基于單片機的LED水族光源的設(shè)計

1 引言

生態(tài)水族的主角是魚、水草，視覺欣賞是其主要功能。光照是其首要解決的三大技術(shù)問題之一。

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，用于水生動植物補光，針對性差、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，被認(rèn)為是未來主要的、較為理想的人工水生動植物補光光源。但目前市場上的LED水族光源，存在光譜和強度被預(yù)制固化、不可調(diào)、顯色性差、靜態(tài)等問題，不能滿足水生動植物對光譜的動態(tài)需求，因此，智能LED水族光源成為科學(xué)工作者競相研究的重點。

2 設(shè)計原理

2.1觀賞性水草的生長發(fā)育對光波段的選擇性吸收

植物是在全譜自然光下進(jìn)化、生長、成熟。在太陽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的生理活動波段，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)和長波紅光誘導(dǎo)五個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紅色光和藍(lán)色光的吸收能力較強，紅色水草體內(nèi)的葉黃素和胡羅卜素對綠色和藍(lán)色的光譜的吸收能力強。

2.2光質(zhì)對水生動物的生長影響

光作為自然界中重要的生態(tài)因子，對動物行為的影響極為明顯。不同的光照強度、光照周期和光譜成分對動物捕食率、新陳代謝、生長發(fā)育、繁殖都有一定的影響?？傮w看，觀賞魚對于短波長的光照環(huán)境不是很適應(yīng)，隨著波長的增加，魚的生長速度也逐漸提高。

2.3光周期對水生物生長影響

自然界陽光的強光時段約在10：00~15：00，照射時間約5~6h，考慮人工光源光的強度不如陽光強，因此建議水族光源強光以6~8小時的照明為宜，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→中→弱”的照明時段，用電源時序器控制開燈、熄燈的時間，使得光照能符合水生物生長的光周期。

3 水族照明LED組合光源的設(shè)計

基于單片機控制的LED水族照明裝置主要包括兩方面設(shè)計：硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要包括LED組合燈具、LED驅(qū)動器和電路控制系統(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)動方式，電路控制系統(tǒng)用來實現(xiàn)光色、光強和照射時段、時長的分段自動調(diào)控。軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計思想，依據(jù)光譜柔性組合與調(diào)控方法用C語言編寫，并與硬件有機融合，通過鍵盤和GSM網(wǎng)絡(luò)兩重方法控制主控器，實現(xiàn)提供水生動植物所需全仿真光譜的功能。

3.1LED組合燈具

3.1.1燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)水生動植物對光選擇性吸收的事實，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、線光源技術(shù)缺陷，LED組合燈具采用模組式設(shè)計，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

LED水族燈具散熱系統(tǒng)由主動散熱（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、防水問題，使得LED組合光源更加高效、節(jié)能環(huán)保。

1—亞克力玻璃;2—燈箱;3—LED燈珠;4—鋁基PCB板;5—鋁質(zhì)側(cè)齒散熱燈槽;6—循環(huán)水散熱器;7—線路板;8—燈箱頂蓋;9—風(fēng)扇

3.2驅(qū)動電路設(shè)計

利用SN3352芯片，采用降壓恒流驅(qū)動方式完成LED驅(qū)動電路的設(shè)計。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，集成了溫度補償電路，具有過熱保護(hù)和溫度補償功能。通過PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)芯片開關(guān)和調(diào)光功能。一個基元的電路原理圖見圖5.

3.3電路控制系統(tǒng)設(shè)計

3.3.1控制器電路設(shè)計

主控制器以STC89C54RD+單片機為核心，由單片機電路，I/O接口驅(qū)動電路，系統(tǒng)參數(shù)存儲電路，按鍵電路，LCD顯示電路，GSM遠(yuǎn)程控制電路及LED驅(qū)動控制電路組成。單片機寫有C語言程序，用于調(diào)控并設(shè)定LED的驅(qū)動電流強度、工作頻率和脈沖寬度，以滿足對光譜柔性調(diào)節(jié)的需求；單片機電路通過I/O接口、串行數(shù)據(jù)接口和LED恒流驅(qū)動電路、按鍵電路、LCD顯示接口電路、GSM遠(yuǎn)程控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路相連接。各組塊有機結(jié)合，各司其職，協(xié)調(diào)合作。

3.3.2GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于OEM板，使用串口實現(xiàn)與C89C54單片機進(jìn)行通信。GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括單片機系統(tǒng)芯片、時鐘芯片、看門狗芯片、GSM接口、存儲芯片及驅(qū)動芯片（見圖6）。此系統(tǒng)可將用戶的指令信息通過短信的方式傳遞到單片機，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)簡單、可靠性高、成本低等特點。