太阳能LED植物生长灯的设计

赵富强， 陈凤英，黎　欣，冯　浩，张文婷

(1.南昌航空大学信息工程学院， 江西南昌　330063；2.南昌航空大学测试与光电工程学院大学物理国家级实验教学示范中心， 江西南昌　330063)



太阳能LED植物生长灯的设计

赵富强1， 陈凤英2，黎欣2，冯浩2，张文婷2

(1.南昌航空大学信息工程学院， 江西南昌330063；2.南昌航空大学测试与光电工程学院大学物理国家级实验教学示范中心， 江西南昌330063)

本设计由太阳能光伏系统提供电能，运用单片机原理，对植物生长的光强进行控制，并根据不同植物光合作用的最优效益，可以调节出不同比例的红蓝光，使植物生长进行最大效益的光合作用。该设计可改善植物的生长周期，促进植物生长。

太阳能光伏系统； 单片机； LED灯；光合作用

引言

传统农业使用普通电光源补充光照，采用覆盖彩色塑料薄膜等技术措施来改变光环境以调控栽培环境中植物的生长发育。但这些措施存在着不同程度问题，如缺乏对具体光谱成分分析导致光质处理不纯、接近或低于植物的光补偿点；照射光源能效低；连续阴雨天气时植物不能进行有效的光合作用等。本文设计的LED生长灯能解决这些难题[1]，在蔬菜稀少季节，可以解决人们对蔬菜需求的困难。

1　设计方法

1.1总体设计

太阳能LED植物生长灯总体框架图如图1所示 ，以单片机芯片STC89C52为核心，由太阳能光伏发电系统、光敏传感模块、按键模块、低速电机模块、LED输出模块、LCD显示模块组成。

图1　太阳能LED植物生长灯总体框架示意图Fig.1　The Solar LED plant growth light overall frame diagram

1.2硬件设计

系统硬件由16组硬件单元系统组成，硬件系统单元如图2所示。光敏电阻将室内光线的强弱模拟信号通过ADC0832转换芯片转换成16位数字信号，并将该信号输入到单片机[2]。单片机经R1给三极管(8050)的发射结提供正偏电压，并与R2结合起来给三极管的集电结提供反偏电压，使三极管工作于放大状态，起到开关作用。R2和R3结合起来给CMOS管(60N60)提供栅源电压，单片机接收光强信号通过控制输出PWM波形的占空比，经开关电源使得CMOS的栅源电压在0～3.5V之间变化，从而控制流过LED(24个二极管)电流的大小，进而控制LED的功率，改变LED灯的亮度。同时单片机可控制12264LCD显示屏，将系统的当前红蓝光比例的状态显示出来，并增加12个按键，用户可以通过按键输入相应的指令，来控制系统工作，实现人机交换，从而使整个系统运转起来。开关电源的12V电压和CMOS管的5V电压等整个系统的电能都由太阳能光伏发电系统(单晶硅电池板的转换率为24%)提供。[3]

图2　硬件系统单元示意图Fig.2　Hardware schematic system unit

1.3软件设计

该软件设计包括两个部分：1)编写单片机接受光敏电阻感应光强信息后的程序，通过滤波电路和开关电源把相应频率的电流通过场效应管CMOS(60N60)得到0～11V的电压，接到串联的LED灯上，控制LED灯发出的光强；2)编写好红蓝光比例(如：5∶1、6∶1……12∶1)的程序输入到单片机[4]，通过延时(电机旋转一周时间12s)程序，在12V电机地带动下，驱动LED(16组，2蓝14红，每组24个二极管)灯头旋转90°(3s)对应一种植物，同时单片机控制12264LCD显示屏，将系统的当前红蓝光比例的状态显示出来，对不同植物进行高效率的光合作用。

1.4性能分析

通过对光谱分析及已有的实验得出：不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用需要的光线，波长在400～700nm左右。400～500nm(蓝色)的光线以及610～720nm(红色)对于光合作用贡献最大。蓝色光有助于植物光合作用能促进绿叶生长，蛋白质合成，果实形成；红色光能促进植物根茎生长，有助于开花结果和延长花期，起到增加产量作用[5]。蓝色(470nm)和红色(630nm)的LED，刚好可以提供植物所需的光线。LED植物生长灯的红蓝LED比例一般在4∶1～9∶1之间为宜，通常可选6∶1～9∶1。本设计就是根据光谱的特性对植物最有效光合作用而进行红蓝LED比例的选择，其选择在4∶1，6∶1…11∶1。

传统灯光发出的是全光谱，就是说有7种颜色，而植物所需要的却只有红光和蓝光，因此传统灯大部分光能都浪费了，所以效率极低。而LED植物生长灯可以发出植物需要的特定红光和蓝光，因此效率极高[6]。另一个原因就是传统的钠灯光谱里面缺少蓝光，而汞灯和节能灯光谱里面又缺少红光，所以传统灯补光效果都比LED植物生长灯差很多。

2　实物模型制作

设计中LED植物生长灯进行光合作用的能耗非常低，工作电压只要12V，消耗的功率大概只有9W，消耗的电能比相同光效的白炽灯减少90%以上，比现有的节能灯减少70%以上，运行成本大大降低[7]。例如两个光合作用系统：一个接收太阳光的光照进行光合作用，一个接收太阳光和LED不同光线强弱及不同比例的红蓝光，其他条件都相同，观察这两个系统中植物的生长变化。通过理论推算，得出后者的植物生长周期更短，即蔬果提早20%的时间采收，增加3%至5%的产量，更提高蔬果的甜度且减少病虫害。其效果图如图3所示。

图3　实物效果图Fig.3　Physical effect

3　总结

太阳能LED植物生长灯是在现有的室内植物光合作用的基础上，通过我们创新设计、制作出来的，不仅可以提高农作物的产量和品质，而且还充分利用了清洁、环保、可循环利用的太阳能，符合低碳、绿色环保、可持续发展理念[8]。这种设计成本比较低、结构比较简单，可改善植物的

生长发育状况。

[1] 刘晓英,徐志刚,焦学磊,等. 植物照明的研究和应用现状及发展策略[J]. 照明工程学报,2013,24(4):1-7.

[2] 江磊,刘木清. LED驱动及控制研究新进展[J]. 照明工程学报,2014,25(2):1-9.

[3] 刘彤,刘雯,马建设. 可调红蓝光子比例的LED植物光源配光设计方法[J]. 农业工程学报,2014,01:154-159.

[4] 魏晓明,周长吉,丁小明,等. 光伏发电温室的现状及技术前景研究[C]//中国农业工程学会2011年学术年会论文集.中国农业工程学会(CSAE),2011.

[5] 胡永逵,鲍顺淑,杨其长. LED在设施园艺中的应用系列(六) LED与太阳能光伏结合在人工光植物工厂的应用[J]. 农业工程技术(温室园艺),2009,10:15-16.

[6] 宿忠娥,石蕊. 太阳能光伏发电系统设计与研究[J]. 电子制作,2012,11:75-76.

[7] 赵晶,赵争鸣,周德佳. 太阳能光伏发电技术现状及其发展[J]. 电气应用,2007,10:6-10.

[8] 孙萌,余方召,周荣玲,等. 节能灯及LED灯的负荷特性研究[J]. 陕西电力,2015,12:57-61.

The Design of the Solar LED Plant Growth Lights

ZHAO Fuqiang1, CHEN Fengying2, LI Xin2, FENG Hao2, ZHANG Wenting2

(1.CollegeOfInformationEngineering,NanChangHangKongUniversity,Nanchang330063,China；2.NationalPhysicsExperimentTeachingCenter,SchoolofMeasuringandOpticalEngineering,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

The power of the design is provided by the solar photovoltaic system. we use the SCM principles to control the light intensity of plant growth , and we can adjust the different proportions of red and blue, to obtain the maximum photosynthetic efficiency of the plant according to the optimal efficiency of different plant photosynthesis. This design can improve the growth cycle of plants, and promote the plant is growth.

solar photovoltaic system; single-chip; LED lights; photosynthesis

南昌航空大学教改基金资助(No.JY1220)，南昌航空大学大学生第八届三小“基地项目”基金资助(No.SXJD14)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.027