CN105491719B - 一种兼顾人眼视觉舒适度的led植物生长灯 - Google Patents

一种兼顾人眼视觉舒适度的led植物生长灯 Download PDF

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  • Cultivation Of Plants (AREA)
  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种兼顾人眼视觉舒适度的LED植物生长灯，提出了以植物光和作用为基础，将人眼光度学与植物光合作用相关的色温、照度等计量指标建立换算关系的植物光度学；并以此作为指导，设计了一种植物生长灯，其主要包括：驱动电路模块和恒流稳压模块；恒流稳压模块高效稳定，驱动电路模块以STC单片机作为主控芯片，可根据植物对光的色温、照度等光学指标以及植物的光合作息规律等不同需求而设定多种光照模式，从而为植物提供优质的照明环境而达到植物增产等目的。

Description

一种兼顾人眼视觉舒适度的LED植物生长灯
技术领域
本发明涉及一种兼顾人眼视觉舒适度的LED植物生长灯，所述的植物光度学系统建立了人眼光度学与植物光度学的关系，为所述的植物生长灯的光学指标提供了参考标准，可提供极利于植物生长的光照环境。本发明属于电子技术领域。
背景技术
光是植物生长的关键因素，在没有光照的条件下，植物无法生长发育、开花结果。光照条件的好坏直接影响植物的生长状况和品质。此外不同植物对光的要求不同，有的植物在弱光下生长较好，而有的植物则需要较强的光照。而所有的植物多只有在一定的相对较强与相对较弱的周期交替的光照条件下进行强度不同的光合作用才能保证良好的生长。随着科学进步，特别是生物科学和光电技术的发展，人造光源和智能控制越来越多地应用于植物培育领域，以促进植物生长。根据植物光合作用灵敏度曲线，植物的光合色素的吸收光谱最强区在400nm~500nm的蓝光区域。另外，根据植物品种不同，其所需光质也不同，例如红光成分多的光源促进茎的伸长，适合茎蔓类植物；蓝光成分多的光源促进叶片变厚，适合多肉植物生长。
植物生长灯除了应用于植物温室，也和植物一起在人们的生活中起到了景观照明的作用。如果单纯满足于促进植物生长，其光质中的蓝光成分则会影响人眼视觉舒适度，长时间更会对人类健康造成危害。
LED作为新一代冷光源，具有转换效率高、光强调节容易、寿命长、可使被照面照度均匀、可按照射部位尺寸制作光源、有多种峰值波长、光源破损时的危害小等优点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种兼顾人眼视觉舒适度的LED植物生长灯，由恒流驱动模块和信号控制模块组成，所述恒流驱动模块包括电压转换部分和恒流驱动部分；信号控制模块则由单片机产生三路不同占空比的PWM波来控制恒流驱动部分进行RGB混光，以实现调光调色。
进一步的，所述恒流驱动模块采用12V直流电源作为电源，用AS2830AU芯片作为主控芯片降压形成低压稳压电路；恒流驱动部分由降压恒流驱动芯片BP1361实现。
进一步的，所述的信号控制模块以12C5A60S2单片机作为主控芯片，12C5A60S2单片机内部集成了PWM功能，亦可通过计时模拟的方式输出PWM波。
进一步的，依据建立的植物光度学系统，在人眼光学系统中，光照度，单位为lx，表达式为
（1）
其中为波长，，为光谱效率函数最大值；为光谱辐照度；为人眼视见函数，植物对波长为400nm~700nm的光比较敏感，此范围称为有效范围，此范围内的辐照度称为有效辐照度，表达式为
（2）
对应于人眼光学系统，定义植物光学敏感曲线定义植物光合辐照度，表达式为
（3）。
进一步的，利用所述的植物光度学系统获得植物所需色温值，再通过光源的光谱数据和式（3）可得到色温与光合量的关系，再通过色温的值来控制PWM波的占空比，近似认为光通量与占空比成正比例关系：
（4）
其中、、为占空比；α、β、γ为舒适度约束因子，为保证舒适度，三者之和为1。
进一步的，为了将蓝光的波长应控制在一定范围内，γ需满足：
（5）
B（λ）为蓝光危害加权系数；根据加法混光原理，三基色光源的色品坐标为
（6）
式中Xm、Ym、Zm是混合光源M的三原色刺激量，也叫作三刺激值；、、分别为光源R、G、B的色品坐标；、、为光源R、G、B满电流工作下的Y刺激值；、、为光源R、G、B满电流工作下的三刺激值之和；利用占空比调光时，影响色品坐标的唯一因素是占空比，因此结合式（4）、（6）可求得占空比的表达式为：
（7）。
本发明提出了明确植物光度学与人眼光度学的换算关系及人眼舒适度限制因子，方便定量给出有利于植物生长同时兼顾人眼舒适度的措施。将三基色的LED结合可以实现色温和光强的动态调制，并以植物光度学为参考，开发出对植物生长有显著促进效果的生长灯。可广泛应用于酒店景观美化、客厅、植物培养温室等场所。这对于塑造绿色照明、提供和谐光照环境有很重要的意义。
附图说明
图1为本发明的兼顾人眼视觉舒适度的植物生长灯总体结构示意图；
图2为本发明实例的恒流驱动电路图；
图3为光合量与色温之间的关系图；
图4为信号控制模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明涉及植物光度学系统，并以此为参考提出了植物生长灯，以促进植物的高效生长。
当前的人造照明所标注参数为建立在人眼光度学基础上的，而将此基础上的光照强度和色温与植物照明中涉及的光量子学等建立起换算关系，作为调光的参考依据，可直接通过植物的需光要求进行灯光设定。
本发明所述的植物光度学系统建立如下：
光学系统中，光照度Ev，单位为lx，表达式为
（1）
其中λ为波长，，为光谱效率函数最大值；为光谱辐照度；V(λ)为人眼视见函数。
植物对波长为400nm~700nm的光比较敏感，此范围称为有效范围。此范围内的辐照度称为有效辐照度，表达式为
（2）
光合量与光度量换算时，定义为换算系数，表达式为
（3）
通过光源的光谱数据和（3）式可得到色温与光合量的关系。再通过色温的值来控制PWM波的占空比：近似认为光通量与占空比成正比例关系
（4）
其中、、为占空比；α、β、γ为舒适度约束因子，为保证舒适度，三者之和为1。
短波蓝光为植物生长必需的，而一定波长范围内的蓝光却会对人眼视觉的舒适度产生影响，严重时还会对视网膜产生不可逆转的损害，因此蓝光的波长应控制在一定范围内，因此γ需满足：
（5）
B（λ）为蓝光危害加权系数。根据加法混光原理，三基色光源的色品坐标为
（6）
式中Xm、Ym、Zm是混合光源M的三原色刺激量，也叫作三刺激值。、、分别为光源R、G、B的色品坐标。、、为光源R、G、B满电流工作下的Y刺激值；、、为光源R、G、B满电流工作下的三刺激值之和 。利用占空比调光时，影响色品坐标的唯一因素是占空比，因此结合式（4）、（6）可求得占空比的表达式为：
（7）
本发明所述的植物生长灯主要由恒流驱动模块和信号控制模块组成，其中恒流驱动模块包括电压转换部分和恒流驱动部分；信号控制模块则由单片机产生三路不同占空比的PWM波来控制恒流驱动部分进行RGB混光，以实现调光调色。
具体各部件阐述如下：
分别把信号控制模块和恒流驱动模块按照图4和图2连接好。
由图4所示，信号控制模块是以STC 公司的12C5A60S2单片机作为主控芯片，其具有运算速度快、功耗极低、抗干扰能力超强等优点，且与市场上其它单片机相比具有开发难度低和价格低廉等优势，便于推广形成规模。12C5A60S2单片机内部集成了PWM功能，亦可通过计时模拟的方式输出PWM波。将DIM1、DIM2、DIM3的管脚接到图2中BP1361芯片的DIM标注处。
由图2所示，恒流驱动模块采用12V直流电源作为电源，用AS2830AU芯片作为主控芯片降压形成低压稳压电路。恒流输出则由BP1361来实现。BP1361是一款降压恒流驱动芯片，可以驱动大功率LED，其内部集成度甚高，只需极少的外部元件即可，其输入电压范围为5V~30V，输出电流最大可达750mA，恒流控制精度高达±3%。LED芯片为台湾晶元公司的，其波长分别为λr=630nm、λg=520nm、λb=460nm；在底座处配以散热片和导热硅脂，以防止温度升高引起的色温失常。
根据光谱数据和换算系数得到光合效率与色温的关系（如图3），可根据这条曲线为植物安排最适合植物“休息”和“工作”的光照条件。以色温为依据，确定三路PWM波的占空比，并将其编写烧录到单片机中。
计算占空比时，将已知色温值（色品坐标）和光通量的值带入到公式（7）中，光通量和色温都是已设置好的定值，即可得到相应占空比值。以此指导植物生长灯的工作可极大促进植物生长，并且兼顾人眼视觉舒适度，降低了目前植物生长灯让人易疲劳的缺点，可广泛应用于酒店景观美化、植物培养温室等场所。

Claims (3)

1.一种兼顾人眼视觉舒适度的LED植物生长灯，由恒流驱动模块和信号控制模块组成，其特征在于：所述恒流驱动模块包括电压转换部分和恒流驱动部分；信号控制模块则由单片机产生三路不同占空比的PWM波来控制恒流驱动部分进行RGB混光，以实现调光调色；
依据建立的植物光度学系统，在人眼光学系统中，光照度Ev，单位为lx，表达式为
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其中λ为波长，Km＝683，为光谱效率函数最大值；Ee(λ)为光谱辐照度；V(λ)为人眼视见函数，植物对波长为400nm～700nm的光比较敏感，此范围称为有效范围，此范围内的辐照度称为有效辐照度Epar，表达式为
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>a</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>400</mn> <mn>700</mn> </msubsup> <msub> <mi>E</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
对应于人眼光学系统，定义植物光学敏感曲线定义植物光合辐照度EP，表达式为
EP＝∫Ee(λ)P(λ)dλ (3)；
利用所述的植物光度学系统获得植物所需色温值，再通过光源的光谱数据和式(3)可得到色温与光合量的关系，再通过色温的值来控制PWM波的占空比，近似认为光通量与占空比成正比例关系：
Xm＝αKrXr+βKgXg+γKbXb (4)
其中Kr、Kg、Kb为占空比；α、β、γ为舒适度约束因子，为保证舒适度，三者之和为1；为了将蓝光的波长应控制在一定范围内，γ需满足：
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B(λ)为蓝光危害加权系数；根据加法混光原理，三基色光源的色品坐标为
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式中Xm、Ym、Zm是混合光源M的三原色刺激量，也叫作三刺激值；(xr,yr)、(xg,yg)、(xb,yb)分别为光源R、G、B的色品坐标；Yr、Yg、Yb为光源R、G、B满电流工作下的Y刺激值；Cr＝Yr/yr、Cg＝Yg/yg、Cb＝Yb/yb为光源R、G、B满电流工作下的三刺激值之和；利用占空比调光时，影响色品坐标的唯一因素是占空比，因此结合式(4)、(6)可求得占空比的表达式为：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>&amp;alpha;</mi> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <msub> <mi>Y</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>yY</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>&amp;beta;</mi> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>g</mi> </msub> <msub> <mi>Y</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>yY</mi> <mi>g</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>&amp;gamma;</mi> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>b</mi> </msub> <msub> <mi>Y</mi> <mi>m</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>yY</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
2.根据权利要求1所述的一种兼顾人眼视觉舒适度的LED植物生长灯，其特征在于：所述恒流驱动模块采用12V直流电源作为电源，用AS2830AU芯片作为主控芯片降压形成低压稳压电路；恒流驱动部分由降压恒流驱动芯片BP1361实现。
3.根据权利要求1所述的一种兼顾人眼视觉舒适度的LED植物生长灯，其特征在于：所述的信号控制模块以12C5A60S2单片机作为主控芯片，12C5A60S2单片机内部集成了PWM功能，亦可通过计时模拟的方式输出PWM波。
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