LED植物生長燈的設計

覃文奇

摘 要：基于LED的發光原理和植物生理活動特性，本研究設計了一種LED植物生長燈。經過對比，本設計采用圓環形陣列組合，配置DD312作為恒流源的控制芯片，利用脈沖寬度調制技術來進行光亮調節，滿足不同植物在不同時段的光照需求，以期提升植物產量，縮短生長周期。

關鍵詞：植物生長燈;LED;設計

中圖分類號：Q94-33文獻標識碼：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

在運用點光源進行光照補充時，傳統農業普遍使用電光源，同時配合采用塑料薄膜覆蓋技術，有效調控栽培環境，促進植物生長發育，卻存在光照度低于光補償點、光質處理不純等問題[1-3]。在遭遇持續性的陰雨天氣時，植物無法有效進行光合作用[4-6]。因此，有必要設計一種新型植物生長燈。本研究結合植物生長的特點，設計出一套LED植物生長燈，旨在解決傳統電光源存在的問題。

1 LED的發光原理及選擇

1.1 LED的發光原理

LED又被稱為發光二極管，是一種全新的節能器件，能夠有效克服傳統光源壽命短、能耗大、發熱量高等缺陷，被廣泛運用到信號指示、照明以及背光技術等領域[7-10]。LED的核心發光器件主要分為兩部分，即N型半導體、P型號半導體晶片，二者交匯的區域被稱為PN結。電流通過LED兩端時，電子會被快速推向P區，此時PN結就會呈現出一個空穴和電子復合的狀態，并釋放能量，部分能量以光的方式向外輻射，快速轉變為光能[11-13]。簡單來說，LED的發光原理就是電能與光能相互轉化的過程。

1.2 LED光源的選擇

結合LED植物生長燈的市場需求，本設計最終采用1 W大功率的藍色、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，相關參數如表1所示。

由表1可以看出，LED光源的藍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，說明本設計選取的LED光源能夠較好地滿足植物光合作用的需求。

1.3 LED陣列組合設計

本研究設計的矩陣采用圓環形陣列，主要由多個LED等組成一個圓環形的發光圈。

2 LED植物照明控制系統設計

2.1 負載連接方式

本設計主要采取負載的連接設計方案，故串聯連接具有更高的優勢。在傳統串聯電路中，如果有LED持出現短路或斷開，LED燈就無法正常運作。本設計改進了串聯方式，LED兩端配有一定電阻，具體串聯方式如圖1所示。

2.2 LED驅動電路

2.2.1 恒流驅動電路。這種驅動電路可以確保LED兩端電流維持恒定不變，確保LED均勻、穩定發光[14-16]。恒流驅動電路加入過載保護電路后，若LED兩端的電壓突然升高，其能夠有效避免LED在短時間內因為電流升高而燒毀。因此，不少廠商喜歡運用這種LED驅動方式。但是，恒流驅動電路運行期間需要配置控制源，操作較為復雜，應用成本非常高。

2.2.2 電阻限流電路。這是一種最為簡單的LED驅動電路方式，主要是在直流供電LED回路串接一個電阻，通過調節電阻值來控制LED亮度。電阻值（[R]）的計算方式為：

[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。本設計確定采用大功率（1 W）的LED，因此，[V]的實際值為3.3 V，[I]的實際值為350 mA。

電阻限流電路設計非常簡單，成本較低，但同時缺點非常突出。在電源電壓出現變化時，若要確保LED兩側經過的電流保持一致，就必須調節限流電阻，這在實際運用中很難實現。

2.2.3 恒壓驅動。恒壓驅動是維持LED兩側電壓不變的重要技術。在常溫下，LED的工作電流大約為20 mA，在LED溫度上升到85℃后，其電流就會升高到35～37 mA，但若LED的亮度并未出現明顯增加，電流的增加就會使得PN節點的溫度迅速提升，促使LED使用壽命迅速縮短，故通常不建議采用該技術。

2.3 脈沖寬度調制技術

脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）技術具有非常突出的優點，非常適合應用于對LED燈的控制，其主要通過對斷開時間和導通進行控制，有效調節LED光照強度。利用PWM技術進行方波調節時，LED燈的亮度出現累積變化，但是其通常具有很大的占空比，人眼往往很難發現燈的亮度變化。

2.4 利用DD312驅動LED電路

本設計以臺灣點晶（SITI）公司開發的DD312作為LED植物生長燈的恒流驅動芯片。這種芯片擁有強大的功能。

DD312芯片的主要技術特性如下：輸出的電流需要達到1 A，此時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行調節;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、過熱報警、對LED開路實施監測的功能;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，其同時攜帶溫度保護器。

在恒流驅動中，本設計采用DD312來作為整個LED驅動電路的芯片，合理運用PWM技術，有效加強對紅光燈和藍光燈照強度的控制。驅動電路設計方案如圖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，LED光照電源模塊的電壓則被設定為12 V。另外，運用微控制器（意法半導體公司，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品的核心芯片。

3 LED植物生長燈設計

本文設計的LED植物生長燈主要運用3組不同的圓環形LED陣列，各組分別包括9個LED燈，其中有1個藍光燈，其波長為460 nm（±30 nm），將其放置于中心，另有8個紅光燈，其波長為660 nm（±30 nm），將其放置于外圍。整組共有27個LED燈，總功率為27 W。本設計中，LED植物生長燈需要應用較多LED燈，工作期間必然會產生大量熱量，LED植物生長燈溫度迅速升高，這就使得其發光性能迅速下降。鋁具有良好的散熱功能，同時密度較小，故將其作為LED植物生長燈的散熱板，并配置溫度控制設備來加強對溫度變化的控制，有效保證LED發光性能[17-20]。本設計中，LED光源板能夠經由串口實現藍光燈和紅光燈光照強度的控制，滿足不同植物的不同光照強度需求。

本研究設計的LED植物生長燈投入使用后，蔬果生長周期顯著縮短，產量明顯提高，蔬果甜度有所升高，同時病蟲害問題有效減少。

4 結論

現階段，LED植物生長燈是加強室內植物光合作用的重要設備。經過深入研究，本文設計出一種由三組圓形矩陣組成的LED植物生長燈，各組有9個LED燈。這種LED植物生長燈能夠根據溫度需求來調整光照強度，結構簡單、操作方便，應用成本較低，能夠較好地保證植物的生長發育，縮短生長周期，有效提高產量。

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