基于单片机的LED水族光源的设计

杨景发 杜明月 裴志彬 李倩 李一男 刘海燕

(1.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002;2.河北大学 工商学院，河北 保定 071002)

1 引言

生态水族的主角是鱼、水草，视觉欣赏是其主要功能。光照是其首要解决的三大技术问题之一。常用的水族照明光源主要有荧光灯、水银灯、卤钨灯等，但其发射光谱与水生物选择性吸收光谱不匹配，用于水生动植物补光，针对性差、光效低、耗能大、大量发热影响水温［1］。发光二极管 (LED)以其高效、多色、窄带、直流、显色性好、节能、环保等优点，被认为是未来主要的、较为理想的人工水生动植物补光光源［2］。但目前市场上的LED水族光源，存在光谱和强度被预制固化、不可调、显色性差、静态等问题，不能满足水生动植物对光谱的动态需求，因此，智能LED水族光源成为科学工作者竞相研究的重点。

2 设计原理

2.1 观赏性水草的生长发育对光波段的选择性吸收

植物是在全谱自然光下进化、生长、成熟。在太阳光谱的可见光的范围内，在690～780nm、580～690nm、350～530nm之间的光波段是最强的生理活动波段，与植物的叶绿素吸收、光合效率、向光性、光建成的红光诱导和长波红光诱导五个主要植物光生化反应作用光谱 (见图1)是一致的［3］。绿色水草的叶绿素对红色光和蓝色光的吸收能力较强，红色水草体内的叶黄素和胡罗卜素对绿色和蓝色的光谱的吸收能力强。

图1 五个主要的植物光生化反应作用光谱

2.2 光质对水生动物的生长影响

光作为自然界中重要的生态因子，对动物行为的影响极为明显。不同的光照强度、光照周期和光谱成分对动物捕食率、新陈代谢、生长发育、繁殖都有一定的影响［4］。总体看，观赏鱼对于短波长的光照环境不是很适应，随着波长的增加，鱼的生长速度也逐渐提高。

2.3 光周期对水生物生长影响

自然界阳光的强光时段约在10:00～15:00，照射时间约5～6h，考虑人工光源光的强度不如阳光强，因此建议水族光源强光以6～8小时的照明为宜，且以分段照明的方式: “10%光量 ×1h—80%光量×6h—20%光量 ×1h”为佳，即光量以 “弱→中→强→中→弱”的照明时段，用电源时序器控制开灯、熄灯的时间，使得光照能符合水生物生长的光周期。

3 水族照明LED组合光源的设计

基于单片机控制的LED水族照明装置主要包括两方面设计:硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括LED组合灯具、LED驱动器和电路控制系统三大部分 (结构框图见图2)。LED组合灯具由主灯模组和观赏模组组成，LED采用降压式恒流驱动方式，电路控制系统用来实现光色、光强和照射时段、时长的分段自动调控。软件设计采用模块化程序设计思想，依据光谱柔性组合与调控方法用C语言编写，并与硬件有机融合，通过键盘和GSM网络两重方法控制主控器，实现提供水生动植物所需全仿真光谱的功能。

图2 LED水族照明光源的结构框图

3.1 LED组合灯具

图3 LED灯具灯条示意图

3.1.1 灯具结构设计

根据水生动植物对光选择性吸收的事实，确定了“LED水族照明光源”的主光谱辐射区［5］。突破传统的点、线光源技术缺陷，LED组合灯具采用模组式设计，由1组主灯条 (3W的4蓝、6白、2红LED)和1组月光灯条 (1W的4蓝、3红、2绿、1黄、1三基色LED)组成 (见图3)。每个灯珠装配30°聚光帽，配合两侧纳米反光条，使光线最大程度的集中于水族箱内，由于灯具是点射光，水面的波纹折射出阴影，可模拟大自然波光粼粼的效果［6］。

3.1.2 灯具散热和防水设计

LED水族灯具散热系统由主动散热 (涂覆红外高辐射材料的铝基板、铝质侧齿散热灯槽)和被动散热 (轴流风扇、循环水散热)组成，PCB铝基板焊接后涂刷防水漆，灯组下方装高透光亚克力挡板，结构示意图见图4。解决了大功率LED灯具的散热、防水问题，使得LED组合光源更加高效、节能环保。

3.2 驱动电路设计

利用SN3352芯片，采用降压恒流驱动方式完成LED驱动电路的设计。SN3352芯片输入电压范围为6V至40V，输出电流高达750mA，输出功率高达30W，集成了温度补偿电路，具有过热保护和温度补偿功能。通过PWM脉宽调制技术实现芯片开关和调光功能。一个基元的电路原理图见图5。

3.3 电路控制系统设计

3.3.1 控制器电路设计

图4 LED组合灯具的结构示意图

主控制器以STC89C54RD+单片机为核心，由单片机电路，I/O接口驱动电路，系统参数存储电路，按键电路，LCD显示电路，GSM远程控制电路及LED驱动控制电路组成。单片机写有C语言程序，用于调控并设定LED的驱动电流强度、工作频率和脉冲宽度，以满足对光谱柔性调节的需求;单片机电路通过I/O接口、串行数据接口和LED恒流驱动电路、按键电路、LCD显示接口电路、GSM远程控制电路、数据存储电路相连接［7］。各组块有机结合，各司其职，协调合作。

图5 LED模组驱动电路

3.3.2 GSM远程控制系统的设计

基于OEM板，使用串口实现与C89C54单片机进行通信。GSM远程控制系统包括单片机系统芯片、时钟芯片、看门狗芯片、GSM接口、存储芯片及驱动芯片［8］(见图6)。此系统可将用户的指令信息通过短信的方式传递到单片机，然后进行LED灯具灯亮灭及发光颜色远程控制，具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。

图6 GSM远程控制系统结构图

3.4 系统软件设计

系统软件固化在单片机的芯片中，采用模块化程序设计 (流程图见图7)，用C语言编写，主要包括人机接口 (键盘扫描模块、LCD驱动模块、GSM远程控制模块)，LED控制模块 (LED驱动电路模块、LED灯头模块)，参数存储模块。各模块各司其能，由主程序统筹协调各模块依存关系，完成所需的光质、光强、时序控制等各种设置，以期达到操作界面友好，控制效果理想，系统高度稳定的目标。

图7 程序设计流程图

3.5 整机设计和制作

智能LED水族照明光源系统由主控箱，LED组合灯具和紫外杀菌灯组成。在制作过程中我们严格遵循科学布局，结构严谨，务实简洁的思想，在制作初期设计多种样机模型，经过多次论证，确定最终的设计结构，严格按照机械制作标准制作而成(样机见图8)。

图8 智能LED水族照明光源样机

4 LED水族照明光源光电特性性能测试

4.1 水族照明光源的亮度测试

在距离水族照明光源前方5m处，用 CX—2A成像亮度计分别测试四种照射模式的水族照明光源的亮度分布 (见图9)，测试可知，光强的空间分布，决定了组合灯具设计时的各色LED管子的排列间隔和补光时的照射距离。同距离处LED因功率、光色的不同而亮度不同，正好可以模拟波光粼粼的效果。

图9 LED组合灯具亮度

4.2 水族照明光源的光谱测试

本研究设计的“LED水族照明光源”的LED组合灯具由大功率的红色、蓝色、白光、绿色LED组合而成。用PMS—50光谱分析系统测量其发射光谱见图10。

5 结束语

图10 LED混色谱图

“智能LED水族照明光源”，采用高亮度、大功率的白色、蓝色、红色、绿色、黄色LED优化搭配而成，采用模组化设计理念，LED灯具由主灯条和月光灯条组成。基于单片机实现光色、光强、照射时长、时段的自动可调，满足了水生动植物对光的选择性吸收和人们的视觉观赏要求，同时很好的解决了鱼对光的应激反应。在设计中充分应用人文和环保理念，实现了光源的节能高效，这正是将LED推向新领域所进行的积极探索，可以相信“智能LED光源”在大规模水草的品种培育、人工繁殖，观赏鱼工厂化培育、水族园艺、水族馆专用补光光源以及特色水族箱等方面进行科学研究和推广应用，必将带来巨大的社会效益和经济效益。

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