微藻組培LED智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

陳 偉，陳晨遠(yuǎn)，余杰玲，沈晨航

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州310018）

微藻分布廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、油脂產(chǎn)量高，被認(rèn)為是一種極具潛力的生物質(zhì)清潔能源來(lái)源。光照是微藻植物生長(zhǎng)的必備條件，同時(shí)它是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)因子，主要包括光照周期、光照強(qiáng)度和光譜組成等方面的因素[1]。LED照明具有低能耗、污染小等優(yōu)點(diǎn)，且易于進(jìn)行智能控制，是優(yōu)質(zhì)的人工組培微藻光源。近年來(lái)，有多個(gè)針對(duì)光周期、光強(qiáng)和光譜配比三個(gè)因素單一作用下對(duì)微藻生長(zhǎng)影響的研究，例如，陳曉娣等人研究了LED復(fù)合光譜對(duì)柵藻等4種淡水微藻的影響，發(fā)現(xiàn)了光質(zhì)的紅藍(lán)比對(duì)于不同的微藻植物影響不同[2]。彭文琴研究了不同光照周期對(duì)斜生柵藻油脂積累有不同的影響[3]。

本文針對(duì)光照周期、光照強(qiáng)度、光譜分布三個(gè)影響光質(zhì)的因素，設(shè)計(jì)了一種用于微藻植物組培的LED智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以產(chǎn)生微藻在不同生長(zhǎng)階段所需的不同光質(zhì)組合，從而提高微藻的生長(zhǎng)速率和油脂產(chǎn)量，同時(shí)降低組培的成本，使得微藻能夠更加廣泛地應(yīng)用到能源方面。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

用于微藻組培的LED智能照明系統(tǒng)由光照檢測(cè)、微處理器，外設(shè)按鍵、LED陣列，LED驅(qū)動(dòng)3個(gè)模塊組成。光照檢測(cè)采用光電探測(cè)器，探測(cè)其周?chē)墓猸h(huán)境信息傳遞給微處理器。微處理器部分采用STM32F103系列單片機(jī)，可根據(jù)周?chē)墓猸h(huán)境信息將調(diào)節(jié)指令發(fā)送至控制芯片，同時(shí)單片機(jī)中的定時(shí)程序可以對(duì)微藻生長(zhǎng)過(guò)程中的光照周期進(jìn)行調(diào)控。微處理器與外接按鍵相連，通過(guò)控制PWM波的占空比，為不同藻類(lèi)植物生長(zhǎng)設(shè)定不同的紅藍(lán)光譜配比初始值。利用PAM2861驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)合STM32單片機(jī)，通過(guò)PWM信號(hào)的生成與修正，實(shí)現(xiàn)LED光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。LED陣列包括紅、藍(lán)、白三種光源的燈珠，按照一定比例等距排布，受驅(qū)動(dòng)模塊所控制，承擔(dān)系統(tǒng)的照明功能。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，本照明系統(tǒng)可基于光照周期、光照強(qiáng)度和光譜配比三個(gè)因素實(shí)現(xiàn)微藻智能組培。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 光照檢測(cè)模塊

光照檢測(cè)模塊選用探測(cè)范圍為0～50000lx，精度為±0.1%的光電探測(cè)器，經(jīng)放大電路和ADC0809采集芯片處理后傳輸至微處理器。另設(shè)一個(gè)光電探測(cè)器接收微藻生長(zhǎng)過(guò)程中外界自然光光照強(qiáng)度的變化。光電探測(cè)器將感應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)傳送至微處理器后進(jìn)行參數(shù)修正，計(jì)算出所需人工補(bǔ)光的光照清單，產(chǎn)生調(diào)節(jié)3種LED燈珠亮度的PWM信號(hào)并送入LED驅(qū)動(dòng)控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度的反饋調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足微藻植物不同生長(zhǎng)階段對(duì)光照的不同需求。光照檢測(cè)模塊原理如圖2所示。

2.2 微處理器與按鍵模塊

微處理器模塊以可編程STM32單片機(jī)為核心，芯片配置通用16位定時(shí)器、PWM定時(shí)器和豐富的I/O接口，根據(jù)檢測(cè)模塊所采集的光強(qiáng)信息與預(yù)設(shè)數(shù)值相比對(duì)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)占空比并輸出，進(jìn)而控制LED驅(qū)動(dòng)模塊完成光照強(qiáng)度的改變。

編寫(xiě)STM32單片機(jī)中的定時(shí)程序，以控制LED燈的亮滅時(shí)間。通過(guò)外接4個(gè)按鍵設(shè)置PWM波的占空比，或利用上位機(jī)、藍(lán)牙、APP來(lái)控制PWM波的占空比，進(jìn)而為不同藻類(lèi)植物生長(zhǎng)設(shè)定不同的紅藍(lán)光譜配比初始值。

圖2 光照檢測(cè)模塊原理示意圖

2.3 LED陣列與驅(qū)動(dòng)

LED驅(qū)動(dòng)采用PAM2861芯片、電感L和采樣電阻Rs1構(gòu)成一個(gè)自振蕩的連續(xù)電感電流模式的LED驅(qū)動(dòng)控制器，輸出恒定的工作電流。LED陣列由峰值波長(zhǎng)分別在640～660nm、440～460nm的紅、藍(lán)LED燈珠以及白光燈珠構(gòu)成，數(shù)目比例設(shè)置為2∶1∶1～5∶1∶1，可以提供寬范圍的紅藍(lán)光譜組合，并利用白光平衡自然光。三種燈珠等間隔同高度交替獨(dú)立分布，利用zemax仿真設(shè)計(jì)二次配光透鏡并消除像差，LED燈珠位于透鏡組的物方焦平面處，以提高光照平面上的光量子流密度和光照均勻度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。以24h為一個(gè)完整的亮暗周期，系統(tǒng)接入電源后，根據(jù)微藻種類(lèi)選擇相應(yīng)的光譜配比并設(shè)定參數(shù)，控制電路提供適宜該類(lèi)微藻生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度。在生長(zhǎng)過(guò)程中，光電探測(cè)器獲取光照變化并將信息反饋回控制電路，計(jì)算并改變PWM波的占空比，控制恒流驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)同時(shí)計(jì)算光照時(shí)間來(lái)達(dá)到相應(yīng)的亮暗周期。系統(tǒng)依此不斷循環(huán)提供微藻生長(zhǎng)的照明環(huán)境，直至外界斷開(kāi)電源。

圖3 照明系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的用于微藻組培的LED智能照明系統(tǒng)，具有可變光照周期、光照強(qiáng)度和光譜配比的功能，并且利用閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)微藻在不同生長(zhǎng)階段所需的不同光質(zhì)組合。該系統(tǒng)使用LED獨(dú)立燈珠結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光光譜的調(diào)節(jié)與混合，同時(shí)提高了微藻受光面的光譜均勻性。通過(guò)本系統(tǒng)能夠提高微藻的生長(zhǎng)速率和油脂產(chǎn)量，同時(shí)降低組培的成本，使得微藻能夠更加廣泛地應(yīng)用到能源方面。