LED植物生長燈的設(shè)計(jì)

覃文奇

摘 要：基于LED的發(fā)光原理和植物生理活動(dòng)特性，本研究設(shè)計(jì)了一種LED植物生長燈。經(jīng)過對比，本設(shè)計(jì)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(jìn)行光亮調(diào)節(jié)，滿足不同植物在不同時(shí)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(jì)

中圖分類號：Q94-33文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)用點(diǎn)光源進(jìn)行光照補(bǔ)充時(shí)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)普遍使用電光源，同時(shí)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(jìn)植物生長發(fā)育，卻存在光照度低于光補(bǔ)償點(diǎn)、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(shí)，植物無法有效進(jìn)行光合作用[4-6]。因此，有必要設(shè)計(jì)一種新型植物生長燈。本研究結(jié)合植物生長的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(yùn)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(shí)，電子會(huì)被快速推向P區(qū)，此時(shí)PN結(jié)就會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)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(jì)最終采用1 W大功率的藍(lán)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(lán)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(jì)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(jì)

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

2 LED植物照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)載連接方式

本設(shè)計(jì)主要采取負(fù)載的連接設(shè)計(jì)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(yùn)作。本設(shè)計(jì)改進(jìn)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(dòng)電路

2.2.1 恒流驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路加入過載保護(hù)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(shí)間內(nèi)因?yàn)殡娏魃叨鵁龤?。因此，不少廠商喜歡運(yùn)用這種LED驅(qū)動(dòng)方式。但是，恒流驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)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(dòng)電路方式，主要是在直流供電LED回路串接一個(gè)電阻，通過調(diào)節(jié)電阻值來控制LED亮度。電阻值（[R]）的計(jì)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(jì)確定采用大功率（1 W）的LED，因此，[V]的實(shí)際值為3.3 V，[I]的實(shí)際值為350 mA。

電阻限流電路設(shè)計(jì)非常簡單，成本較低，但同時(shí)缺點(diǎn)非常突出。在電源電壓出現(xiàn)變化時(shí)，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(shí)際運(yùn)用中很難實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 恒壓驅(qū)動(dòng)。恒壓驅(qū)動(dòng)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(huì)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(huì)使得PN節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，非常適合應(yīng)用于對LED燈的控制，其主要通過對斷開時(shí)間和導(dǎo)通進(jìn)行控制，有效調(diào)節(jié)LED光照強(qiáng)度。利用PWM技術(shù)進(jìn)行方波調(diào)節(jié)時(shí)，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(dòng)LED電路

本設(shè)計(jì)以臺灣點(diǎn)晶（SITI）公司開發(fā)的DD312作為LED植物生長燈的恒流驅(qū)動(dòng)芯片。這種芯片擁有強(qiáng)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(dá)到1 A，此時(shí)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(jìn)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(hù)、過熱報(bào)警、對LED開路實(shí)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(shí)攜帶溫度保護(hù)器。

在恒流驅(qū)動(dòng)中，本設(shè)計(jì)采用DD312來作為整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路的芯片，合理運(yùn)用PWM技術(shù)，有效加強(qiáng)對紅光燈和藍(lán)光燈照強(qiáng)度的控制。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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(shí)，LED光照電源模塊的電壓則被設(shè)定為12 V。另外，運(yùn)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(jì)

本文設(shè)計(jì)的LED植物生長燈主要運(yùn)用3組不同的圓環(huán)形LED陣列，各組分別包括9個(gè)LED燈，其中有1個(gè)藍(lán)光燈，其波長為460 nm（±30 nm），將其放置于中心，另有8個(gè)紅光燈，其波長為660 nm（±30 nm），將其放置于外圍。整組共有27個(gè)LED燈，總功率為27 W。本設(shè)計(jì)中，LED植物生長燈需要應(yīng)用較多LED燈，工作期間必然會(huì)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(shí)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(qiáng)對溫度變化的控制，有效保證LED發(fā)光性能[17-20]。本設(shè)計(jì)中，LED光源板能夠經(jīng)由串口實(shí)現(xiàn)藍(lán)光燈和紅光燈光照強(qiáng)度的控制，滿足不同植物的不同光照強(qiáng)度需求。

本研究設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)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(jì)出一種由三組圓形矩陣組成的LED植物生長燈，各組有9個(gè)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(qiáng)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。

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