微藻組培LED智能照明系統設計＊

陳 偉，陳晨遠，余杰玲，沈晨航

（中國計量大學，浙江 杭州310018）

微藻分布廣、環境適應性強、生長周期短、油脂產量高，被認為是一種極具潛力的生物質清潔能源來源。光照是微藻植物生長的必備條件，同時它是一個復雜的生態因子，主要包括光照周期、光照強度和光譜組成等方面的因素[1]。LED照明具有低能耗、污染小等優點，且易于進行智能控制，是優質的人工組培微藻光源。近年來，有多個針對光周期、光強和光譜配比三個因素單一作用下對微藻生長影響的研究，例如，陳曉娣等人研究了LED復合光譜對柵藻等4種淡水微藻的影響，發現了光質的紅藍比對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斜生柵藻油脂積累有不同的影響[3]。

本文針對光照周期、光照強度、光譜分布三個影響光質的因素，設計了一種用于微藻植物組培的LED智能照明系統。該系統可以產生微藻在不同生長階段所需的不同光質組合，從而提高微藻的生長速率和油脂產量，同時降低組培的成本，使得微藻能夠更加廣泛地應用到能源方面。

1 系統總體方案設計

用于微藻組培的LED智能照明系統由光照檢測、微處理器，外設按鍵、LED陣列，LED驅動3個模塊組成。光照檢測采用光電探測器，探測其周圍的光環境信息傳遞給微處理器。微處理器部分采用STM32F103系列單片機，可根據周圍的光環境信息將調節指令發送至控制芯片，同時單片機中的定時程序可以對微藻生長過程中的光照周期進行調控。微處理器與外接按鍵相連，通過控制PWM波的占空比，為不同藻類植物生長設定不同的紅藍光譜配比初始值。利用PAM2861驅動芯片結合STM32單片機，通過PWM信號的生成與修正，實現LED光照強度的調節。LED陣列包括紅、藍、白三種光源的燈珠，按照一定比例等距排布，受驅動模塊所控制，承擔系統的照明功能。

通過以上設計，本照明系統可基于光照周期、光照強度和光譜配比三個因素實現微藻智能組培。

系統總體方案設計如圖1所示。

圖1 照明系統設計示意圖

2 系統硬件方案設計

2.1 光照檢測模塊

光照檢測模塊選用探測范圍為0～50000lx，精度為±0.1%的光電探測器，經放大電路和ADC0809采集芯片處理后傳輸至微處理器。另設一個光電探測器接收微藻生長過程中外界自然光光照強度的變化。光電探測器將感應的光強信號傳送至微處理器后進行參數修正，計算出所需人工補光的光照清單，產生調節3種LED燈珠亮度的PWM信號并送入LED驅動控制器，進而實現對光照強度的反饋調節，以滿足微藻植物不同生長階段對光照的不同需求。光照檢測模塊原理如圖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單片機為核心，芯片配置通用16位定時器、PWM定時器和豐富的I/O接口，根據檢測模塊所采集的光強信息與預設數值相比對，計算對應的PWM信號占空比并輸出，進而控制LED驅動模塊完成光照強度的改變。

編寫STM32單片機中的定時程序，以控制LED燈的亮滅時間。通過外接4個按鍵設置PWM波的占空比，或利用上位機、藍牙、APP來控制PWM波的占空比，進而為不同藻類植物生長設定不同的紅藍光譜配比初始值。

圖2 光照檢測模塊原理示意圖

2.3 LED陣列與驅動

LED驅動采用PAM2861芯片、電感L和采樣電阻Rs1構成一個自振蕩的連續電感電流模式的LED驅動控制器，輸出恒定的工作電流。LED陣列由峰值波長分別在640～660nm、440～460nm的紅、藍LED燈珠以及白光燈珠構成，數目比例設置為2∶1∶1～5∶1∶1，可以提供寬范圍的紅藍光譜組合，并利用白光平衡自然光。三種燈珠等間隔同高度交替獨立分布，利用zemax仿真設計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 系統軟件設計

系統軟件流程如圖3所示。以24h為一個完整的亮暗周期，系統接入電源后，根據微藻種類選擇相應的光譜配比并設定參數，控制電路提供適宜該類微藻生長的光照強度。在生長過程中，光電探測器獲取光照變化并將信息反饋回控制電路，計算并改變PWM波的占空比，控制恒流驅動電路，實現光照強度的調節。系統同時計算光照時間來達到相應的亮暗周期。系統依此不斷循環提供微藻生長的照明環境，直至外界斷開電源。

圖3 照明系統工作流程圖

4 結語

本文設計的用于微藻組培的LED智能照明系統，具有可變光照周期、光照強度和光譜配比的功能，并且利用閉環反饋調節微藻在不同生長階段所需的不同光質組合。該系統使用LED獨立燈珠結構，實現對發光光譜的調節與混合，同時提高了微藻受光面的光譜均勻性。通過本系統能夠提高微藻的生長速率和油脂產量，同時降低組培的成本，使得微藻能夠更加廣泛地應用到能源方面。