摘要：隨著LED技術的不斷成熟，LED應用領域也逐步拓展，從家庭的LED照明燈、裝飾燈，到戶外的LED照明亮化工程，再到LED路燈工程，本文研究LED在植物種植方面的應用研究，通過對植物光合作用吸收光譜和對比實驗分析總結，選擇LED光源的合適波長范圍、配比、以及功率大小的作為室內植物種植的補光光源，并以此為核心設計出一整套包括恒流驅動電源和控制系統的智能LED植物補光系統。
關鍵詞：LED；LED波長；驅動電路；控制系統；植物補光；
一、前景
室內種植技術在國內外一直在研究，室內植物工廠就是一個典型案例，他的關鍵技術就是在室內沒有陽光的情況下，采用人工光源對植物進行補光，促進植物光合作用，使之在室內正常生長。
二、智能 LED植物補光燈光譜特性研究
采用光聲光譜儀分析出一般植物光合作用吸收光譜[1]（如圖一所示），得出植物光合作用時吸收光線的波長曲線中有兩個波峰，這兩個波峰波長大約在400nm~450nm的藍光區域和650nm~700nm的紅光區域。
根據植物光合作用吸收光譜，選擇LED波長分別為440nm藍光和670nm的紅光，固定功率24W （1W大功率LED24顆），在封閉的環境中，對兩種光源的各種配比進行如下實驗。
方案一、采用全紅光方案，即24顆670nm紅光LED
方案二、采用全藍光方案，即24顆440nm藍光LED
方案三、采用紅藍光5:1的方案，即20顆670nm紅光，4顆440nm藍光。
方案四、采用紅藍光1:5的方案，即4顆670nm紅光，20顆440nm藍光。
方案五、采用紅藍光1:1的方案，即12顆670nm紅光，12顆440nm藍光。
如上5個方案，實驗條件為：在5個獨立避光的環境中，光源到植物的距離30cm，白天12小時定時補光（晚上不補光），采用傳統水培的方式分別種植1棵凈重30g的生菜，在1個月后進行對生菜重量、高度、直徑等參數關系比較，如表一所示。
表一、光源配比實驗數據表
|
項目 |
生菜凈重 |
生菜高度 |
生菜直徑 |
|
方案一 |
120g |
12.6cm |
11.3cm |
|
方案二 |
80g |
9.7cm |
7.4cm |
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方案三 |
332g |
16.5cm |
20.8cm |
|
方案四 |
180g |
14.3cm |
13.1cm |
|
方案五 |
203g |
14.6cm |
12.4cm |
實驗數據表明，采用方案三，即紅藍光5:1的比率配比為最佳方案，并通過多次重復實驗，認證了方案的可重復性。
在以上實驗得出的最佳LED補光光源配比的基礎上，采用分別為6W、12W、18W、24W、30W功率的LED光源，在上一實驗的實驗條件基礎下，采用初始凈重50g大白菜品種，研究最佳功率。通過實驗可得表二。
表二、光源功率實驗數據表
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項目 |
大白菜凈重 |
大白菜高度 |
大白菜直徑 |
|
6W |
90g |
9.3cm |
8.4cm |
|
12W |
260g |
13.4cm |
14.7cm |
|
18W |
338g |
15.9cm |
19.6cm |
|
24W |
450g |
21.4cm |
28.0cm |
|
30W |
463g |
22.8cm |
27.6cm |
實驗數據表明，采用24W與30W結果相差不大，但為了節能考慮，故采用24W作為理想功率。
綜上兩個實驗表明，采用1W大功率藍光440nm 4顆，紅光670nm 20顆為最佳補光條件。
在具體設計中，為了實現對植物的均勻照射，對LED植物補光燈進行二次配光設計，通過對不同波長LED空間的合理布局，并采用菲尼爾透鏡、折射透鏡等光學設計，實現LED植物補光燈不同波長光源和整體光照的均勻分配。
三、智能LED補光系統驅動電路及可靠性設計
由于用于室內植物補光系統需要多個不同色光的LED排列組合起來，不同的LED驅動電壓不同，但是驅動電流一致（對1W大功率LED其驅動電流都是350mA），因此，LED的驅動電路需要采用恒流驅動[2]。選擇12顆LED串聯、兩路并聯的方式，其中兩顆藍光LED均勻放在中央，如圖二所示。并采用700mA橫流供電，額定電壓32V，保證在安全電壓范圍內，具有可靠性高，總體效率高，驅動器設計制造方便的優勢。
針對本室內植物種植的特點，恒流源的輸入為工頻交流電源，而輸出電源要求為安全電壓以下的直流電源。本設計擬通過對電源轉換器、穩壓器、恒流芯片進行比較，研發出適合本系統特點的LED驅動電路。恒流驅動電路的效率大于90%，功率因子大于90%，采用PWM進行光強調節[3]，調光比大于1:100。
另LED工作時，80%的能量轉換為熱能，使芯片結溫升高。如果不能及時散去，會加速器件老化，甚至造成LED永久失效。因此，LED光源系統必須解決散熱問題。通過采用良好的鋁型材散熱材料，表明加工成鋸齒形狀以增加散熱面積，用于本系統LED補光系統的散熱，如圖三所示。通過對本散熱系統測試，LED結溫不超過60℃。
四、LED控制系統設計
控制系統要實現對補光系統以及對其它相關系統的控制，功能框圖如圖二：
首先根據以上設計要求和原理框圖，設計不同功能模塊，包括IN模塊（客戶端輸入）、LCD模塊（人機界面顯示）、POWER模塊（供電系統模塊）、IC模塊（主芯片及外圍元件）、OUT模塊（LED補光燈及橫流驅動源）等，再將個模塊組合在一個電子線路系統中，再通過模擬仿真，檢測電路并查找異常問題，糾錯完善系統。待電子線路正常運作之后，再設計CPU控制程序，軟件設計完成后，再通過仿真確認。然后制版打樣，測試，并根據要求不斷完善系統。
五、結論
適應室內植物種植規律，選擇了12*1W大功率LED紅光與藍光5:1配比光源作為智能LED植物補光系統的補光光源，并設計了與補光光源配套的驅動電路和控制系統，完成了整套智能LED植物補光系統的研制。
參考文獻：
[1] 聶琴,樊大勇,韓濤,高榮孚.利用光聲光譜儀研究植物材料不同層次組織的光吸收光譜[J].石河子大學學報(自然科學版).2007(12):737-740
[2] 范俊杰,寧凡.LED驅動電源的現狀與展望[J].中國科技信息,2009(15):137-139
[3] 孫魯,趙慧元,蘇秉華.一種新型白光LED模組驅動電路的設計[J].電源設計.2010(10):196-201
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