基于单片机的肉蛋鸡LED自动调节组合灯设计

韩 冰，杨景发，杨宝柱，孙瑞杰，王雅兰，侯国栋，李 乾，张晓雄

（1.河北北方学院理学院，河北张家口075000，2.河北大学物理科学与技术学院，河北保定071002）

大力发展养殖业是进行农业产业结构调整的重要环节，也是党和国家对于建设社会主义新农村的具体要求。特别是我国加入WTO 之后，对出口肉、蛋的质和量的要求越来越高。因此，急需改变传统的养殖模式，建立规模化、科学化的养殖基地，提高养殖业的科技水平，提升产品的品质与安全性，抢占国际市场，促进出口创汇。

目前，我国规模化家禽养殖主要以封闭式塔式笼养为主，存在自然光照不足，生长迟缓、死亡率高、产量低等问题。目前用于养鸡场补光照明光源多为白炽灯和节能灯，其发射光谱为带状谱、存在汞污染。少数用到的LED 光源，多选用小功率LED 灯珠，其光谱被预置固化［1］，对不同的家禽及其不同生长阶段，其光质、光强、照射时间不能够交互式设置。为此，本研究开展了“基于单片机肉蛋鸡生产光源”的研制工作。

1 设计原理

1.1 禽类视觉和处理光信息的特殊性

鸡眼的敏感度曲线如图1 所示。禽类在视网膜上比人多一种敏感区在425nm 的视锥细胞，使得在400～480nm、545～575nm 和580～700nm光谱区禽比人敏感，同样光禽感觉较亮。资料表明［2－4］，光照强度、光波长等光信息通过鸡眼球内的光受体－视网膜的神经节细胞，传递至视觉中枢，或者通过下丘脑内的相关光受体而被感知，并将光信息转化为生物信号，进而影响与刺激下丘脑释放激素来调节鸡的生长发育、生产性能、生殖功能和行为活动。

1.2 红光提高产蛋率／蓝绿光促进肉鸡增肉作用

据报道，红色可以减弱鸡的神经过敏，使之更安静；红色可以大大减少鸡的相互争斗和相互啄破的发生，死亡率也随之下降。同时，红光可以降低饲料消耗；对笼养蛋鸡还能提高蛋的质量，减少破蛋。蓝绿光可以有效的刺激肉鸡分泌睾酮，使血清内雄性激素水平增加，促使肉鸡在更多的时间内不同的采食，导致在蓝光下饲养的肉鸡在体重、胸肌重、大腿重、小腿重等方面明显高于在其他光下饲养的鸡［5－7］。同时，蓝光可明显促进肉鸡脾细胞的增殖，提高脾细胞的免疫功能。

2 肉蛋鸡促产型LED 光源的设计

本光源包括单片机控制模块、LED 驱动模块、LED组合灯具和电源模块等部分设计［8］，在单片机程序软件的控制下，实现LED 组合灯具光质、光强、光照时间的调制。其结构示意图如图2。

图1 鸡眼的敏感度曲线Fig.1 Corn sensitivity curve

2.1 LED 组合灯具设计

2.1.1 灯珠测试 基于理论研究，LED 组合光源由大功率的红色、蓝色、绿色、白光LED 组合而成，首先利用LED 积分球、PMS－50 光谱分析系统和LED626分布光度计测量其主要光色电性能参数（见表1），为组合光具的设计中LED 灯珠的选取提供了理论和设计指导［9－11］。

图2 结构示意图Fig.2 Sketch diagram of structure

表1 LED 发光管的主要光色电参数Table 1 The main parameters of LED

2.1.2 结构设计 采用模块式设计思想，首先设计基元模块（灯珠排列图见图3），再由若干个基元模块组成LED 阵列平面光源，达到均匀照射之目的。一个基元灯具由LED 灯珠、铝基PCB板、铝质顶齿散热板和轴流风扇等部分组成（见图4）

图3 灯珠排列图Fig.3 Diagram of LED lamp array

图4 基元灯具结构图Fig.4 Diagram of primitive lamps

2.2 LED 驱动电路的设计

选用SN335驱动芯片，采用降压型电感电流连续模式设计LED 驱动电路，基于设计功率和芯片设计手册，确定外围器件和参数，一个基元的电路原理图见图5，画出SCH 和PCB 图，制作线路板，焊接调试。

图5 LED 驱动电路原理图Fig.5 The schematic diagram of LED drive circuit

2.3 LED 调光（光质、光强、时间）设计

调光控制系统以STC89C54单片机为核心，主要由单片机LCD 电路、I／O 电路、按键电路、数据存储电路等外围电路组成。其中，通过键盘实现人机交互，依据调控方法完成初始设定，光质、光强、给光时长等的设定；向SN3352的ADJI引脚施加PWM信号，通过控制幅值以调整输出电流的大小，实现光强的控制；通过调整TH、TL脉宽时间长短，工作比（TH／（TH＋TL）＊100%）可调。

系统软件写在控制器的单片机内，用C 语言编程，采用流行的模块法编程，其程序流程图见图6，主要包括时钟模式、键盘模块、LCD 显示模块和参数存储模块，程序开始后，先初始化系统，再读取用户的存储参数；接着选择禽蛋类型，设定系统时钟，然后进行光参数设定，设定完成后保存，系统进入运行模式。

图6 程序流程图Fig.6 The program flow chart of software

2.4 样机整机制作与调试

遵循“科学布局，结构严谨，美观与实用”的原则，进行CAD 设计，按照机械制作标准制作样机（图7）。利用PMS－50光谱分析系统测试“肉蛋鸡生产型LED 光源”的发射光谱，结果见图8。

图7 样机实物图Fig.7 Prototype picture

图8 单色LED 谱图Fig.8 Monochromatic LED

3 小结

本研究设计的“阵列式LED 组合灯具”采用铝基PCB板、铝质顶齿散热板和轴流风扇，有效地解决了灯具的散热问题，保证大功率LED 的正常工作。基于单片机通过施加PWM 信号，实现了灯具的光色、光强、工作时间的交互式自动调控。本光源集单片机、LED 发光技术于一体，技术先进，且具扩展性，应该适于圈舍养殖的动物，以及水产、特种动物的照明。

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