基于單片機(jī)的LED水族光源的設(shè)計 - 全文

　　摘要： 基于水生動植物是在全譜太陽光下進(jìn)化、生長，選擇性接收各種平衡光質(zhì)的事實，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)計理念，通過主動散熱和被動散熱設(shè)計，完成了LED 組合燈具設(shè)計； 模擬自然陽光的照射規(guī)律，基于單片機(jī)實現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時段、時長的分段自動調(diào)控； 研制出智能LED 水族照明光源，用于水族照明，針對性強(qiáng)，光效高，顯色性好，市場應(yīng)用前景廣闊。

　　1 引言

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

　　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，用于水生動植物補(bǔ)光，針對性差、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，被認(rèn)為是未來主要的、較為理想的人工水生動植物補(bǔ)光光源。但目前市場上的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)等問題，不能滿足水生動植物對光譜的動態(tài)需求，因此，智能LED 水族光源成為科學(xué)工作者競相研究的重點。

　　2 設(shè)計原理

　　2. 1 觀賞性水草的生長發(fā)育對光波段的選擇性吸收

　　植物是在全譜自然光下進(jìn)化、生長、成熟。在太陽光譜的可見光的范圍內(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)和長波紅光誘導(dǎo)五個主要植物光生化反應(yīng)作用光譜（ 見圖1） 是一致的。綠色水草的葉綠素對紅色光和藍(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綠色和藍(lán)色的光譜的吸收能力強(qiáng)。

　　圖1 五個主要的植物光生化反應(yīng)作用光譜

　　2. 2 光質(zhì)對水生動物的生長影響。

　　光作為自然界中重要的生態(tài)因子，對動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動物捕食率、新陳代謝、生長發(fā)育、繁殖都有一定的影響?？傮w看，觀賞魚對于短波長的光照環(huán)境不是很適應(yīng)，隨著波長的增加，魚的生長速度也逐漸提高。

　　2. 3 光周期對水生物生長影響

　　自然界陽光的強(qiáng)光時段約在10： 00 ~ 15： 00，照射時間約5 ~ 6h，考慮人工光源光的強(qiáng)度不如陽光強(qiáng)，因此建議水族光源強(qiáng)光以6 ~ 8 小時的照明為宜，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”的照明時段，用電源時序器控制開燈、熄燈的時間，使得光照能符合水生物生長的光周期。

　　3 水族照明LED 組合光源的設(shè)計

　　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： 硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要包括LED 組合燈具、LED 驅(qū)動器和電路控制系統(tǒng)三大部分（ 結(jié)構(gòu)框圖見圖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)動方式，電路控制系統(tǒng)用來實現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時段、時長的分段自動調(diào)控。軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計思想，依據(jù)光譜柔性組合與調(diào)控方法用C 語言編寫，并與硬件有機(jī)融合，通過鍵盤和GSM 網(wǎng)絡(luò)兩重方法控制主控器，實現(xiàn)提供水生動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

　　根據(jù)水生動植物對光選擇性吸收的事實，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、線光源技術(shù)缺陷，LED 組合燈具采用模組式設(shè)計，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（ 見圖3） 。每個燈珠裝配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

　　3. 1. 2 燈具散熱和防水設(shè)計

　　LED 水族燈具散熱系統(tǒng)由主動散熱（ 涂覆紅外高輻射材料的鋁基板、鋁質(zhì)側(cè)齒散熱燈槽） 和被動散熱（ 軸流風(fēng)扇、循環(huán)水散熱） 組成，PCB 鋁基板焊接后涂刷防水漆，燈組下方裝高透光亞克力擋板，結(jié)構(gòu)示意圖見圖4.解決了大功率LED 燈具的散熱、防水問題， 使得LED 組合光源更加高效、節(jié)能環(huán)保。

　　1—亞克力玻璃; 2—燈箱; 3—LED 燈珠; 4—鋁基PCB 板;

　　5—鋁質(zhì)側(cè)齒散熱燈槽; 6—循環(huán)水散熱器;

　　7—線路板; 8—燈箱頂蓋; 9—風(fēng)扇

　　圖4 LED 組合燈具的結(jié)構(gòu)示意圖

　　3. 2 驅(qū)動電路設(shè)計

　　利用SN3352 芯片，采用降壓恒流驅(qū)動方式完成LED 驅(qū)動電路的設(shè)計。SN3352 芯片輸入電壓范圍為6V 至40V， 輸出電流高達(dá)750mA， 輸出功率高達(dá)30W，集成了溫度補(bǔ)償電路，具有過熱保護(hù)和溫度補(bǔ)償功能。通過PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)芯片開關(guān)和調(diào)光功能。一個基元的電路原理圖見圖5.

　　圖5 LED 模組驅(qū)動電路

　　3. 3 電路控制系統(tǒng)設(shè)計

　　3. 3. 1 控制器電路設(shè)計

　　主控制器以STC89C54RD + 單片機(jī)為核心， 由單片機(jī)電路，I /O 接口驅(qū)動電路，系統(tǒng)參數(shù)存儲電路，按鍵電路，LCD 顯示電路，GSM 遠(yuǎn)程控制電路及LED 驅(qū)動控制電路組成。單片機(jī)寫有C 語言程序，用于調(diào)控并設(shè)定LED 的驅(qū)動電流強(qiáng)度、工作頻率和脈沖寬度，以滿足對光譜柔性調(diào)節(jié)的需求； 單片機(jī)電路通過I /O 接口、串行數(shù)據(jù)接口和LED 恒流驅(qū)動電路、按鍵電路、LCD 顯示接口電路、GSM 遠(yuǎn)程控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路相連接。各組塊有機(jī)結(jié)合，各司其職，協(xié)調(diào)合作。

　　3. 3. 2 GSM 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　基于OEM 板，使用串口實現(xiàn)與C89C54 單片機(jī)進(jìn)行通信。GSM 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)芯片、時鐘芯片、看門狗芯片、GSM 接口、存儲芯片及驅(qū)動芯片（ 見圖6） 。此系統(tǒng)可將用戶的指令信息通過短信的方式傳遞到單片機(jī)，然后進(jìn)行LED 燈具燈亮滅及發(fā)光顏色遠(yuǎn)程控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低等特點。

　　圖6 GSM 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3. 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件固化在單片機(jī)的芯片中，采用模塊化程序設(shè)計（ 流程圖見圖7） ，用C 語言編寫，主要包括人機(jī)接口（ 鍵盤掃描模塊、LCD 驅(qū)動模塊、GSM遠(yuǎn)程控制模塊） ，LED 控制模塊（ LED 驅(qū)動電路模塊、LED 燈頭模塊） ，參數(shù)存儲模塊。各模塊各司其能，由主程序統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各模塊依存關(guān)系，完成所需的光質(zhì)、光強(qiáng)、時序控制等各種設(shè)置，以期達(dá)到操作界面友好，控制效果理想，系統(tǒng)高度穩(wěn)定的目標(biāo)。

　　圖7 程序設(shè)計流程圖

　　3. 5 整機(jī)設(shè)計和制作

　　智能LED 水族照明光源系統(tǒng)由主控箱，LED 組合燈具和紫外殺菌燈組成。在制作過程中我們嚴(yán)格遵循科學(xué)布局，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，務(wù)實簡潔的思想，在制作初期設(shè)計多種樣機(jī)模型，經(jīng)過多次論證，確定最終的設(shè)計結(jié)構(gòu)， 嚴(yán)格按照機(jī)械制作標(biāo)準(zhǔn)制作而成（ 樣機(jī)見圖8）。

　　圖8 智能LED 水族照明光源樣機(jī)

　　4 LED 水族照明光源光電特性性

　　4. 1 水族照明光源的亮度測試

　　在距離水族照明光源前方5m 處， 用CX-2A成像亮度計分別測試四種照射模式的水族照明光源的亮度分布（ 見圖9 ） ， 測試可知， 光強(qiáng)的空間分布，決定了組合燈具設(shè)計時的各色LED 管子的排列間隔和補(bǔ)光時的照射距離。同距離處LED 因功率、光色的不同而亮度不同，正好可以模擬波光粼粼的效果。

　　圖9 LED 組合燈具亮度

　　4. 2 水族照明光源的光譜測試

　　本研究設(shè)計的“LED 水族照明光源”的LED組合燈具由大功率的紅色、藍(lán)色、白光、綠色LED組合而成。用PMS-50 光譜分析系統(tǒng)測量其發(fā)射光譜見圖10.

　　圖10 LED 混色譜圖

　　5 結(jié)束語

　　“智能LED 水族照明光源”，采用高亮度、大功率的白色、藍(lán)色、紅色、綠色、黃色LED 優(yōu)化搭配而成，采用模組化設(shè)計理念，LED 燈具由主燈條和月光燈條組成?；趩纹瑱C(jī)實現(xiàn)光色、光強(qiáng)、照射時長、時段的自動可調(diào)，滿足了水生動植物對光的選擇性吸收和人們的視覺觀賞要求，同時很好的解決了魚對光的應(yīng)激反應(yīng)。在設(shè)計中充分應(yīng)用人文和環(huán)保理念，實現(xiàn)了光源的節(jié)能高效，這正是將LED推向新領(lǐng)域所進(jìn)行的積極探索， 可以相信“智能LED 光源”在大規(guī)模水草的品種培育、人工繁殖，觀賞魚工廠化培育、水族園藝、水族館專用補(bǔ)光光源以及特色水族箱等方面進(jìn)行科學(xué)研究和推廣應(yīng)用，必將帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。