基于單片機的LED水族光源的設計

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制固化、不可調、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水族光源成為科學工作者競相研究的重點。

2 設計原理

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化、生長、成熟。在太陽光譜的可見光的范圍內，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、光建成的紅光誘導和長波紅光誘導五個主要植物光生化反應作用光譜（見圖1）是一致的。綠色水草的葉綠素對紅色光和藍色光的吸收能力較強，紅色水草體內的葉黃素和胡羅卜素對綠色和藍色的光譜的吸收能力強。

2.2光質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，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組合光源的設計

基于單片機控制的LED水族照明裝置主要包括兩方面設計：硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括LED組合燈具、LED驅動器和電路控制系統(tǒng)三大部分（結構框圖見圖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、時長的分段自動調控。軟件設計采用模塊化程序設計思想，依據(jù)光譜柔性組合與調控方法用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燈具結構設計

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、線光源技術缺陷，LED組合燈具采用模組式設計，由1組主燈條（3W的4藍、6白、2紅LED）和1組月光燈條（1W的4藍、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，配合兩側納米反光條，使光線最大程度的集中于水族箱內，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、鋁質側齒散熱燈槽）和被動散熱（軸流風扇、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，結構示意圖見圖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—鋁質側齒散熱燈槽;6—循環(huán)水散熱器;7—線路板;8—燈箱頂蓋;9—風扇

3.2驅動電路設計

利用SN3352芯片，采用降壓恒流驅動方式完成LED驅動電路的設計。SN3352芯片輸入電壓范圍為6V至40V，輸出電流高達750mA，輸出功率高達30W，集成了溫度補償電路，具有過熱保護和溫度補償功能。通過PWM脈寬調制技術實現(xiàn)芯片開關和調光功能。一個基元的電路原理圖見圖5.

3.3電路控制系統(tǒng)設計

3.3.1控制器電路設計

主控制器以STC89C54RD+單片機為核心，由單片機電路，I/O接口驅動電路，系統(tǒng)參數(shù)存儲電路，按鍵電路，LCD顯示電路，GSM遠程控制電路及LED驅動控制電路組成。單片機寫有C語言程序，用于調控并設定LED的驅動電流強度、工作頻率和脈沖寬度，以滿足對光譜柔性調節(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恒流驅動電路、按鍵電路、LCD顯示接口電路、GSM遠程控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路相連接。各組塊有機結合，各司其職，協(xié)調合作。

3.3.2GSM遠程控制系統(tǒng)的設計

基于OEM板，使用串口實現(xiàn)與C89C54單片機進行通信。GSM遠程控制系統(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，然后進行LED燈具燈亮滅及發(fā)光顏色遠程控制，具有結構簡單、可靠性高、成本低等特點。