太陽能LED植物生長燈的設(shè)計(jì)

趙富強(qiáng)， 陳鳳英，黎　欣，馮　浩，張文婷

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院， 江西南昌　330063；2.南昌航空大學(xué)測試與光電工程學(xué)院大學(xué)物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 江西南昌　330063)

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太陽能LED植物生長燈的設(shè)計(jì)

趙富強(qiáng)1， 陳鳳英2，黎欣2，馮浩2，張文婷2

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院， 江西南昌330063；2.南昌航空大學(xué)測試與光電工程學(xué)院大學(xué)物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 江西南昌330063)

本設(shè)計(jì)由太陽能光伏系統(tǒng)提供電能，運(yùn)用單片機(jī)原理，對植物生長的光強(qiáng)進(jìn)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(lán)光，使植物生長進(jìn)行最大效益的光合作用。該設(shè)計(jì)可改善植物的生長周期，促進(jìn)植物生長。

太陽能光伏系統(tǒng)； 單片機(jī)； LED燈；光合作用

引言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)使用普通電光源補(bǔ)充光照，采用覆蓋彩色塑料薄膜等技術(shù)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(dǎo)致光質(zhì)處理不純、接近或低于植物的光補(bǔ)償點(diǎn)；照射光源能效低；連續(xù)陰雨天氣時(shí)植物不能進(jìn)行有效的光合作用等。本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法

1.1總體設(shè)計(jì)

太陽能LED植物生長燈總體框架圖如圖1所示 ，以單片機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)

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(qiáng)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(jī)[2]。單片機(jī)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(guān)作用。R2和R3結(jié)合起來給CMOS管(60N60)提供柵源電壓，單片機(jī)接收光強(qiáng)信號通過控制輸出PWM波形的占空比，經(jīng)開關(guān)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(gè)二極管)電流的大小，進(jìn)而控制LED的功率，改變LED燈的亮度。同時(shí)單片機(jī)可控制12264LCD顯示屏，將系統(tǒng)的當(dāng)前紅藍(lán)光比例的狀態(tài)顯示出來，并增加12個(gè)按鍵，用戶可以通過按鍵輸入相應(yīng)的指令，來控制系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換，從而使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。開關(guān)電源的12V電壓和CMOS管的5V電壓等整個(gè)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(shè)計(jì)

該軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：1)編寫單片機(jī)接受光敏電阻感應(yīng)光強(qiáng)信息后的程序，通過濾波電路和開關(guān)電源把相應(yīng)頻率的電流通過場效應(yīng)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(qiáng)；2)編寫好紅藍(lán)光比例(如：5∶1、6∶1……12∶1)的程序輸入到單片機(jī)[4]，通過延時(shí)(電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間12s)程序，在12V電機(jī)地帶動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)LED(16組，2藍(lán)14紅，每組24個(gè)二極管)燈頭旋轉(zhuǎn)90°(3s)對應(yīng)一種植物，同時(shí)單片機(jī)控制12264LCD顯示屏，將系統(tǒng)的當(dāng)前紅藍(lán)光比例的狀態(tài)顯示出來，對不同植物進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(lán)色)的光線以及610～720nm(紅色)對于光合作用貢獻(xiàn)最大。藍(lán)色光有助于植物光合作用能促進(jìn)綠葉生長，蛋白質(zhì)合成，果實(shí)形成；紅色光能促進(jìn)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(lán)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(lán)LED比例一般在4∶1～9∶1之間為宜，通?？蛇x6∶1～9∶1。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)光譜的特性對植物最有效光合作用而進(jìn)行紅藍(lán)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(lán)光，因此傳統(tǒng)燈大部分光能都浪費(fèi)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(lán)光，因此效率極高[6]。另一個(gè)原因就是傳統(tǒng)的鈉燈光譜里面缺少藍(lán)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(bǔ)光效果都比LED植物生長燈差很多。

2　實(shí)物模型制作

設(shè)計(jì)中LED植物生長燈進(jìn)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(yùn)行成本大大降低[7]。例如兩個(gè)光合作用系統(tǒng)：一個(gè)接收太陽光的光照進(jìn)行光合作用，一個(gè)接收太陽光和LED不同光線強(qiáng)弱及不同比例的紅藍(lán)光，其他條件都相同，觀察這兩個(gè)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(shí)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(shí)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(chǔ)上，通過我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)成本比較低、結(jié)構(gòu)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(xué)磊,等. 植物照明的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J]. 照明工程學(xué)報(bào),2013,24(4):1-7.

[2] 江磊,劉木清. LED驅(qū)動(dòng)及控制研究新進(jìn)展[J]. 照明工程學(xué)報(bào),2014,25(2):1-9.

[3] 劉彤,劉雯,馬建設(shè). 可調(diào)紅藍(lán)光子比例的LED植物光源配光設(shè)計(jì)方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),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(shù)前景研究[C]//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)(CSAE),2011.

[5] 胡永逵,鮑順淑,楊其長. LED在設(shè)施園藝中的應(yīng)用系列(六) LED與太陽能光伏結(jié)合在人工光植物工廠的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(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(shè)計(jì)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(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 電氣應(yīng)用,2007,10:6-10.

[8] 孫萌,余方召,周榮玲,等. 節(jié)能燈及LED燈的負(fù)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(xué)教改基金資助(No.JY1220)，南昌航空大學(xué)大學(xué)生第八屆三小“基地項(xiàng)目”基金資助(No.SXJD14)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.027