基于單片機(jī)控制的LED水族照明裝置設(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(bǔ)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(bǔ)光光源。但目前市場上的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(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)。

　　圖1 五個主要的植物光生化反應(yīng)作用光譜

　　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(qiáng)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。總體看，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(qiáng)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(qiáng)度不如陽光強(qiáng)，因此建議水族光源強(qiáng)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(qiáng)→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(jī)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(qiáng)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(jī)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。

　　圖2 LED 水族照明光源的結(jié)構(gòu)框圖