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1引言我国是农业大国，发展实施高效农业是我国进行农业产业结构调整的关键，人工补光是设施农业的重要手段。目前，普遍使用的白炽灯、日光灯、高压钠灯等补光光源，其发射光谱与植物选择性吸收光谱不匹配，用于植物补光，针对性差、光效低1。随着光电技术的进步，发光二极管(LED)被认为是21世纪最有发展前景的新型光源。由于其发光强度高、功耗低、可靠性高、易于调光调色、小巧、绿色环保等优点，已被广泛应用于照明、显示等领域。将LED用于植物补光的研究，国内外也进行了积极的探索。国际上最早将LED 用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有关于波长为650nm 的红色LED光源用于温室番茄补光的试验报告。1994年，日本开始用LED作为照明光源，对植物栽培进行了研究。此外，日本千叶大学也曾进行了红光、远红光LED对马铃薯生理过程影响的试验研究。1991年，美国的Bulaetal使用高强度LED于太空农业之研究，首创LED于农业之应用。Hoeneckeetal于1992年使用高强度红光LED与蓝光灯管配合使用，成功栽培莴苣种苗。美国Wisconsin大学的研究小组采用LED 光源用于莴苣的栽培试验取得阶段性研究成果。以色列也进行过LED在组培植物工厂的试验研究，并发现红蓝光组合LED光照比其他光源更能促进芽分化，更适合幼芽生长。国内的一些研究部门也积极开展了有关LED 在植物工厂和组培室的试验。1993年12月，方炜、饶瑞吉在“超高亮度红蓝光LED应用于蝴蝶兰组培苗之研究”中指出：红蓝光LED代替日光灯管应用于蝴蝶兰组培苗作为人工光源应属可行。2004年，方炜在“使用调整光量及光质与二者对组培苗生长之影响”中经实验得出：LEDSet可作为组培苗、种苗、藻类栽培、生物反应器人工光源。2003年，郭双生、艾为党等在“受控生态生保系统中植物生长光源的选择”中得出结论：植株正常生长可采用红色和蓝色发光二极管的一定组合，以90%红色+10%蓝色发光二极管更为适宜。与此同时，诸葛强、关亚丽等也在“组培新技术及其在桉树快繁中的应用”中得出结论：应用超亮发光二极管作为植物生长的光源，其性能远优于常用的光源如荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和白炽灯。2006年，南京农业大学的徐志刚副教授在国内首次成功研制出“用于植物光生物学研究的柔性LED光源系统”2，被命名为LED Plant，它能够任意定量调控光密度、光波长、占空比和频率，是光生物学研究的有效工具和理想实验设备。综合文献、专利可知：目前LED组合光源多数由小功率的LED组成，与植物生长所需光照强度还有一定的差距；多数研究的是红、蓝LED对植物的作用，而忽略了植物是在全谱太阳光下进化、生长、成熟。接收各种平衡光色的事实，红蓝为主，但紫外、近红外也必不可缺。因此，目前植物照明光源与作物选择性吸收光谱欠匹配，以LED的实验研究为主，而不是以LED在植物补光中的应用原理、关键参数和调制技术为研究目标，因而不能为植物补光专用LED光源的研制提供关键技术支持。在本实验中我们用单片机控制LED光源，通过探索和研究不同的光谱参数（波长，光密度，光周期，工作频率）对不同生物生长发育产生的关键作用，选取大功率LED，进行合适的光质搭配，（除考虑红蓝光效应之外，一定要兼顾紫外和近红外对植物的作用效应），编写不同软件程序来控制驱动电路，对光谱参数实施调节，定量准确的获取不同波长，不同光密度，不同光周期，不同工作频率的多光谱参数组合的光源。既要满足光强的需求，又要提高光照均匀度，解决调光调色、大功率LED的散热设计等技术问题，是研制高效植物补光用LED组合光源的关键所在。2LED组合光源研制原理光是植物生长的能量来源，植物的生长、发育、开花、结果是通过光合作用、光形态建成反应、光周期调节来完成的。其中，光质和光周期是其中的主要因素。光质（红光/蓝光，红光/远红光）是在研究植物所需光的种类的基础上进行搭配的。光周期在植物的生长过程中也起着重要的作用，通过对植物光周期的研究得出：“合理的控制补光时间能达到节省能源的效果”。2.1植物的光合作用、光形态建成反应绿色植物的生长，主要是通过光合作用来完成的。整个过程的净反应是3：CH2O 是碳水化合物，它是形成各种有机物的原材料，植物生长快慢决定于光合速率，只有在光照的条件下，反应才能进行，在植物中光源的吸收主要通过叶绿素、类胡萝卜素等光合色素来进行。光形态建成3反应是一些受光调节的生长、发育和分化的过程。它与光谱质量、照度、光照频率和持续时间以及光的对称性和非对称性等因素有关。所有的光形态建成反应，都受一种植物光敏色素的控制，例如：有一种光敏色素其结构有两种形式，即Pfr和Pr，它们可以通过不同波段光照而相互转化，反应式为：短波红光660nm长波红光730nmPr Pfr其中：Pfr为色素吸收长波红光的构型，是生理活化型，它可激发作物的生长，Pr 为色素吸收短波红光的构型，是生理抑制型，对作物的生长有抑止作用。实验证实：短波红光（660nm）照射光敏色素可使Pr型转化成为Pfr型；长波红光（730nm）照射光敏色素可使Pfr型转化成为Pr型。植物是在全谱太阳光下进化、生长、成熟。太阳光谱辐射能量分布：紫外区占总能量5%，可见光区占总能量45%；近红外区占总能量50%。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，与植物的叶绿素合成、光合作用、向光性、光形态建成的红光诱导和长波红光诱导五个主要的植物光生化反应作用光谱（见图2-1）是一致的。图2-1叶绿素的吸收光谱与光合作用光谱由图可见，叶绿素吸收光谱中的两大吸收带是叶绿素a、b和类胡萝卜素共同吸收所造成的。光合作用的作用光谱与叶绿素的吸收光谱有一致的趋势，说明叶绿素是执行光合作用的主体，在光合作用中真正起主要作用的是红橙光和蓝紫光。短波红光（660nm）照射光敏色素可使Pr型（生理活化型）转化成为Pfr型（生理抑制型），长波红光（730nm）照射光敏色素可使Pfr型转化成为Pr型。2.2光质对植物的影响光质5又称光的组成，是指具有不同波长的太阳光谱成分，其中波长为380760nm之间的光是太阳辐射光谱中具有生理活性的波段，称为光合有效辐射。而在此范围内的光对植物生长发育的作用也不尽相同，不同的光谱范围对植物生理的影响如下：1000nm 能被组织中的水吸收，转换成为热量1000nm720nm 植物稍有吸收，促进种子萌发,刺激植物延伸720nm610nm 被叶绿素强烈吸收，对植物的光合作用和光周期有强烈的影响610nm510nm 叶绿素吸收稍有下降，对植物的光合作用和形态建成的影响下降510nm400nm 被叶绿素和胡萝卜素强烈吸收，能强烈影响光合作用,并抑制植物的生长,使之形成矮粗形体400nm315nm 被叶绿素与原生质吸收，对光合作用稍有影响，对植物无特殊效应315nm280nm 被原生质吸收，强烈影响植物形态建成,影响生理过程,刺激某些生物合成280nm 被原生质吸收，大的剂量能使植物致死不同的光在植物生长的不同时期有着不同的作用。在种子萌发期间，白光、蓝光及黑暗情况下，植物种子能够很好地发芽。适量的红光也能够促进种子的萌发。茎的生长也受到光的影响，红光促进茎的伸长，而蓝光抑制茎的伸长。此外，不同光质对叶绿素的合成也有不同的影响，其中红光更有利于叶绿素的合成。综上所述：不同波段的光对于植物的影响是不同的。通过光谱搭配就可以实现对植物生长的人工调控2.3光强对植物的影响光强7对植物的光和效率有很大的影响，较高的光照有利于植物的生长和营养物质的累积，适量地提高光强有利于果实的成熟，提高植物的产量和品质。根据植物对光强适应的生态类型可分为阳性植物、阴性植物和中性植物。对于大部分植物来讲，温室内阴性植物需要5002500lx 的光照射，中性植物需要250030000lx 的光照射，只有在较高的光强下植物才能高效率的生长。光照强度与LED本身特性、数量、排列以及照射距离等有关，设计时应测量单颗LED的光强和光照度，确定光通量的空间分布和照射面分布，进而确定照射距离和面积。设计定原则既要满足植物的光补偿点，又要保证光照均匀。2.4光周期对植物的影响所谓光周期是指一天中，日出至日落的理论日照时数，而不是实际有阳光的时数。植物的光周期现象是指植物的花芽分化、开花、结实、分枝习性、某些地下器官的形成受光周期的影响而言。不同的植物需要的光照时间不同，例如根据对光周期的反应蔬菜可分为3类:长光性蔬菜，在较长的光照条件下(一般在124h以上)能促进开花而在较短日照下不开花或延迟开花；短光性蔬菜，是指在较短光照条件下(124h小时以下)能促进开花结实，而在较长光照下不开花或延迟开花；中光性蔬菜，是指在较长或较短的光照下都能开花，它们适应的光照长短范围很大。可以看出，长时间的光照并不一定对所有的植物生长有利。给光的时间应该控制在13个小时左右，在给光的时间里，应对植物进行间歇给光，这样对绝大多数的植物都能在其中生长。因此在LED组合光源中，也要合理的控制补光时间。3样机的设计基于单片机控制的LED设施农业光源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。LED组合灯具由若干个单元模块组成的LED阵列构成，LED驱动器采用降压式恒流驱动方式驱动LED阵列，电路控制系统用来实现植物补光总时间设定、光质的搭配、光强调整以及闪频、连续和间断工作方式的设定。软件设计即通过编写单片机程序来控制硬件控制电路，从而控制驱动电路电流，以实现对不同参数的实现。下面是光源系统结构示意图。（见图3-1）LCD显示按键操作实时时钟单片机PWM方波可定时调节占空比（光强）驱动电路LED组合灯具存储芯片（保存系统设置）图3-1光源系统结构示意图3.1硬件设计3.1.1LED组合灯具设计根据作物的生长、发育、开花、结果对光的选择性，针对植物的光合作用、光形态建成反应、光周期调节对光谱的选择性，确定设施农业专用LED组合灯具的主光谱辐射区。LED发射的窄单色红光光谱(620625nm)、蓝光光谱(470475 nm)，与光合色素，尤其是叶绿素a,b的吸收波长相匹配。白光 LED发射的光谱在420490 nm和510710nm范围内最强，也与植物光合色素吸收光谱吻合。因此，LED组合灯具采用红色(66020nm)、蓝(45020nm)、远红(75020nm)和暖白四色LED搭配而成。突破了传统的点、线光源技术缺陷，LED组合灯具采用模块化阵列式的设计理念，考虑到工程上最便利使用的方式为工整阵列，且以方阵最为对称，因而设计中以行、列数各为5 之方阵组成一个基元模块（由八只红色、四只蓝色、一只白色、两只紫色和近红外LED组成），再由若干个基元模块组成LED阵列平面光源，可以实现均匀照射。（如图3-2）红白蓝紫外图3-2LED基元模块与4基元LED阵列平面光源红外大功率LED可以有效地提高组合光源的光照强度，但结温高成为制约其发光效率的瓶颈，因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。PCB板采用铝基板、背面用专用散热片和轴流风扇三种途径散热。同时我们在铝基板和散热片上涂覆一层高辐射的红外涂料二氧化钛，它能有效地把产生的热量辐射出去，从而保证大功率LED的正常工作。3.1.2LED恒流驱动电路设计大功率LED一般电流大小在几十到几百毫安之间，功率可达1W、2W甚至数十瓦。本设计采用1W LED，电流约300-350mA，额定电压根据颜色不同在1.7-4.2V不等。由于电流的稳定性直接影响LED的使用寿命，故设计的驱动电路里，采用降压恒流驱动方式，利用SN3352芯片完成LED阵列驱动电路的设计，具有1200：1调光比，5%的输出电流精确度，两种方式（直流/PWM）实现芯片开关和调光功能，高达1MHz的开关频率，并且具有固有LED开路保护功能，过热保护功能，温度补偿功能等特点。（见图3-3）采用恒流驱动方式为LED提供所需的稳定电流。这样还可以简化因LED额定电压不同而带来的恒压驱动设计困难问题。LED恒流驱动电路安装在LED阵列基板上，由电压输入端，控制信号输入端，输出端组成，通过调节PWM方波信号来控制光质、光周期、光闪烁，通过调节方波占空比来控制输出光强。图3-3驱动电路注意：每个SN3352可以在下一级驱动三个SN3352。为了保持电流的一致性，要求驱动不超过3级。因此，在一个系统里最多可以有13个SN3352芯片。3.1.3单片机控制电路设计主控制器以宏晶单片机STC89C54RD+为核心，外加按键电路，LCD显示电路，系统参数存储器件及LED驱动控制电路。单片机中固化系统软件，完成所需的：色质，光强，频闪，间隔，定时等各种需要。单片机写有程序，用于调控并设定LED的驱动电流，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接口驱动电路和串行数据接口连接LED恒流驱动电路，按键电路，显示接口电路和数据存储电路均与单片机连接。（电路图见附录）3.2软件设计系统软件固化在控制器的单片机内，在KELL软件开发语言环境中用C语言编程，系统软件采用流行的模块法编程，主要包括人机接口(键盘驱动模块，LCD驱动模块)，LED控制模块，设定参数存储模块，各司所能，有主程序统筹协调各模块依存关系，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。3.2.1人机接口用于选择“菜单”“上”“下”“左”“右”五个功能键，实现人机交互。“上”“下”“左”“右”用于菜单中不同功能选择，“菜单键”用于不同功能的确定和返回。当完成功能选择后按下“菜单键”完成键的识别，并通过调用功能函数方式调用该功能对应的子程序来实现相应的参数设定和调控, 功能明确，易于使用。采用LCD12864作为用户图形界面，主、子菜单同时显示，配合按键，完成系统参数及LED控制参数设定。(菜单列表：1.时间设定；2.色质设定(红蓝白)；3.光强设定(1-99%)；4.频闪设定(0.1-9.9s)；5间隔设定(1-99min)；6定时设定(红蓝白分别三组定时)3.2.2色质控制方法采用内部标志位实现色质控制。3.2.3光强控制方法由SN3352芯片手册获知采用100HzPWM波控制其光强，通过调节PWM波的占空比来控制光强，使光强在1-99%步进可调，每步1%。3.2.4频闪，间隔，定时控制方法三者由内部时钟统一驱动，配合各种标志位完成其各种功能。各模块程序写入控制器的单片机中，通过控制器控制LED恒流驱动电路，进而控制LED阵列，使整个光源系统按照已经设定的各种参数协调工作。系统初次上电默认进入设置状态，按上下键可选择具体需要设定选项，选择后按菜单键进入具体设定，左后键(或上下键)可选择具体需要设定选项，上下键(或左右键)可以调节其参数值；调整完毕后再次按菜单键可退出子菜单，返回主菜单；参数都设定完毕后选择退出即进入工作状态，再次按菜单键可进入设置状态。3.2.5 程序流程图在程序流程图中，按照逻辑功能设置编写程序，系统初次上电默认进入设置状态，然后进行功能的设置，通过菜单键确认，通过返回键（菜单键）返回功能菜单,程序流程图如图3-4所示。退出待机状态菜单键功能设置逻辑开 始功能设置逻辑时间设定色质设定光强设定闪烁设定间隔设定初始逻辑图3-4程序流程图3.2.6单片机程序单片机程序运用C语言编写，程序大体结构分为主程序和子程序两部分，主程序实现清屏然后初始化显示后通过调用目标子程序来实现不同功能的设置执行，实现对驱动电路的控制，调节组合灯具实现对光谱的柔性调节，满足植物对不同光谱的需求，以达到合适的补光效果。（具体程序见附录）4LED组合光源的适用范围及发展前景设施农业LED专用组合光源是根据作物对光的选择性吸收而设计的，具有以下特点：其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于作物照明，针对性强，光效高；LED组合光源采用大功率红、蓝、白、红外和紫外五色LED搭配而成，光束不产生热量，属于绝对冷光源，可以实现“零”距离照射；突破传统的点、线光源局限，LED组件光源是集成阵列式设计，具有平面化、可设计性强的优势，可以实现均匀覆盖；可以方便的实现五色光分布比例自由组合搭配，是科研工作者研究植物光反应、光合作用的专业光源。此外，本光源还具有响应时间快、光强集中、体积小、节能、绿色环保等优点，预计本光源将会在以下领域得到广泛应用。4.1光照培养箱目前市场上培养箱种类繁多，大多采用荧光灯管作为光源，因其波长和光通量分布是固定的，且波长范围很宽，不能满足实验和科学研究需要特定波段的光谱的需要。因LED专用组合光源具有波宽窄、波长类型丰富、光色光质可调，可控性强特点，适用于各种培养箱，极大地提高了应用性能和光的利用效率。4.组培光源20世纪90年代以来，世界各国都在积极研究利用LED作为组培光源的可行性。组培苗的光合作用完全依赖于人工光源。组培苗生长在透光容器中，并置于多层架上，呈立体栽培模式，由此引起的层间遮光、同层容器间遮光和容器自身对苗的遮光现象，致使组培苗的受光特性完全不同于温室作物。并且组配苗的生长对光质的要求很高，但组培苗对光强的需求相对较低。LED组合光源的体积小、几乎不发热、高效、节能、光质可控性好的特点，对倡导工厂化、自动化、节能、高效的组培育苗产业来说必将具有更广阔的应用前景。4.温室种植业人工补光光源温室产业为解决城乡居民菜篮子工程，为推进农业产业化调整发挥了重要作用，在现代化生产中占据了重要地位。光环境是温室气候环境的主导因子，光不仅是植物进行光合作用的能量源，也是光形态建成的信号源。LED组合光源解决了单颗LED光照度有限、光质不丰富的瓶颈，具备了很多适于温室植物生产应用方面的优点，例如：体积小，近距离照射，可用于多层栽培立体组合系统，亮度高，能耗低，光利用率大。未来的LED组合光源还将有许多新的应用方式。例如，LED组合光源移动，可大大降低运行成本；实现脉冲式间歇式照射，使作物又足够的暗期合成有机物，从而促进植物生长。预计在不久的将来，随着半导体光源性能的不断完善，价格进一步降低，以LED组合光源为核心的人工补光技术必将在可控环境农业领域发挥重要作用。4.构建植物工厂作为设施园艺的最高级发展阶段的植物工厂，被认为是 21世纪农业取得革命性突破的重要技术手段之一。节能降耗已经成为人工完全控制型植物工厂的重要课题。LED组合光源高效节能，绿色环保的优势，可使作物栽培层的间距和空间利用率成倍提高，进而促进植物工厂的普及与应用。21世纪被誉为“光的世纪”，展望未来，随着能源紧缺和设施农业的不断发展，节能光源LED取代现有植物生长光源，实现植物的高效生产，具有广阔的应用前景。研究植物补光LED专用系列光源和基于单片机控制的大功率植物补光专用LED组合光源将是我们下一步研究的重点。参考文献1曲溪，叶方铭等LED灯在植物补光领域的效用探究J灯与照明，2008,02：442徐志刚组培微环境与规模化育苗设施环境调控的研究D博士论文，2002：19243沈允钢，王天铎.光合作用上海：上海科学技术出版社，1978：50634童哲.光形态建成，植物生理生化进展J1987，13（5）：985张蕾光质在植物生长过程中的调控作用D硕士论文，2000，6：496杨其长，张成波植物工厂系列谈（十）高新技术在植物工厂中的应用J2005，10：20217方炜使用LE