LED组合光源的优化设计及其在温室植物生产中的应用

摘要

光是影响植物生长最关键的环境因素之一，温室大棚已完全使用人工光源进行生产活动。本文针对小功率LED的光照特性以及LED植物补光光源的结构特点，建立了红蓝光组合LED阵列的光照度分布模型，通过MATLAB仿真研究了LED组合光源光照度分布特性与变化规律。在此基础上研发了基于单片机控制的LED组合光源，克服了传统温室人工光源的不足，主要研究结果如下:　　1、测量了单颗红光、蓝光和远红光LED的光电参数，包括光谱分布特性、伏安特性、空间光强分布特性等，为后续的模拟仿真做好了准备。　　2、建立了单颗LED的光学模型，根据叠加原理推导出了两颗LED光源光照度合成公式并根据相同原理进一步推导出了单色光LED方阵和红蓝光LED组合阵列的光照度合成公式。根据斯派罗法则确定了LED间的最优化距离。　　3、采用两种不同形式的排列，方案一为红蓝光LED均匀间隔整行排列，方案二为每行每列中红、蓝光LED交错均匀排列，其中LED的间距可调。根据照度公式并基于MATLAB的数值计算表明:方案二优于方案一，其照明区域内的红、蓝光光通量比除边缘外基本均匀一致;对方案二LED阵列进行了详细仿真和分析，得到了光照度分布特性及变化规律，为LED组合光源设计提供了精确的参考依据。　　4、采用模块化设计理念，研制了基于单片机控制的LED组合光源。该光源采用STC12C5A60S2单片机实时监测LED基板温度和光强，并通过脉宽调制信号控制红、蓝光LED，对光质、光强、光周期和工作方式进行动态调节，以满足温室植物在不同阶段对补光量的需求。　　5、研究了红光、蓝光和远红光LED不同光质比例补光对绿萝扦插苗和石竹苗生长的影响，取得了良好的培养效果。结果表明，红光与远红光光通量之比(R/FR)与绿萝节总长、节间数、节长、叶片数和叶面积呈负相关，与绿萝叶绿素相对含量呈正相关。

目录

声明

摘要

引言

第一部分 文献综述

1．1 植物对光的需求

1．1．2 植物的光强需求

1．1．3 植物的光周期需求

1．2 温室植物生产用人工光源研究进展

1．2．1 目前主要使用的温室人工光源及其不足

1．2．2 LED光源及其优势

1．2．3 LED植物补光系统开发

1．3 本文主要研究内容

第二部分 单颗LED光电特性研究

2．1 LED结构及发光机理

2．2 LED的电学特性

2．3 LED的光学特性

2．3．1 光通量

2．3．2 发光强度

2．3．3 光照度

2．3．4 LED相对光谱能量分布

2．4 单颗LED的选择

2．5．1 测试仪器介绍

2．5．2 红光LED测试

2．5．3 蓝光LED测试

2．5．4 远红光LED测试

2．6 本章小结

第三部分 LED组合光源优化设计及仿真

3．2．1 单颗LED光学模型

3．2．2 斯派罗法则

3．2．3 矩形LED阵列的光照度分布

3．3 LED组合光源设计及仿真

3．3．2 红蓝LED组合阵列设计方案

3．3．3 红蓝LED组合阵列性能仿真分析

3．4 本章小结

第四部分 基于单片机控制的LED组合光源设计

4．1 总体设计方案

4．2 硬件设计

4．2．1 LED组合阵列设计

4．2．2 单片机系统

4．2．3 驱动电路

4．2．4 传感信号采集电路

4．2．5 用户交互模块

4．2．6 定时开关电路

4．3．1 KEIL C软件介绍

4．3．2 程序流程

4．4 本章小结

第五部分 LED组合光源在温室植物生产中的应用

5．1 绿萝补光

5．1．1 材料与方法

5．1．2 试验结果和结论

5．1．3 小结

5．2 石竹补光

5．2．1 材料与方法

5．2．2 试验结果和结论

第六部分 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

个人简介

致谢