LED植物生长灯的设计

2020-05-19覃文奇

河南科技 2020年8期

关键词：设计

覃文奇

摘要：基于LED的发光原理和植物生理活动特性，本研究设计了一种LED植物生长灯。经过对比，本设计采用圆环形阵列组合，配置DD312作为恒流源的控制芯片，利用脉冲宽度调制技术来进行光亮调节，满足不同植物在不同时段的光照需求，以期提升植物产量，缩短生长周期。

关键词：植物生长灯;LED;设计

中图分类号：Q94-33文献标识码：A文章编号：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

在運用点光源进行光照补充时，传统农业普遍使用电光源，同时配合采用塑料薄膜覆盖技术，有效调控栽培环境，促进植物生长发育，却存在光照度低于光补偿点、光质处理不纯等问题[1-3]。在遭遇持续性的阴雨天气时，植物无法有效进行光合作用[4-6]。因此，有必要设计一种新型植物生长灯。本研究结合植物生长的特点，设计出一套LED植物生长灯，旨在解决传统电光源存在的问题。

1 LED的发光原理及选择

1.1 LED的发光原理

LED又被称为发光二极管，是一种全新的节能器件，能够有效克服传统光源寿命短、能耗大、发热量高等缺陷，被广泛运用到信号指示、照明以及背光技术等领域[7-10]。LED的核心发光器件主要分为两部分，即N型半导体、P型号半导体晶片，二者交汇的区域被称为PN结。电流通过LED两端时，电子会被快速推向P区，此时PN结就会呈现出一个空穴和电子复合的状态，并释放能量，部分能量以光的方式向外辐射，快速转变为光能[11-13]。简单来说，LED的发光原理就是电能与光能相互转化的过程。

1.2 LED光源的选择

结合LED植物生长灯的市场需求，本设计最终采用1 W大功率的蓝色、红色与白色组合而成的LED器件，购自深圳金海洋科技有限公司，相关参数如表1所示。

由表1可以看出，LED光源的蓝色灯和红色灯波长分别为460 nm与630 nm，其与植物生长需要的波长一致，说明本设计选取的LED光源能够较好地满足植物光合作用的需求。

1.3 LED阵列组合设计

本研究设计的矩阵采用圆环形阵列，主要由多个LED等组成一个圆环形的发光圈。

2 LED植物照明控制系统设计

2.1 负载连接方式

本设计主要采取负载的连接设计方案，故串联连接具有更高的优势。在传统串联电路中，如果有LED持出现短路或断开，LED灯就无法正常运作。本设计改进了串联方式，LED两端配有一定电阻，具体串联方式如图1所示。

2.2 LED驱动电路

2.2.1 恒流驱动电路。这种驱动电路可以确保LED两端电流维持恒定不变，确保LED均匀、稳定发光[14-16]。恒流驱动电路加入过载保护电路后，若LED两端的电压突然升高，其能够有效避免LED在短时间内因为电流升高而烧毁。因此，不少厂商喜欢运用这种LED驱动方式。但是，恒流驱动电路运行期间需要配置控制源，操作较为复杂，应用成本非常高。

2.2.2 电阻限流电路。这是一种最为简单的LED驱动电路方式，主要是在直流供电LED回路串接一个电阻，通过调节电阻值来控制LED亮度。电阻值（[R]）的计算方式为：

[R=E-VI] （1）

式中，[E]为电源电压;[V]为LED工作电压;[I]为LED的工作电流。本设计确定采用大功率（1 W）的LED，因此，[V]的实际值为3.3 V，[I]的实际值为350 mA。

电阻限流电路设计非常简单，成本较低，但同时缺点非常突出。在电源电压出现变化时，若要确保LED两侧经过的电流保持一致，就必须调节限流电阻，这在实际运用中很难实现。

2.2.3 恒压驱动。恒压驱动是维持LED两侧电压不变的重要技术。在常温下，LED的工作电流大约为20 mA，在LED温度上升到85℃后，其电流就会升高到35～37 mA，但若LED的亮度并未出现明显增加，电流的增加就会使得PN节点的温度迅速提升，促使LED使用寿命迅速缩短，故通常不建议采用该技术。

2.3 脉冲宽度调制技术

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术具有非常突出的优点，非常适合应用于对LED灯的控制，其主要通过对断开时间和导通进行控制，有效调节LED光照强度。利用PWM技术进行方波调节时，LED灯的亮度出现累积变化，但是其通常具有很大的占空比，人眼往往很难发现灯的亮度变化。

2.4 利用DD312驱动LED电路

本设计以台湾点晶（SITI）公司开发的DD312作为LED植物生长灯的恒流驱动芯片。这种芯片拥有强大的功能。

DD312芯片的主要技术特性如下：输出的电流需要达到1 A，此时其最小输出的电压为1 V;最大的输出电流为1 A，并且能够通过外接的电阻来进行调节;输出的最大使能频率为1 MHz;輸出的最大承受电压为18 V;具备过电流保护、过热报警、对LED开路实施监测的功能;芯片的最大工作电压为5～18 V;封装的主要形式为SOP8或者TO-252。DD312芯片的电路如图2所示，其同时携带温度保护器。

在恒流驱动中，本设计采用DD312来作为整个LED驱动电路的芯片，合理运用PWM技术，有效加强对红光灯和蓝光灯照强度的控制。驱动电路设计方案如图3所示。

对于供电方式，采用5 V的直流电压来替代以往的220 V交流电压，此时，LED光照电源模块的电压则被设定为12 V。另外，运用微控制器（意法半导体公司，STM32 103系列）来作为其主控芯片，其成本低，性能高、功耗低，它是目前各种嵌入式电子产品的核心芯片。

3 LED植物生长灯设计

本文设计的LED植物生长灯主要运用3组不同的圆环形LED阵列，各组分别包括9个LED灯，其中有1个蓝光灯，其波长为460 nm（±30 nm），将其放置于中心，另有8个红光灯，其波长为660 nm（±30 nm），将其放置于外围。整组共有27个LED灯，总功率为27 W。本设计中，LED植物生长灯需要应用较多LED灯，工作期间必然会产生大量热量，LED植物生长灯温度迅速升高，这就使得其发光性能迅速下降。铝具有良好的散热功能，同时密度较小，故将其作为LED植物生长灯的散热板，并配置温度控制设备来加强对温度变化的控制，有效保证LED发光性能[17-20]。本设计中，LED光源板能够经由串口实现蓝光灯和红光灯光照强度的控制，满足不同植物的不同光照强度需求。

本研究设计的LED植物生长灯投入使用后，蔬果生长周期显著缩短，产量明显提高，蔬果甜度有所升高，同时病虫害问题有效减少。

4 结论

现阶段，LED植物生长灯是加强室内植物光合作用的重要设备。经过深入研究，本文设计出一种由三组圆形矩阵组成的LED植物生长灯，各组有9个LED灯。这种LED植物生长灯能够根据温度需求来调整光照强度，结构简单、操作方便，应用成本较低，能够较好地保证植物的生长发育，缩短生长周期，有效提高产量。

参考文献：

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