CN102883510A - 一种led植物生长灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种LED植物生长灯,其包括灯板、LED灯和控制装置;LED灯安装在灯板上,且LED灯与控制装置电性连接;控制装置内设有电源、控制电路、键盘和显示装置,控制电路包括开关、单片机、实时时钟电路、检测电路、光隔调光、调节电路和通信电路;电源、键盘、显示装置、实时时钟电路、检测电路、光隔调光、调节电路、通信电路均电性连接于单片机。本发明LED植物生长灯采用单片机测控技术,使LED光源的光量、光质和光周期实现可调,以适应不同植物生长期的需求,且本发明设置有照度与温度,湿度检测与控制调节环节,可自动启/停空调、风扇、加湿机等装置为植物生长提供适宜环境,因此具有较高智能化水平与较强的实用功能。

Description

—种LED植物生长灯
技术领域
[0001] 本发明涉及一种植物生长灯,特别是指一种智能LED植物生长灯。
背景技术
[0002] 我国在21世纪前十年已逐步将LED灯应用于现代农业生产领域中,由于它具有能耗低、寿命长、而且还能根据作物的需要调节光质、光量,促进作物生产发育,显著提高了产量与品质,因此,正越来越受到人们的关注。
[0003] 有资料记载,不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的,植物光合作用需要的光线,波长在380〜780纳米之间;而波长在380〜520纳米之间的蓝紫光以及波长在610〜780纳米之间的红橙光对于光合作用贡献最大。
[0004] 蓝色LED发出的波长通常在450纳米左右的蓝光以及红色LED发出的波长在660纳米左右的红光,刚好可以提供植物所需的光线。因此,用于促进植物生长的所谓植物灯,比较理想的选择就是使用这两种颜色组合,蓝色光能促进绿叶生长,红色光有助于开花结果。所以,对不同植物,以及其生长周期中去调节红色和蓝色光的比例,能达到最佳生长效
果O
[0005] 然而现有的LED植物生长灯只能达到对植物补光的效果并未为植物生长提供适宜的环境。
发明内容
[0006] 本发明提出一种智能LED植物生长灯,解决了现有技术中LED植物生长灯无法为植物生长提供适宜环境的缺陷,其结构简单,能完成对LED光源的光量(光照强弱)、光质(光谱成分及比例)、光周期(明暗期时间)实现调节,以适应不同植物生长的需求,所设置的照度与温度、湿度检测及控制调节环节,可自动启/停空调、风扇、加湿机等装置,为植物生长提供适宜环境。
[0007] 本发明的技术方案是这样实现的:
[0008] 一种LED植物生长灯,其包括灯板、LED灯和控制装置;
[0009] 所述LED灯安装在所述灯板上,且所述LED灯与所述控制装置电性连接;
[0010] 所述控制装置内设有电源、控制电路、键盘和显示装置,所述控制电路包括开关、单片机、实时时钟电路、检测电路、光隔调光、调节电路和通信电路,且所述电源、所述键盘、所述显示装置、所述开关、所述实时时钟电路、所述检测电路、所述光隔调光、所述调节电路和所述通信电路均电性连接于所述单片机。
[0011] 进一步,所述LED灯包括红光单元和蓝光单元。
[0012] 进一步,所述检测电路包括照度检测电路、温度检测电路和湿度检测电路。
[0013] 进一步,所述LED灯与所述光隔驱动电性连接,且所述光隔驱动与所述LED灯之间电性连接开关。
[0014] 进一步,所述键盘与所述显示装电性连接至所述单片机上。[0015] 进一步,所述控制电路上进一步设有模拟数字A/D转换器所述A/D转换器电性连接所述温度检测电路和所述湿度检测电路。
[0016] 进一步,所述监控电路电性连接于所述单片机与所述A/D转换器之间。
[0017] 进一步,所述控制电路进一步设有光隔调光,且所述光隔调光电性连接于所述单片机与LED灯之间。
[0018] 进一步,所述控制电路进一步设有继电器输出电路,且所述继电器输出电路可控制空调机和加湿器。
[0019] 进一步,所述LED植物生长灯进一步设有计算机,所述通信电路为光隔RS-485通信电路,所述光隔RS-485通信电路与所述计算机电性连接。 [0020] 本发明LED植物生长灯采用单片机测控技术,使LED光源的光量(光照强弱)、光质(光谱成分及比例)和光周期(明暗时间)实现可调,以适应不同植物生长期的需求,并设有照度、温度和湿度检测及控制调节环节,可自动启/停空调、风扇、加湿机或喷水等装置,为植物生长提供适宜环境。还设置有实时不掉电时钟,对光照时间,以及上述光源三参数,所需温、湿度参数均可由人工通过键盘及数码显示器加以设定、修改。此外,还有RS-485通信接口,可方便与计算机机联机,实行自动监控与管理。所以具有较高智能化水平与较强的实用功能。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图I为本发明LED植物生长灯控制装置的电路结构框图;
[0023] 图2为本发明LED植物生长灯控制装置的电路原理图;
[0024] 图3为本发明某一路LED灯驱动电路图。
具体实施方式
[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0026] 参照图I至图3,一种LED植物生长灯所述LED灯9安装在所述灯板上,且所述LED灯9与所述光隔驱动晶闸开关10电性连接。所述控制装置内设有:单片机I、电源2、键盘3和显示装置4,实时时钟电路5、模拟数字转换器6、微处理器监控电路7、检测电路(照度检测81、温度检测82、湿度检测83)、光隔调光11、调节电路12和通信电路13 ;且所述电源、所述键盘、所述显示装置、所述开关、所述实时时钟电路、所述检测电路、所述光隔调光、所述调节电路和所述通信电路均电性连接于所述单片机I。
[0027] 所述开关为晶闸管开关,且所述LED灯9受控于所述晶闸管开关10 ;所述键盘与所述显示装置经键盘/显示接口芯片U2接至所述单片机上。[0028] 本发明采用AT89C55WD单片机作为监控器的MCU,它是AT89C52增强型单片机,片内的Flash程序存储器由8KB增加到20KB,还增加了看门狗定时器(WDT)与断电标志(POF)等功能,而指令系统和输出引脚与AT89C52完全兼容。把Ptl 口的8位作为LED灯的开/关控制,P2 口高4位作为须调光LED灯控制。P2 口低4位作为继电器输出控制,可按需求灵活连接有关设备。P3-C1〜P3-2仍作UART串行口,实现RS-485通信功能。而其它各口线均定义为I/O使用,以便与外围串行接口芯片U2 (键盘/显示专用芯片HD7279A)、U4 (串行实时时钟芯片DS1302)、U5(8位串行A/D芯片ADC0832),U6 (串行UP监控芯片X5045)相匹配连接。
[0029] 实时时钟电路5作为开/关灯定时控制电路,计量光照时间,记录信息传送等提供准确计时。这里采用串行实时时钟芯片DS1302(U4),通过简单的三线与MCU接口,由程序软件进行读/写操作,可提供年、月、日、时、分、秒和星期等实时时钟信息。通过外接3. 6VNi-Cr电池并将5V电源经R2. D1对其涓流充电,这样构成不掉电日历时钟。实时时钟亦可通过键盘键入数据进行校准或设置,以适应植物生长光周期的需要。
[0030] 所述键盘/显示器3,4采用HD7279A(U2)键盘/显示器接口芯片,它能同时驱动8位共阴LED数码管和64键键盘。与CPU间采用串行接口方式仅用4根口线(Pu'Pu),现在我们只用16个键盘除O〜9十个数字键外,还设置了 “灯控”键,用于控制投入照明LED灯数量与是否进行调光控制,以保证不同作物生长所需的光量与光质(光谱)。此外,还有“时控”、“温控”、“湿控”键,用于灯光定时控制与温室环境温度、湿度的控制,最后还有“确认”键,即按下所需设置键与所需数字键后,再按“确认”键,控制器才能识别并转入相应服务程序,投入相应工作。除了设置显示外,还具有定时轮番显示功能。
[0031] 进一步,所述LED灯9包括红光单元和蓝光单元。通过灵活的设置红光单元和蓝光单元的比例,从而可以根据植物的不同生长阶段来调整红光单元和蓝光单元的比例,促进植物的生长。
[0032] 进一步,所述检测电路包括照度检测电路81、温度检测电路82和湿度检测电路83。所述照度检测电路81仅用于白天时段因天气阴暗而自动点亮LED灯照明,而在夜间该检测口(Pd由程序软件屏蔽。采用NE555芯片与光敏电阻Re、电位器Rp等组成施密特触发器电路(见U3周围电路)只有当天气阴暗时,Re阻值增大,使与Rp分压后,电平低于IY阈值(1/3VC)则NE555输出置位(高电平),由UpP^4 口检测后,启动LED灯,进行补光照明。R1C3组成防雷电闪光抗干扰电路。对温度、湿度进行检测,是为了给植物补光时,创造一个有利的生长环境,当温度过高或太干燥时应自动开启空调机,风扇,加湿机等设备,以维持合适的温、湿度环境使光照更加有效。使用温度传感器LM35DZ(U7)测温范围O〜100°C,温度精度±1°C,灵敏度为10mV/°C。在温度t°C时输出电压V。= t*10mV/°C。为了与A/D转换相匹配须经运放LM358(U8)放大,放大倍数K= (1+R7/R6)为5倍。即当测温满标100°C时,输入到 A/D 转换器 6 的 CHtl 端的电压为 Vin = 5V0 = 5*100*IOmV/°C = 5000mv = 5V。湿度检测83由集成湿度传感器808H5V5来完成,它内部已包括传感信号放大电路,输出电压为O. 8〜3. 9V,对应湿度范围为O〜100% RH,可以直接输入到U5的CH1输入端。已经放大调理的温度、湿度输出电压须经A/D转换器转换成数字信号才能被MCU采集。这里由U5 (ADC0832)来实现,它是8位串行A/D转换器,有2个输入通道,8位分辨率,逐次逼近型,基准电压为5V具有功耗低(15mw)性价比较高等特点。采用SPI串行外围接口方式与单片机P3.3〜P3.6 口线连接。MCU所采集温、湿度数据除显示外,还与键入设定值比较,以确定是否进行温、湿度控制。
[0033] 进一步,所述LED灯与所述光隔驱动电性连接,且所述光隔驱动与所述LED灯之间电性连接开关。
[0034] 进一步,所述键盘与所述显示装电性连接至所述单片机上。
[0035] 进一步,所述控制电路 上进一步设有模拟数字A/D转换器所述A/D转换器电性连接所述温度检测电路和所述湿度检测电路。
[0036] 进一步,所述监控电路电性连接于所述单片机与所述A/D转换器之间。
[0037] 进一步,所述控制电路进一步设有光隔光隔调光,且所述光隔调光电性连接于所述单片机与LED灯之间。
[0038] 进一步,所述控制电路进一步设有继电器输出电路,且所述继电器输出电路可控制空调机和加湿器。
[0039] 进一步,所述LED植物生长灯进一步设有计算机,所述通信电路为光隔RS-485通信电路,所述光隔RS-485通信电路与所述计算机电性连接。
[0040] 本发明共有8组LED灯9可实行白天阴暗时自动“光控”控制,亦可从键盘键入“时控”、“灯控”及定时值与灯投入组数等进行定时,定量LED灯照明控制,此时与夜晚照度检测口被屏蔽(无效)。8组灯控制接口为Ptl.Cl-Pa7t5当口为低电平时,经过零型晶闸管光电耦合器(M0C3081)驱动双向晶闸管(Q2〜Q9)导通,于是所需投入的灯组点亮。为了调节光量与光质,红/蓝光(R/B)比例,设置了四路可调光信号输出11),从P2.4〜P2.7接口由软件产生占空比可调的PWM信号,经PC817光耦输出,对所须灯组进行调光。
[0041] 下面是具体的某一路LED灯组驱动电路设计,参照图3,输入电压经L1J1〜C4组成EMI滤波器,D1〜D4桥式整流,C5, C6滤波后输入直流电压,作为LED灯组电源。由U1与Q1, L2, D5, LED等构成BUCK开关变换器,该变换器与传统BUCK变换器不同,它将开关管Q1移至IJ电感L2之后,这样使得源极S可以接到低电位(或地),以方便对Q1驱动。LED与L2串联,而续流二极管D5与该串联电路反并联,这样电路不但简单,而且不需输出滤波电容,降低了成本。
[0042] LED灯有红光(R)单元与蓝光(B)单元,均采用模块化设计,以便拼装、更换。功率有12W、18W、24W、36W等多种规格。以下以18W红光LED灯为例进行设计:
[0043] 选用GR8210作为LED的驱动器,它内部有一 NMOS管可与外部NMOS管实现串接式结构,这样具有宽的输入电压范围(90〜264Vac),最大输出电流为O. 8A,具有多种调光功能以及短路电流保护与过温保护等功能,是一款较好LED驱动器。
[0044] 图3电路中主要参数计算如下:
[0045] 电感器L2
[0046] 采用IW红光LED管18pcs串联,恒流值350mA。
[0047]总压降Σ Vf = 3*18 = 54V。
[0048] 设置输出电流涟波(峰对峰值),建议值为输出电流的10%〜100%,取K = 40%。则 Irippie = O. 35*0. 4 = 0. 14A
[0049] 设置截止时间Irff. GR8210的Irff限制范围为5〜42 μ S。欲使系统工作于高频可选用5-20 μ S,这里选20 μ S。[0050]则 L2 = ( Σ VF+VD/Iripple) *Toff =〔 (54+1) /0. 14〕*20 = 7857 μ H ^ 7. 86mH
[0051]取 L2 = 7. 9mH
[0052] 式中Vd为输出二极管导通电压(Vd = O. 7〜IV)。
[0053] Rt 电阻
[0054] GR8210内部流过Rt的电流Ikt = 83. 33PA,Rt的功能为设定系统截止时间,由于Toff = 20 μ S,已确定,所以 Rt = T0FF/IET = 20*1(Γ6/83· 33*1(Γ12 = 240ΚΩ
[0055] Rs 电阻
[0056] Rs为电流反馈电阻,由于GR8210已内建有低通滤波器,故Rs可直接接入。
[0057] Rs = O. 25/IpK = O. 5/ (2+K) *I0UT = O. 5/ (2+0. 4) *0. 35 = O. 595 Ω ^ O. 6 Ω
[0058] Pe = I2*Rs = O. 35*0. 35*0. 6 = 0. 0735W,选用 1/4W 电阻
[0059] Rst电阻与Cst电容:
[0060] 整流滤波后输入电源Vin经Rst降压,Cst滤波后,维持ST端约有15V电压,并作为外部MOS管Q1的驱动电压,一般Rst = 2M Ω,Cst = I μ f/25V。
[0061] 续流二极管D5,与外接MOS Q1选择:由于恒流值为350mA,但输入电压变动范围大,考虑到足够余量,D5 选用 BYV26B (2. 3A/400V),Q1 选用 IRF820 (2. 5A/500V)。
[0062] 从MCU,P2.4〜P2.7接口由软件产生占空比可调PWM信号,经PC817输出,由Rd、C8滤波后产生0-2V电压加至DM脚,即可实现调光,无PWM信号输入时,因DM脚被上拉到电源,不调光。
[0063] 经A/D采入的温度、湿度数值与键盘键入的温度、湿度设定值,经程序软件比较判断后,若超出设定要求,则由MCU P2-C1-P2^ 口线输出信号控制三极管(Qltl〜Q13)导通/截止,于是相对应的继电器J1〜J4动作/不动作,其触点闭合/释放,致使执行电器如空调机、加湿机或风扇等投入工作或停止工作,以维持植物适宜的生长光照环境。
[0064] 利用单片机P3.。〜P3.2UART 口,通过光电耦合器PC817(U26〜U28)与SN74LBC184 (U29) RS-485通信芯片连接,由软件实现与上位PC机联机通信,这样各控制器运行情况与数据等,可由上位机统一管理与监控。上位PC机亦可通过该通信接口对下位的LED灯控制器设定参数进行必要的修改。
[0065] 软件设计采用模块化子程序结构,主要包括初始化程序、监控程序、检测、显示与控制程序、定时控制程序、串行通信程序等.系统初始化程序包括定义MCU的I/O 口,清内存、给有关单元赋初值,设置PC、SP、DPTR等指针。同时,对实时时钟芯片(DS1302),键盘/显示芯片(HD7279A),A/D转换(ADC0832),以及通信接口等进行初始化操作。
[0066] 监控程序中键扫描处理程序与显示程序应密切配合,当有键按下时,读键值并按键值散转到数字键或功能键处理程序入口。这里执行相应控制程序包括定时以及依照度对LED灯进行开/关灯及调光控制,还有温度及湿度控制等程序。
[0067] 以下阐述是上述内容简要小结,以便进一步了解本发明内容。 [0068] 参照图2,为本发明LED植物生长/补光灯控制装置电路图。它能完成对LED光源的光量(光照强弱)、光质(光谱成分及比例)和光周期(明暗期时间)实现调节,以适应不同植物生长的需求,所设置的照度与温、湿度检测及控制调节环节,可自动启/停空调、风扇、加湿机等装置,为植物生长提供适宜环境。
[0069] 图2中所用的单片机是增强型8位单片机AT89C55WD (U1),其扩展U2-U6等多片串行接口芯片,这样大大节省了 MPU有限的I/O 口资源,并降低硬件成本。
[0070] 所外扩的HD7279A(U2)串行键盘/显示接口芯片以及8位数码管和16键数字/功能键盘相配合,可对上述LED光源三参数、以及光照时间,所需温度、湿度参数加以设定、修改及显示。所扩展的NE555(U3)芯片及周边电路组成施密特照度检测电路可用于白天天气阴暗的检测而自动点亮LED灯进行补光。到夜晚该输出口被程序软件屏蔽。所扩展的DS1302 (U4)串行实时时钟芯片以及其周边相关电路构成不掉电实时时钟为开/关灯定时控制,计量光照时间,记录信息传送等提供准确计时。所扩展的ADC0832(U5)是具有2个通道,8位分辨率的串行A/D芯片,它将由温度传感器LM35DZ (U7)测得温度模拟信号经U8放大后加以转换成数字信号,以便MPU采集。同样湿度检测由湿度传感器808H5V5 (U9)来完成,同样须经A/D转换、MPU采集。所扩展的X5045 (U6)是μ p监控器,它具有电压监控以及看门狗的功能,它为MPU提供了因外界干扰而引起程序死循环或跑飞状态的保护功能。此外,内部还具有512B的存贮器,可作为现场参数设定与修改使用。
[0071] 为了适应不同植物生长期间对光照与对环境温、湿度等不同的要求,设置有8组 LED灯的控制电路,由Patl〜Pa7 口输出控制信号(低/高电平),经过零型晶闸管光电耦合器(M0C3081)驱动相应的双向晶闸管(Q2〜Q9)导通/关断,于是所需投入的某几路LED灯被点亮。
[0072] 对于某一路LED灯的驱动电路见图3所示。图中以18WLED灯为例进行设计。采用宽输入电压范围(90〜264Vac)及具有调光功能的驱动芯片GR8210,再外接NMOS管Q1,电感L2及快恢复二极管D5再与18个IW LED串接,构成BUCK开关变换器,可实现350mA的LED灯恒流驱动。其中U1的第3脚DIM端为调光控制脚。
[0073] 为了达到调节光通量与光质[红/蓝光(R/B)比例],设置了四路可调光信号输出,从MPU的P2.4〜P2.7 口由软件产生占空比可调的PWM信号,经PC817光耦输出,由R、C滤波后产生0-2V电压加到GR8210的DM端,可对所须灯组进行调光。
[0074] 为了实现对植物生长环境的温度、湿度的调节与控制,对A/D采入的温度、湿度值与键盘键入的设定值经程序软件比较判断后,若超出设定要求,则由MPU的P2^〜P2.3 口线输出信号控制三极管(Qltl〜Q13)导通/截止,于是相对应的继电器J1〜J4动作/不动作,其触点闭合/释放,致使执行电器如空调机、风扇或加湿机/喷雾器等投入工作或停止工作,以维持植物适宜的生长温、湿度及光照环境。
[0075] 与上位机的通信。利用MPU的P3^〜P3.2UART 口,通过光隔与RS-485通信芯片(SN74LBC184)连接,由软件实现与上位PC机联机通信,这样各控制器运行工况与数据等可由上位机统一管理与监控。
[0076] 综上所述,对LED植物生长/补光灯的设计不仅对LED光源三参数,还对照度、温度、湿度、光照时间等实现设定、检测与调节控制,这样更能为植物提供适宜的生长光照环境,且在测控电路具体实施上采用串行接口芯片,这样较好的节省了硬件成本开销,实现价廉,但功能很强的实际效果。
[0077] 本发明LED植物生长灯采用单片机测控技术,使LED光源的光量(光照强弱)、光质(光谱成分及比例)和光周期(明暗时间)实现可调,以适应不同植物生长期的需求,并设有照度、温度和湿度检测及控制调节环节,可自动启/停空调、风扇、加湿机或喷水等装置,为植物生长提供适宜环境。还设置有实时不掉电时钟,对光照时间,以及上述光源三参数,所需温、湿度参数均可由人工通过键盘及数码显示器加以设定、修改。此外,还有RS-485通信接口,可方便与上位PC机联机,实行自动监控与管理。所以具有较高智能化水平与较强的实用功能。
[0078] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种LED植物生长灯,其特征在于,包括灯板、LED灯和控制装置; 所述LED灯安装在所述灯板上,且所述LED灯与所述控制装置电性连接; 所述控制装置内设有电源、控制电路、键盘和显示装置,所述控制电路包括开关、单片机、实时时钟电路、检测电路、光隔调光、调节电路和通信电路,且所述电源、所述键盘、所述显示装置、所述开关、所述实时时钟电路、所述检测电路、所述光隔调光、所述调节电路和所述通信电路均电性连接于所述单片机。
2.如权利要求I所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述LED灯包括红光单元和蓝光单元。
3.如权利要求2所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述检测电路包括照度检测电路、温度检测电路和湿度检测电路。
4.如权利要求3所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述LED灯与所述光隔驱动电性连接,且所述光隔驱动与所述LED灯之间电性连接开关。
5.如权利要求4所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述键盘与所述显示装置电性连接至所述单片机上。
6.如权利要求1-5中任一项所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述控制电路上进一步设有模拟数字A/D转换器所述A/D转换器电性连接所述温度检测电路和所述湿度检测电路。
7.如权利要求6所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述监控电路电性连接于所述单片机与所述A/D转换器之间。
8.如权利要求7所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述控制电路进一步设有光隔调光,且所述光隔调光电性连接于所述单片机与LED灯之间。
9.如权利要求8所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述控制电路进一步设有继电器输出电路,且所述继电器输出电路可控制空调机和加湿器。
10.如权利要求9所述的LED植物生长灯,其特征在于,所述LED植物生长灯进一步设有计算机,所述通信电路为光隔RS-485通信电路,所述光隔RS-485通信电路与所述计算机电性连接。
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