基于單片機的LED水族光源的設計

楊景發 杜明月 裴志彬 李倩 李一男 劉海燕

(1.河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002;2.河北大學 工商學院，河北 保定 071002)

1 引言

生態水族的主角是魚、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，用于水生動植物補光，針對性差、光效低、耗能大、大量發熱影響水溫［1］。發光二極管 (LED)以其高效、多色、窄帶、直流、顯色性好、節能、環保等優點，被認為是未來主要的、較為理想的人工水生動植物補光光源［2］。但目前市場上的LED水族光源，存在光譜和強度被預制固化、不可調、顯色性差、靜態等問題，不能滿足水生動植物對光譜的動態需求，因此，智能LED水族光源成為科學工作者競相研究的重點。

2 設計原理

2.1 觀賞性水草的生長發育對光波段的選擇性吸收

植物是在全譜自然光下進化、生長、成熟。在太陽光譜的可見光的范圍內，在690～780nm、580～690nm、350～530nm之間的光波段是最強的生理活動波段，與植物的葉綠素吸收、光合效率、向光性、光建成的紅光誘導和長波紅光誘導五個主要植物光生化反應作用光譜 (見圖1)是一致的［3］。綠色水草的葉綠素對紅色光和藍色光的吸收能力較強，紅色水草體內的葉黃素和胡羅卜素對綠色和藍色的光譜的吸收能力強。

圖1 五個主要的植物光生化反應作用光譜

2.2 光質對水生動物的生長影響

光作為自然界中重要的生態因子，對動物行為的影響極為明顯。不同的光照強度、光照周期和光譜成分對動物捕食率、新陳代謝、生長發育、繁殖都有一定的影響［4］?？傮w看，觀賞魚對于短波長的光照環境不是很適應，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度不如陽光強，因此建議水族光源強光以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→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組合光源的設計

基于單片機控制的LED水族照明裝置主要包括兩方面設計:硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括LED組合燈具、LED驅動器和電路控制系統三大部分 (結構框圖見圖2)。LED組合燈具由主燈模組和觀賞模組組成，LED采用降壓式恒流驅動方式，電路控制系統用來實現光色、光強和照射時段、時長的分段自動調控。軟件設計采用模塊化程序設計思想，依據光譜柔性組合與調控方法用C語言編寫，并與硬件有機融合，通過鍵盤和GSM網絡兩重方法控制主控器，實現提供水生動植物所需全仿真光譜的功能。

圖2 LED水族照明光源的結構框圖

3.1 LED組合燈具

圖3 LED燈具燈條示意圖

3.1.1 燈具結構設計

根據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［5］。突破傳統的點、線光源技術缺陷，LED組合燈具采用模組式設計，由1組主燈條 (3W的4藍、6白、2紅LED)和1組月光燈條 (1W的4藍、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，配合兩側納米反光條，使光線最大程度的集中于水族箱內，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［6］。

3.1.2 燈具散熱和防水設計

LED水族燈具散熱系統由主動散熱 (涂覆紅外高輻射材料的鋁基板、鋁質側齒散熱燈槽)和被動散熱 (軸流風扇、循環水散熱)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，結構示意圖見圖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、節能環保。

3.2 驅動電路設計

利用SN3352芯片，采用降壓恒流驅動方式完成LED驅動電路的設計。SN3352芯片輸入電壓范圍為6V至40V，輸出電流高達750mA，輸出功率高達30W，集成了溫度補償電路，具有過熱保護和溫度補償功能。通過PWM脈寬調制技術實現芯片開關和調光功能。一個基元的電路原理圖見圖5。

3.3 電路控制系統設計

3.3.1 控制器電路設計

圖4 LED組合燈具的結構示意圖

主控制器以STC89C54RD+單片機為核心，由單片機電路，I/O接口驅動電路，系統參數存儲電路，按鍵電路，LCD顯示電路，GSM遠程控制電路及LED驅動控制電路組成。單片機寫有C語言程序，用于調控并設定LED的驅動電流強度、工作頻率和脈沖寬度，以滿足對光譜柔性調節的需求;單片機電路通過I/O接口、串行數據接口和LED恒流驅動電路、按鍵電路、LCD顯示接口電路、GSM遠程控制電路、數據存儲電路相連接［7］。各組塊有機結合，各司其職，協調合作。

圖5 LED模組驅動電路

3.3.2 GSM遠程控制系統的設計

基于OEM板，使用串口實現與C89C54單片機進行通信。GSM遠程控制系統包括單片機系統芯片、時鐘芯片、看門狗芯片、GSM接口、存儲芯片及驅動芯片［8］(見圖6)。此系統可將用戶的指令信息通過短信的方式傳遞到單片機，然后進行LED燈具燈亮滅及發光顏色遠程控制，具有結構簡單、可靠性高、成本低等特點。

圖6 GSM遠程控制系統結構圖

3.4 系統軟件設計

系統軟件固化在單片機的芯片中，采用模塊化程序設計 (流程圖見圖7)，用C語言編寫，主要包括人機接口 (鍵盤掃描模塊、LCD驅動模塊、GSM遠程控制模塊)，LED控制模塊 (LED驅動電路模塊、LED燈頭模塊)，參數存儲模塊。各模塊各司其能，由主程序統籌協調各模塊依存關系，完成所需的光質、光強、時序控制等各種設置，以期達到操作界面友好，控制效果理想，系統高度穩定的目標。

圖7 程序設計流程圖

3.5 整機設計和制作

智能LED水族照明光源系統由主控箱，LED組合燈具和紫外殺菌燈組成。在制作過程中我們嚴格遵循科學布局，結構嚴謹，務實簡潔的思想，在制作初期設計多種樣機模型，經過多次論證，確定最終的設計結構，嚴格按照機械制作標準制作而成(樣機見圖8)。

圖8 智能LED水族照明光源樣機

4 LED水族照明光源光電特性性能測試

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，光強的空間分布，決定了組合燈具設計時的各色LED管子的排列間隔和補光時的照射距離。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

本研究設計的“LED水族照明光源”的LED組合燈具由大功率的紅色、藍色、白光、綠色LED組合而成。用PMS—50光譜分析系統測量其發射光譜見圖10。

5 結束語

圖10 LED混色譜圖

“智能LED水族照明光源”，采用高亮度、大功率的白色、藍色、紅色、綠色、黃色LED優化搭配而成，采用模組化設計理念，LED燈具由主燈條和月光燈條組成。基于單片機實現光色、光強、照射時長、時段的自動可調，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激反應。在設計中充分應用人文和環保理念，實現了光源的節能高效，這正是將LED推向新領域所進行的積極探索，可以相信“智能LED光源”在大規模水草的品種培育、人工繁殖，觀賞魚工廠化培育、水族園藝、水族館專用補光光源以及特色水族箱等方面進行科學研究和推廣應用，必將帶來巨大的社會效益和經濟效益。

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