CN105163471B - 一种基于红蓝光亮度可调的led植物光源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红蓝光亮可调的LED植物光源系统的设计，属于电子技术领域。该系统由直流稳压系统、单片机系统、基于BCR321U的脉冲驱动红蓝调光系统组成。通过直流稳压系统给单片机提供稳定的工作电压，使单片机系统开始工作，向单片机系统载入控制程序，由单片机的PWM端口输出脉冲信号，用脉冲信号驱动红蓝LED实现调光亮。本发明的目的在于改变LED植物光源系统的红光LED和蓝光LED的光亮度，实现植物在自身光合作用所需的光照环境中生长，并且实现对光能的有效吸收，减少不必要的光能损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED灯系统的设计，具体涉及根据植物在不同阶段的光照需求来设计的一种红蓝光亮度可调的LED植物光源系统的电路设计，本发明属于电子技术领域。
背景技术
随着LED技术的发展，各式各样的人造植物光源已经大量的出现在市场上。当前的人造植物光源是依据人眼的视觉函数曲线，针对人对光谱的灵敏度而设计的，理论基础是光度学，但是针对植物而言，由于植物的光合作用对光谱的需求是由选择性的，其选择光谱的特点与人眼的视觉函数曲线有着本质的区别，因此用普通的照明光源作为植物生长的照射光源光效低，针对性差。多数的LED植物灯按照固定的比例使用红蓝光灯珠，并只能进行开光控制，没有以系统的思路来开发LED光源产品，不能满足植物在不同阶段的光质、光强和光周期的要求。光质是植物生长重要的环境因子，对植物的形态建设、生理代谢、生长发展、基因表达及植物的品质有广泛的作用。植物光合作用速率是由400nm~700nm中植物所能吸收的光子数目决定，而与各光谱所送出的光子数目并不相关。植物光合作用不需要的光谱，给再多也没有用，就是说，植物只能接收一定量特定波长的光作为光合作用，其他波长和过量的特定波长的光对植物并没有益处。根据植物光合作用的光谱吸收图，可以知道采用红光和蓝光组合的LED光源，可实现植物最大的光能利用率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是能提供一种由红蓝组合的LED植物光源，并且红蓝光的光亮度在植物生长的不同阶段是可调的。提出了利用单片机编程来实现调光信号和调光输出的非线性关系（如指数、平方等关系）的方法，使得人眼感觉的调光是一个线性平稳的过程。本发明主要应用于优化植物生长的光照环境。具体技术方案如下：
一种基于红蓝光亮可调的LED植物光源系统，由直流稳压电路、PIC6F505单片机、基于BCR321U单片机的红蓝LED的驱动电路组成；其特征在于：所述PIC16F505单片机产生的两个PWM矩形脉冲信号去控制BCR321U芯片；再由此去改变红蓝LED的驱动电流以及功率，以此来改变红蓝LED的光亮度；设PIC16F505输出的PWM矩形脉冲为，即BCR321U的输入脉冲为，经过BCR321U内部的RC充放电路后的电压为：
由
引入符号 ,得到
矩形脉冲的傅里叶变换式为：
由
所以得到
其中
为了进行逆变换以求得,把表达式写作
则得到：
红光LED和蓝光LED得到的电流分别为和，红光LED和蓝光LED的输入功率分别为和，则：
式中为增益电路的增益系数，、分别为控制红光LED驱动和蓝光LED驱动的BCR321U集成芯片中双向可控硅的导通角，T为RC的时间系数，R为等效电阻，是的峰值。
进一步的，利用单片机编程来实现调光信号和调光输出的非线性关系，使得人眼感觉的调光是一个线性平稳的过程。
进一步的，利用双向可控硅的集成芯片BCR321U，在集成电路中有RC充放电路、增益电路。
进一步的，利用脉冲驱动的方法，利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM矩形波周期的条件下，通过调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比。
进一步的，利用双向可控硅的导通角的，建立导通角与红光LED还有蓝光LED的电流、功率之间的关系式。
进一步的，以红光LED和蓝光LED组合形成的植物光源，对植物生长需要的光谱具体较强的针对性，促进植物对光能的较优吸收。
该基于红蓝光亮度可调的LED植物光源系统，根据植物在生长的不同阶段对光照的需求量来改变LED植物光源的红、蓝LED光亮度，使得植物能够最大化的利用光能，获得最佳的生长环境，还可以最大限度的减少不必要的光能损耗，有节能的功效。
附图说明
图1是LED植物光源系统的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的基于红蓝光亮度可调的LED植物光源系统，其结构有直流稳压电路、PIC16F505集成芯片、基于BCR321U的脉冲驱动红蓝调光电路。该光源是由红光LED和蓝光LED所组成的。
如图1所示，在稳压直流电路中，首先变压器起变压的作用，即将输入电压通过变压器后为单片机提供工作的电压；变压器连接一个由4个二极管VD1、VD2、VD3、VD4相互连接而成的桥式整流部分，该部分的作用是将交流电转变为直流电；交流电压整流成为直流电压后经过一个电容C2，该电容的作用是起到滤波的作用；稳压二极管DW1与电容C2并联，电路中的定值电阻R1的作用是调节电压以及限制稳压二极管的电流不会超过最大电流。所述的PIC6F505单片机，其VDD管脚接直流稳压电路，写控制程序载入到PIC6F505单片机，由单片机的RB2、RC0两个PWM端口输出两个矩形脉冲分别为PWM1和PWM2以分别控制红光LED和蓝光LED的驱动，VSS管脚接地。当直流稳压电路把稳定的电压传给PIC16F505的VDD时，该管脚的电平为高电平，PIC16F505单片机开始工作。单片机的工作由编写的程序来控制，RB2端口输出PWM1，RC1端口输出PWM2。所述的基于BCR321U的脉冲驱动红蓝调光电路是由BCR321U集成芯片、3红色发光二极管D1、D2、D3和3个蓝色发光二极管D3、D4、D5、两个电感线圈L1、L2组成。PWM是脉冲宽度调制，利用单片机编程来改变脉冲的宽度或占空比来调整电压从而达到控制电流的目的。PIC16F505的RB2连接驱动红光LED发光的BCR321U的EN端口，PWM1脉冲控制红光LED的驱动电路；PIC16F505的RC1连接驱动蓝光LED发光的BCR321U的EN端口，PWM2脉冲控制蓝光LED的驱动电路。
BCR321U是基于双向可控硅的集成芯片，在该集成芯片上有RC充放电电路还有增益电路等。设PIC16F505输出的PWM矩形脉冲为 ，即BCR321U的输入脉冲为，经过BCR321U内部的RC充放电路后的电压为：
由
引入符号 ,得到
矩形脉冲的傅里叶变换式为：
由
所以得到
其中
为了进行逆变换以求得,把表达式写作
则得到：
红光LED和蓝光LED得到的电流分别为和，红光LED和蓝光LED的输入功率分别为和，则：
式中为增益电路的增益系数，、分别为控制红光LED驱动和蓝光LED驱动的BCR321U集成芯片中双向可控硅的导通角，T为RC的时间系数，R为等效电阻，是的峰值。
当和不同时，红光LED和蓝光LED的输入电流还有功率就会不一样。改变和，从而达到调节红光LED的光亮度还有蓝光LED的光亮度的效果。
Claims (4)
1.一种基于红蓝光亮可调的LED植物光源系统，由直流稳压电路、PIC16F505单片机、基于BCR321U单片机的红蓝LED的驱动电路组成；其特征在于：所述PIC16F505单片机产生的两个PWM矩形脉冲信号去控制BCR321U芯片；再由此去改变红蓝LED的驱动电流以及功率，以此来改变红蓝LED的光亮度；设PIC16F505输出的PWM矩形脉冲为v1(t)，即BCR321U的输入脉冲为v1(t)，经过BCR321U内部的RC充放电路后的电压为v2(t)：
由
引入符号得到
矩形脉冲v1(t)的傅里叶变换式为：
其中E为电场强度；
由v2(jω)＝H(jω)·v1(jω)
所以得到其中H(jw)为系统的复频响应函数；
其中
为了进行逆变换以求得v2(t),把v2(jω)表达式写作
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则得到：
v2(t)＝E[u(t)-u(t-τ)]-E[e-αtu(t)-e-α(t-τ)u(t-τ)] ＝E(1-e-αt)u(t)-E(1-e-α(t-τ))u(t-τ)
红光LED和蓝光LED得到的电流分别为ired和iblue，红光LED和蓝光LED的输入功率分别为Pred和Pblue，则：
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式中μ为增益电路的增益系数，φ1、φ2分别为控制红光LED驱动和蓝光LED驱动的BCR321U集成芯片中双向可控硅的导通角，T为RC的时间系数，R为等效电阻，v2max是v2(t)的峰值。
2.根据权利要求1所述的一种基于红蓝光亮可调的LED植物光源系统，其特征在于：利用单片机编程来实现调光信号和调光输出的非线性关系，使得人眼感觉的调光是一个线性平稳的过程。
3.根据权利要求1所述的一种基于红蓝光亮可调的LED植物光源系统，其特征在于：利用双向可控硅的集成芯片BCR321U，在集成电路中有RC充放电路、增益电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于红蓝光亮可调的LED植物光源系统，其特征在于：利用脉冲驱动的方法，利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM矩形波周期的条件下，通过调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A LED plant light source system based on adjustable brightness of red and blue light Effective date of registration: 20231111 Granted publication date: 20170926 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Dongyang sub branch Pledgor: HENGDIAN GROUP TOSPO LIGHTING Co.,Ltd. Registration number: Y2023330002597 |