覃文奇

摘 要：基于LED的發(fā)光原理和植物生理活動特性，本研究設(shè)計了一種LED植物生長燈。經(jīng)過對比，本設(shè)計采用圓環(huán)形陣列組合，配置DD312作為恒流源的控制芯片，利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來進行光亮調(diào)節(jié)，滿足不同植物在不同時段的光照需求，以期提升植物產(chǎn)量，縮短生長周期。

關(guān)鍵詞：植物生長燈;LED;設(shè)計

中圖分類號：Q94-33文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0068-03

Design and Research of LED Plant Growth Light

QIN Wenqi

（Hubei Second Normal University，Wuhan Hubei 430200）

Abstract： Based on the light-emitting principle of LED and the physiological characteristics of plants， this study designed an LED plant growth lamp. After comparison， the design used a circular array combination， configured with DD312 as the control chip of the constant current source， and used PWM technology to adjust the brightness to meet the lighting requirements of different plants in different periods， in order to increase plant yield and shorten the growth cycle.

Keywords：plant growth lamp;LED;design

在運用點光源進行光照補充時，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)普遍使用電光源，同時配合采用塑料薄膜覆蓋技術(shù)，有效調(diào)控栽培環(huán)境，促進植物生長發(fā)育，卻存在光照度低于光補償點、光質(zhì)處理不純等問題[1-3]。在遭遇持續(xù)性的陰雨天氣時，植物無法有效進行光合作用[4-6]。因此，有必要設(shè)計一種新型植物生長燈。本研究結(jié)合植物生長的特點，設(shè)計出一套LED植物生長燈，旨在解決傳統(tǒng)電光源存在的問題。

1 LED的發(fā)光原理及選擇

1.1 LED的發(fā)光原理

LED又被稱為發(fā)光二極管，是一種全新的節(jié)能器件，能夠有效克服傳統(tǒng)光源壽命短、能耗大、發(fā)熱量高等缺陷，被廣泛運用到信號指示、照明以及背光技術(shù)等領(lǐng)域[7-10]。LED的核心發(fā)光器件主要分為兩部分，即N型半導(dǎo)體、P型號半導(dǎo)體晶片，二者交匯的區(qū)域被稱為PN結(jié)。電流通過LED兩端時，電子會被快速推向P區(qū)，此時PN結(jié)就會呈現(xiàn)出一個空穴和電子復(fù)合的狀態(tài)，并釋放能量，部分能量以光的方式向外輻射，快速轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽躘11-13]。簡單來說，LED的發(fā)光原理就是電能與光能相互轉(zhuǎn)化的過程。

1.2 LED光源的選擇

結(jié)合LED植物生長燈的市場需求，本設(shè)計最終采用1 W大功率的藍色、紅色與白色組合而成的LED器件，購自深圳金海洋科技有限公司，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

由表1可以看出，LED光源的藍色燈和紅色燈波長分別為460 nm與630 nm，其與植物生長需要的波長一致，說明本設(shè)計選取的LED光源能夠較好地滿足植物光合作用的需求。

1.3 LED陣列組合設(shè)計

本研究設(shè)計的矩陣采用圓環(huán)形陣列，主要由多個LED等組成一個圓環(huán)形的發(fā)光圈。

2 LED植物照明控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 負載連接方式

本設(shè)計主要采取負載的連接設(shè)計方案，故串聯(lián)連接具有更高的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)串聯(lián)電路中，如果有LED持出現(xiàn)短路或斷開，LED燈就無法正常運作。本設(shè)計改進了串聯(lián)方式，LED兩端配有一定電阻，具體串聯(lián)方式如圖1所示。

2.2 LED驅(qū)動電路

2.2.1 恒流驅(qū)動電路。這種驅(qū)動電路可以確保LED兩端電流維持恒定不變，確保LED均勻、穩(wěn)定發(fā)光[14-16]。恒流驅(qū)動電路加入過載保護電路后，若LED兩端的電壓突然升高，其能夠有效避免LED在短時間內(nèi)因為電流升高而燒毀。因此，不少廠商喜歡運用這種LED驅(qū)動方式。但是，恒流驅(qū)動電路運行期間需要配置控制源，操作較為復(fù)雜，應(yīng)用成本非常高。

2.2.2 電阻限流電路。這是一種最為簡單的LED驅(qū)動電路方式，主要是在直流供電LED回路串接一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻值來控制LED亮度。電阻值（[R]）的計算方式為：

[R=E-VI]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[E]為電源電壓;[V]為LED工作電壓;[I]為LED的工作電流。本設(shè)計確定采用大功率（1 W）的LED，因此，[V]的實際值為3.3 V，[I]的實際值為350 mA。

電阻限流電路設(shè)計非常簡單，成本較低，但同時缺點非常突出。在電源電壓出現(xiàn)變化時，若要確保LED兩側(cè)經(jīng)過的電流保持一致，就必須調(diào)節(jié)限流電阻，這在實際運用中很難實現(xiàn)。

2.2.3 恒壓驅(qū)動。恒壓驅(qū)動是維持LED兩側(cè)電壓不變的重要技術(shù)。在常溫下，LED的工作電流大約為20 mA，在LED溫度上升到85℃后，其電流就會升高到35～37 mA，但若LED的亮度并未出現(xiàn)明顯增加，電流的增加就會使得PN節(jié)點的溫度迅速提升，促使LED使用壽命迅速縮短，故通常不建議采用該技術(shù)。

2.3 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）技術(shù)具有非常突出的優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于對LED燈的控制，其主要通過對斷開時間和導(dǎo)通進行控制，有效調(diào)節(jié)LED光照強度。利用PWM技術(shù)進行方波調(diào)節(jié)時，LED燈的亮度出現(xiàn)累積變化，但是其通常具有很大的占空比，人眼往往很難發(fā)現(xiàn)燈的亮度變化。

2.4 利用DD312驅(qū)動LED電路

本設(shè)計以臺灣點晶（SITI）公司開發(fā)的DD312作為LED植物生長燈的恒流驅(qū)動芯片。這種芯片擁有強大的功能。

DD312芯片的主要技術(shù)特性如下：輸出的電流需要達到1 A，此時其最小輸出的電壓為1 V;最大的輸出電流為1 A，并且能夠通過外接的電阻來進行調(diào)節(jié);輸出的最大使能頻率為1 MHz;輸出的最大承受電壓為18 V;具備過電流保護、過熱報警、對LED開路實施監(jiān)測的功能;芯片的最大工作電壓為5～18 V;封裝的主要形式為SOP8或者TO-252。DD312芯片的電路如圖2所示，其同時攜帶溫度保護器。

在恒流驅(qū)動中，本設(shè)計采用DD312來作為整個LED驅(qū)動電路的芯片，合理運用PWM技術(shù)，有效加強對紅光燈和藍光燈照強度的控制。驅(qū)動電路設(shè)計方案如圖3所示。

對于供電方式，采用5 V的直流電壓來替代以往的220 V交流電壓，此時，LED光照電源模塊的電壓則被設(shè)定為12 V。另外，運用微控制器（意法半導(dǎo)體公司，STM32 103系列）來作為其主控芯片，其成本低，性能高、功耗低，它是目前各種嵌入式電子產(chǎn)品的核心芯片。

3 LED植物生長燈設(shè)計

本文設(shè)計的LED植物生長燈主要運用3組不同的圓環(huán)形LED陣列，各組分別包括9個LED燈，其中有1個藍光燈，其波長為460 nm（±30 nm），將其放置于中心，另有8個紅光燈，其波長為660 nm（±30 nm），將其放置于外圍。整組共有27個LED燈，總功率為27 W。本設(shè)計中，LED植物生長燈需要應(yīng)用較多LED燈，工作期間必然會產(chǎn)生大量熱量，LED植物生長燈溫度迅速升高，這就使得其發(fā)光性能迅速下降。鋁具有良好的散熱功能，同時密度較小，故將其作為LED植物生長燈的散熱板，并配置溫度控制設(shè)備來加強對溫度變化的控制，有效保證LED發(fā)光性能[17-20]。本設(shè)計中，LED光源板能夠經(jīng)由串口實現(xiàn)藍光燈和紅光燈光照強度的控制，滿足不同植物的不同光照強度需求。

本研究設(shè)計的LED植物生長燈投入使用后，蔬果生長周期顯著縮短，產(chǎn)量明顯提高，蔬果甜度有所升高，同時病蟲害問題有效減少。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段，LED植物生長燈是加強室內(nèi)植物光合作用的重要設(shè)備。經(jīng)過深入研究，本文設(shè)計出一種由三組圓形矩陣組成的LED植物生長燈，各組有9個LED燈。這種LED植物生長燈能夠根據(jù)溫度需求來調(diào)整光照強度，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，應(yīng)用成本較低，能夠較好地保證植物的生長發(fā)育，縮短生長周期，有效提高產(chǎn)量。

參考文獻：

[1]李蔚，李新旭，李紅岺，等.植物生長燈不同補光時間對日光溫室番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019（11）：49-50.

[2]羅國軍，黎毅，袁偉，等.低電流條件下LED植物生長燈光源亮度不均的原因分析與解決方案[J].中國照明電器，2019（5）：32-35.

[3]謝濤.智能LED植物生長燈[J].農(nóng)村新技術(shù)，2017（11）：40.

[4]楊光.LED植物生長燈的開發(fā)及應(yīng)用[J].中國照明電器，2017（3）：34-41.

[5]岳崇勤，陳歡，姚力.LED植物生長燈在日光溫室結(jié)球生菜生產(chǎn)的試驗與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2017（2）：92-93.

[6]丁有生.LED植物生長燈應(yīng)用在培育名貴中草藥“鐵皮石斛”的初探[C]//海峽兩岸第二十二屆照明科技與營銷研討會.2015.

[7]王顯紅.LED植物生長燈對冬春茬菜瓜產(chǎn)量的影響[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（10）：53.

[8]張歡.光環(huán)境調(diào)控對植物生長發(fā)育的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[9]耿博，龍家煥，鄭夢影，等.高壓鈉燈與LED燈在植物補光中的應(yīng)用特性分析[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018（8）：71-75.

[10]劉衛(wèi)山.蔬菜增產(chǎn)再添利器：LED植物生長燈[J].農(nóng)業(yè)知識，2016（29）：33-34.

[11]王顯紅.LED植物生長燈對冬春茬黃瓜產(chǎn)量影響初探[J].農(nóng)業(yè)科技通訊，2018（3）：138-139.

[12]陳丹萍，李芳，許振軍.LED植物生長燈的結(jié)構(gòu)及工藝改進[J].科學(xué)與財富，2013（3）：170.

[13]李艷梅，韓韻.LED生長燈提高植物產(chǎn)量品質(zhì)[J].中國花卉園藝，2016（12）：26.

[14]劉淑平，朱月賀.智能LED植物生長燈控制系統(tǒng)的研究[J].中國照明電器，2015（8）：32-34.

[15]劉丹.LED光源對花生以及黃瓜幼苗生長的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[16]趙瑞婷，吳仕強，趙福利.LED燈在油麥菜無土栽培中光源比例的優(yōu)化[C]//2015年中國照明論壇：LED照明產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用與創(chuàng)新論壇.2015.

[17]陳培英.發(fā)光二極管LED在蔬菜種植中的作用研究[J].邢臺學(xué)院學(xué)報，2013（2）：172-173.

[18]張輝，卜雯意，施豪.日光式室內(nèi)植物生長LED燈模型的建立與實現(xiàn)[J].黃山學(xué)院學(xué)報，2018（5）：36-40.

[19]王曉晶，陳曉麗，郭文忠，等.LED綠光對生菜生長和品質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2019（1）：25-32.

[20]王超.冬季LED補充光照對紅豆杉生長發(fā)育的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（12）：7051-7052.