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關(guān)鍵詞：
單片機(jī)
LED水族光源設(shè)計(jì)
- 摘要：確定智能LED 水族光源的光譜主輻射區(qū)；采用模組化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱設(shè)計(jì)，完成了LED組合燈具設(shè)計(jì)；模擬自然陽(yáng)光的照射規(guī)律，基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時(shí)段、時(shí)長(zhǎng)的分段自動(dòng)調(diào)控；研制出智能LED水族照明光源，用于水族照明，針對(duì)性強(qiáng)，光效高，顯色性好。
1 引言
生態(tài)水族的主角是魚、水草，視覺(jué)欣賞是其主要功能。光照是其首要解決的三大技術(shù)問(wèn)題之一。
常用的水族照明光源主要有熒光燈、水銀燈、鹵鎢燈等，但其發(fā)射光譜與水生物選擇性吸收光譜不匹配，用于水生動(dòng)植物補(bǔ)光，針對(duì)性差、光效低、耗能大、大量發(fā)熱影響水溫。發(fā)光二極管（LED）以其高效、多色、窄帶、直流、顯色性好、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)主要的、較為理想的人工水生動(dòng)植物補(bǔ)光光源。但目前市場(chǎng)上的LED水族光源，存在光譜和強(qiáng)度被預(yù)制固化、不可調(diào)、顯色性差、靜態(tài)等問(wèn)題，不能滿足水生動(dòng)植物對(duì)光譜的動(dòng)態(tài)需求，因此，智能LED水族光源成為科學(xué)工作者競(jìng)相研究的重點(diǎn)。
2 設(shè)計(jì)原理
2. 1 觀賞性水草的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光波段的選擇性吸收
植物是在全譜自然光下進(jìn)化、生長(zhǎng)、成熟。在太陽(yáng)光譜的可見光的范圍內(nèi)，在690 ~ 780nm、580~ 690nm、350 ~ 530nm 之間的光波段是最強(qiáng)的生理活動(dòng)波段，與植物的葉綠素吸收、光合效率、向光性、光建成的紅光誘導(dǎo)和長(zhǎng)波紅光誘導(dǎo)五個(gè)主要植物光生化反應(yīng)作用光譜（見圖1）是一致的。綠色水草的葉綠素對(duì)紅色光和藍(lán)色光的吸收能力較強(qiáng)，紅色水草體內(nèi)的葉黃素和胡羅卜素對(duì)綠色和藍(lán)色的光譜的吸收能力強(qiáng)。
2. 2 光質(zhì)對(duì)水生動(dòng)物的生長(zhǎng)影響。
光作為自然界中重要的生態(tài)因子，對(duì)動(dòng)物行為的影響極為明顯。不同的光照強(qiáng)度、光照周期和光譜成分對(duì)動(dòng)物捕食率、新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖都有一定的影響。總體看，觀賞魚對(duì)于短波長(zhǎng)的光照環(huán)境不是很適應(yīng)，隨著波長(zhǎng)的增加，魚的生長(zhǎng)速度也逐漸提高。
2. 3 光周期對(duì)水生物生長(zhǎng)影響
自然界陽(yáng)光的強(qiáng)光時(shí)段約在10: 00 ~ 15: 00,照射時(shí)間約5 ~ 6h,考慮人工光源光的強(qiáng)度不如陽(yáng)光強(qiáng)，因此建議水族光源強(qiáng)光以6 ~ 8 小時(shí)的照明為宜，且以分段照明的方式："10% 光量× 1h-80%光量× 6h-20% 光量× 1h"為佳，即光量以"弱→中→強(qiáng)→中→弱"的照明時(shí)段，用電源時(shí)序器控制開燈、熄燈的時(shí)間，使得光照能符合水生物生長(zhǎng)的光周期。
3 水族照明LED 組合光源的設(shè)計(jì)
基于單片機(jī)控制的LED水族照明裝置主要包括兩方面設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括LED組合燈具、LED驅(qū)動(dòng)器和電路控制系統(tǒng)三大部分（結(jié)構(gòu)框圖見圖2） .LED組合燈具由主燈模組和觀賞模組組成，LED采用降壓式恒流驅(qū)動(dòng)方式，電路控制系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時(shí)段、時(shí)長(zhǎng)的分段自動(dòng)調(diào)控。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，依據(jù)光譜柔性組合與調(diào)控方法用C 語(yǔ)言編寫，并與硬件有機(jī)融合，通過(guò)鍵盤和GSM 網(wǎng)絡(luò)兩重方法控制主控器，實(shí)現(xiàn)提供水生動(dòng)植物所需全仿真光譜的功能。
3. 1 LED 組合燈具
3. 1. 1 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)水生動(dòng)植物對(duì)光選擇性吸收的事實(shí)，確定了"LED 水族照明光源"的主光譜輻射區(qū)。突破傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源技術(shù)缺陷，LED 組合燈具采用模組式設(shè)計(jì)，由1 組主燈條（ 3W 的4 藍(lán)、6 白、2 紅LED） 和1 組月光燈條（ 1W 的4 藍(lán)、3 紅、2 綠、1黃、1 三基色LED） 組成（ 見圖3） .每個(gè)燈珠裝配30?聚光帽，配合兩側(cè)納米反光條，使光線最大程度的集中于水族箱內(nèi)，由于燈具是點(diǎn)射光，水面的波紋折射出陰影，可模擬大自然波光粼粼的效果。
3. 1. 2 燈具散熱和防水設(shè)計(jì)
LED 水族燈具散熱系統(tǒng)由主動(dòng)散熱（ 涂覆紅外高輻射材料的鋁基板、鋁質(zhì)側(cè)齒散熱燈槽） 和被動(dòng)散熱（ 軸流風(fēng)扇、循環(huán)水散熱） 組成，PCB 鋁基板焊接后涂刷防水漆，燈組下方裝高透光亞克力擋板，結(jié)構(gòu)示意圖見圖4.解決了大功率LED 燈具的散熱、防水問(wèn)題， 使得LED 組合光源更加高效、節(jié)能環(huán)保。
3. 2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
利用SN3352 芯片，采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)方式完成LED 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。SN3352 芯片輸入電壓范圍為6V 至40V, 輸出電流高達(dá)750mA, 輸出功率高達(dá)30W,集成了溫度補(bǔ)償電路，具有過(guò)熱保護(hù)和溫度補(bǔ)償功能。通過(guò)PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片開關(guān)和調(diào)光功能。一個(gè)基元的電路原理圖見圖5.
3. 3 電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3. 3. 1 控制器電路設(shè)計(jì)
主控制器以STC89C54RD + 單片機(jī)為核心， 由單片機(jī)電路，I /O 接口驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)電路，按鍵電路，LCD 顯示電路，GSM 遠(yuǎn)程控制電路及LED 驅(qū)動(dòng)控制電路組成。單片機(jī)寫有C 語(yǔ)言程序，用于調(diào)控并設(shè)定LED 的驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度、工作頻率和脈沖寬度，以滿足對(duì)光譜柔性調(diào)節(jié)的需求； 單片機(jī)電路通過(guò)I /O 接口、串行數(shù)據(jù)接口和LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路、LCD 顯示接口電路、GSM 遠(yuǎn)程控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路相連接。各組塊有機(jī)結(jié)合，各司其職，協(xié)調(diào)合作。
3. 3. 2 GSM 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
基于OEM 板，使用串口實(shí)現(xiàn)與C89C54 單片機(jī)進(jìn)行通信。GSM 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)芯片、時(shí)鐘芯片、看門狗芯片、GSM 接口、存儲(chǔ)芯片及驅(qū)動(dòng)芯片（ 見圖6） .此系統(tǒng)可將用戶的指令信息通過(guò)短信的方式傳遞到單片機(jī)，然后進(jìn)行LED 燈具燈亮滅及發(fā)光顏色遠(yuǎn)程控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。
