，馮浩2，張文婷2

(1.南昌航空大學信息工程學院， 江西南昌330063；2.南昌航空大學測試與光電工程學院大學物理國家級實驗教學示范中心， 江西南昌330063)

本設計由太陽能光伏系統(tǒng)提供電能，運用單片機原理，對植物生長的光強進行控制，并根據(jù)不同植物光合作用的最優(yōu)效益，可以調(diào)節(jié)出不同比例的紅藍光，使植物生長進行最大效益的光合作用。該設計可改善植物的生長周期，促進植物生長。

太陽能光伏系統(tǒng)； 單片機； LED燈；光合作用

引言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)使用普通電光源補充光照，采用覆蓋彩色塑料薄膜等技術措施來改變光環(huán)境以調(diào)控栽培環(huán)境中植物的生長發(fā)育。但這些措施存在著不同程度問題，如缺乏對具體光譜成分分析導致光質(zhì)處理不純、接近或低于植物的光補償點；照射光源能效低；連續(xù)陰雨天氣時植物不能進行有效的光合作用等。本文設計的LED生長燈能解決這些難題[1]，在蔬菜稀少季節(jié)，可以解決人們對蔬菜需求的困難。

1　設計方法

1.1總體設計

太陽能LED植物生長燈總體框架圖如圖1所示 ，以單片機芯片STC89C52為核心，由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、光敏傳感模塊、按鍵模塊、低速電機模塊、LED輸出模塊、LCD顯示模塊組成。

圖1　太陽能LED植物生長燈總體框架示意圖Fig.1　The Solar LED plant growth light overall frame diagram

1.2硬件設計

系統(tǒng)硬件由16組硬件單元系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)單元如圖2所示。光敏電阻將室內(nèi)光線的強弱模擬信號通過ADC0832轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號，并將該信號輸入到單片機[2]。單片機經(jīng)R1給三極管(8050)的發(fā)射結(jié)提供正偏電壓，并與R2結(jié)合起來給三極管的集電結(jié)提供反偏電壓，使三極管工作于放大狀態(tài)，起到開關作用。R2和R3結(jié)合起來給CMOS管(60N60)提供柵源電壓，單片機接收光強信號通過控制輸出PWM波形的占空比，經(jīng)開關電源使得CMOS的柵源電壓在0～3.5V之間變化，從而控制流過LED(24個二極管)電流的大小，進而控制LED的功率，改變LED燈的亮度。同時單片機可控制12264LCD顯示屏，將系統(tǒng)的當前紅藍光比例的狀態(tài)顯示出來，并增加12個按鍵，用戶可以通過按鍵輸入相應的指令，來控制系統(tǒng)工作，實現(xiàn)人機交換，從而使整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來。開關電源的12V電壓和CMOS管的5V電壓等整個系統(tǒng)的電能都由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(單晶硅電池板的轉(zhuǎn)換率為24%)提供。[3]

圖2　硬件系統(tǒng)單元示意圖Fig.2　Hardware schematic system unit

1.3軟件設計

該軟件設計包括兩個部分：1)編寫單片機接受光敏電阻感應光強信息后的程序，通過濾波電路和開關電源把相應頻率的電流通過場效應管CMOS(60N60)得到0～11V的電壓，接到串聯(lián)的LED燈上，控制LED燈發(fā)出的光強；2)編寫好紅藍光比例(如：5∶1、6∶1……12∶1)的程序輸入到單片機[4]，通過延時(電機旋轉(zhuǎn)一周時間12s)程序，在12V電機地帶動下，驅(qū)動LED(16組，2藍14紅，每組24個二極管)燈頭旋轉(zhuǎn)90°(3s)對應一種植物，同時單片機控制12264LCD顯示屏，將系統(tǒng)的當前紅藍光比例的狀態(tài)顯示出來，對不同植物進行高效率的光合作用。

1.4性能分析

通過對光譜分析及已有的實驗得出：不同波長的光線對于植物光合作用的影響是不同的，植物光合作用需要的光線，波長在400～700nm左右。400～500nm(藍色)的光線以及610～720nm(紅色)對于光合作用貢獻最大。藍色光有助于植物光合作用能促進綠葉生長，蛋白質(zhì)合成，果實形成；紅色光能促進植物根莖生長，有助于開花結(jié)果和延長花期，起到增加產(chǎn)量作用[5]。藍色(470nm)和紅色(630nm)的LED，剛好可以提供植物所需的光線。LED植物生長燈的紅藍LED比例一般在4∶1～9∶1之間為宜，通?？蛇x6∶1～9∶1。本設計就是根據(jù)光譜的特性對植物最有效光合作用而進行紅藍LED比例的選擇，其選擇在4∶1，6∶1…11∶1。

傳統(tǒng)燈光發(fā)出的是全光譜，就是說有7種顏色，而植物所需要的卻只有紅光和藍光，因此傳統(tǒng)燈大部分光能都浪費了，所以效率極低。而LED植物生長燈可以發(fā)出植物需要的特定紅光和藍光，因此效率極高[6]。另一個原因就是傳統(tǒng)的鈉燈光譜里面缺少藍光，而汞燈和節(jié)能燈光譜里面又缺少紅光，所以傳統(tǒng)燈補光效果都比LED植物生長燈差很多。

2　實物模型制作

設計中LED植物生長燈進行光合作用的能耗非常低，工作電壓只要12V，消耗的功率大概只有9W，消耗的電能比相同光效的白熾燈減少90%以上，比現(xiàn)有的節(jié)能燈減少70%以上，運行成本大大降低[7]。例如兩個光合作用系統(tǒng)：一個接收太陽光的光照進行光合作用，一個接收太陽光和LED不同光線強弱及不同比例的紅藍光，其他條件都相同，觀察這兩個系統(tǒng)中植物的生長變化。通過理論推算，得出后者的植物生長周期更短，即蔬果提早20%的時間采收，增加3%至5%的產(chǎn)量，更提高蔬果的甜度且減少病蟲害。其效果圖如圖3所示。

圖3　實物效果圖Fig.3　Physical effect

3　總結(jié)

太陽能LED植物生長燈是在現(xiàn)有的室內(nèi)植物光合作用的基礎上，通過我們創(chuàng)新設計、制作出來的，不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且還充分利用了清潔、環(huán)保、可循環(huán)利用的太陽能，符合低碳、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念[8]。這種設計成本比較低、結(jié)構比較簡單，可改善植物的

生長發(fā)育狀況。

[1] 劉曉英,徐志剛,焦學磊,等. 植物照明的研究和應用現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J]. 照明工程學報,2013,24(4):1-7.

[2] 江磊,劉木清. LED驅(qū)動及控制研究新進展[J]. 照明工程學報,2014,25(2):1-9.

[3] 劉彤,劉雯,馬建設. 可調(diào)紅藍光子比例的LED植物光源配光設計方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2014,01:154-159.

[4] 魏曉明,周長吉,丁小明,等. 光伏發(fā)電溫室的現(xiàn)狀及技術前景研究[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學會2011年學術年會論文集.中國農(nóng)業(yè)工程學會(CSAE),2011.

[5] 胡永逵,鮑順淑,楊其長. LED在設施園藝中的應用系列(六) LED與太陽能光伏結(jié)合在人工光植物工廠的應用[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(溫室園藝),2009,10:15-16.

[6] 宿忠娥,石蕊. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與研究[J]. 電子制作,2012,11:75-76.

[7] 趙晶,趙爭鳴,周德佳. 太陽能光伏發(fā)電技術現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 電氣應用,2007,10:6-10.

[8] 孫萌,余方召,周榮玲,等. 節(jié)能燈及LED燈的負荷特性研究[J]. 陜西電力,2015,12:57-61.

The Design of the Solar LED Plant Growth Lights

ZHAO Fuqiang1, CHEN Fengying2, LI Xin2, FENG Hao2, ZHANG Wenting2

(1.CollegeOfInformationEngineering,NanChangHangKongUniversity,Nanchang330063,China；2.NationalPhysicsExperimentTeachingCenter,SchoolofMeasuringandOpticalEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

The power of the design is provided by the solar photovoltaic system. we use the SCM principles to control the light intensity of plant growth , and we can adjust the different proportions of red and blue, to obtain the maximum photosynthetic efficiency of the plant according to the optimal efficiency of different plant photosynthesis. This design can improve the growth cycle of plants, and promote the plant is growth.

solar photovoltaic system; single-chip; LED lights; photosynthesis

南昌航空大學教改基金資助(No.JY1220)，南昌航空大學大學生第八屆三小“基地項目”基金資助(No.SXJD14)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.027