基于單片機(jī)的LED水族光源的設(shè)計(jì)

　　摘要： 基于水生動(dòng)植物是在全譜太陽(yáng)光下進(jìn)化、生長(zhǎng)，選擇性接收各種平衡光質(zhì)的事實(shí)，確定了智能LED 水族光源的光譜主輻射區(qū)； 采用模組化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱設(shè)計(jì)，完成了LED 組合燈具設(shè)計(jì)； 模擬自然陽(yáng)光的照射規(guī)律，基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時(shí)段、時(shí)長(zhǎng)的分段自動(dòng)調(diào)控； 研制出智能LED 水族照明光源，用于水族照明，針對(duì)性強(qiáng)，光效高，顯色性好，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

　　1 引言

　　生態(tài)水族的主角是魚(yú)、水草，視覺(jué)欣賞是其主要功能。光照是其首要解決的三大技術(shù)問(wèn)題之一。

　　常用的水族照明光源主要有熒光燈、水銀燈、鹵鎢燈等，但其發(fā)射光譜與水生物選擇性吸收光譜不匹配，用于水生動(dòng)植物補(bǔ)光，針對(duì)性差、光效低、耗能大、大量發(fā)熱影響水溫。發(fā)光二極管（ LED）以其高效、多色、窄帶、直流、顯色性好、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)主要的、較為理想的人工水生動(dòng)植物補(bǔ)光光源。但目前市場(chǎng)上的LED 水族光源，存在光譜和強(qiáng)度被預(yù)制固化、不可調(diào)、顯色性差、靜態(tài)等問(wèn)題，不能滿足水生動(dòng)植物對(duì)光譜的動(dòng)態(tài)需求，因此，智能LED 水族光源成為科學(xué)工作者競(jìng)相研究的重點(diǎn)。

　　2 設(shè)計(jì)原理

　　2. 1 觀賞性水草的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光波段的選擇性吸收

　　植物是在全譜自然光下進(jìn)化、生長(zhǎng)、成熟。在太陽(yáng)光譜的可見(jiàn)光的范圍內(nèi)，在690 ~ 780nm、580~ 690nm、350 ~ 530nm 之間的光波段是最強(qiáng)的生理活動(dòng)波段，與植物的葉綠素吸收、光合效率、向光性、光建成的紅光誘導(dǎo)和長(zhǎng)波紅光誘導(dǎo)五個(gè)主要植物光生化反應(yīng)作用光譜（ 見(jiàn)圖1） 是一致的。綠色水草的葉綠素對(duì)紅色光和藍(lán)色光的吸收能力較強(qiáng)，紅色水草體內(nèi)的葉黃素和胡羅卜素對(duì)綠色和藍(lán)色的光譜的吸收能力強(qiáng)。

　　圖1 五個(gè)主要的植物光生化反應(yīng)作用光譜

　　2. 2 光質(zhì)對(duì)水生動(dòng)物的生長(zhǎng)影響。

　　光作為自然界中重要的生態(tài)因子，對(duì)動(dòng)物行為的影響極為明顯。不同的光照強(qiáng)度、光照周期和光譜成分對(duì)動(dòng)物捕食率、新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖都有一定的影響?？傮w看，觀賞魚(yú)對(duì)于短波長(zhǎng)的光照環(huán)境不是很適應(yīng)，隨著波長(zhǎng)的增加，魚(yú)的生長(zhǎng)速度也逐漸提高。

　　2. 3 光周期對(duì)水生物生長(zhǎng)影響

　　自然界陽(yáng)光的強(qiáng)光時(shí)段約在10： 00 ~ 15： 00，照射時(shí)間約5 ~ 6h，考慮人工光源光的強(qiáng)度不如陽(yáng)光強(qiáng)，因此建議水族光源強(qiáng)光以6 ~ 8 小時(shí)的照明為宜，且以分段照明的方式：“10% 光量× 1h-80%光量× 6h-20% 光量× 1h”為佳，即光量以“弱→中→強(qiáng)→中→弱”的照明時(shí)段，用電源時(shí)序器控制開(kāi)燈、熄燈的時(shí)間，使得光照能符合水生物生長(zhǎng)的光周期。

　　3 水族照明LED 組合光源的設(shè)計(jì)

　　基于單片機(jī)控制的LED 水族照明裝置主要包括兩方面設(shè)計(jì)： 硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括LED 組合燈具、LED 驅(qū)動(dòng)器和電路控制系統(tǒng)三大部分（ 結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2） .LED 組合燈具由主燈模組和觀賞模組組成， LED 采用降壓式恒流驅(qū)動(dòng)方式，電路控制系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時(shí)段、時(shí)長(zhǎng)的分段自動(dòng)調(diào)控。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，依據(jù)光譜柔性組合與調(diào)控方法用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，并與硬件有機(jī)融合，通過(guò)鍵盤(pán)和GSM 網(wǎng)絡(luò)兩重方法控制主控器，實(shí)現(xiàn)提供水生動(dòng)植物所需全仿真光譜的功能。

　　圖2 LED 水族照明光源的結(jié)構(gòu)框圖

　　3. 1 LED 組合燈具

　　3. 1. 1 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)水生動(dòng)植物對(duì)光選擇性吸收的事實(shí)，確定了“LED 水族照明光源”的主光譜輻射區(qū)。突破傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源技術(shù)缺陷，LED 組合燈具采用模組式設(shè)計(jì)，由1 組主燈條（ 3W 的4 藍(lán)、6 白、2 紅LED） 和1 組月光燈條（ 1W 的4 藍(lán)、3 紅、2 綠、1黃、1 三基色LED） 組成（ 見(jiàn)圖3） 。每個(gè)燈珠裝配30°聚光帽，配合兩側(cè)納米反光條，使光線最大程度的集中于水族箱內(nèi)，由于燈具是點(diǎn)射光，水面的波紋折射出陰影，可模擬大自然波光粼粼的效果。

　　圖3 LED 燈具燈條示意圖