CN112524503B - 一种基于pwm信号强度调节技术的植物光环境研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，属于植物光环境研究方法领域，一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，本方案在一定范围内可调控光谱组成、辐射强度和辐射时间，并能进行智能化控制。研究人员和实验教学人员可以根据自己试验方案调配光谱组成和各个谱段的光照强度大小，以及光照时间的长度，满足各项与植物光环境相关的研究与教学需求。该装置能够广泛应用于涉农学科各实验室、教学科研试验服务平台与试验基地，同时通过光导纤维簇的不定向传导，对其进行混合，之后在透过防护镜片照射出去，使得本方案中试验光源不易出现较大的色差，不易影响试验的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及植物光环境研究方法领域，更具体地说，涉及一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法。
背景技术
光照是植物生长发育的原初动力，关系到光合作用、光形态建成、物质代谢、矿质和水分吸收等生理代谢过程。不同的光环境(光质、光强、光周期)对植物的生长与发育有着重要影响。已有的研究表明，不同种类的植物，以及同一种类植物在不同生育时期所需要的光环境不相同。植物的种类丰富，且植物的光环境既有质量属性，又有数量属性，因此，光环境调控是十分复杂的研究领域，需要系统深入研究，随着LED产业技术的快速发展，人工光源LED的兴起，特别是大功率LED制备技术已日趋成熟，为植物光环境研究提供了必要的基础。LED具有许多其他光源无法相比的独特优势，LED具有高光电转换效率、节能环保、使用直流电、体积小、耗能低、波长固定等优点。其中，LED能够发出各种波段的光谱，且每一种波段波谱较窄，包含所有可见光波段及部分紫外和红外波段。这一特性使得开发可以调配光源光谱组成的光源成为可能。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
目前已经应用的植物光环境试验LED光源，大多为单色或两到三种颜色的组合光源，常见的有红、蓝、绿、紫外和红外单色光源，以及不同比例的红蓝组合、红白、蓝白及红蓝绿组合LED光源等。这些光源虽然也能够实现一定的波谱调配，但是同一个系统或装置不能够同时实现波谱段、各段辐射强度和辐射时间的控制。不能够满足植物光环境研究和技术开发的需要。而且，目前为了在光谱组成与辐射强度上设置不同植物光环境，需要配置很多个不同的光源，投入的人力和物力非常大，且很难重复用于类似试验，通用性差，使用率极低，造成浪费，同时，通过已有的这些试验光源，在开展植物光环境试验时，外界干扰因素多，通过人工很难进行光谱、辐射强度、辐射时间的组合调控，另外，环境参数的检测与能耗等数据的记录，费力、耗时
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，可以实现在一定范围内可调控光谱组成、辐射强度和辐射时间，并能进行智能化控制。研究人员和实验教学人员可以根据自己试验方案调配光谱组成和各个谱段的光照强度大小，以及光照时间的长度，满足各项与植物光环境相关的研究与教学需求，使得该装置能够广泛应用于涉农学科各实验室、教学科研试验服务平台与试验基地。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其主要步骤包括：
S1、植物光环境试验装置设计参数的确定，由研究的技术人员根据实际的研究需要，对植物光环境因子的研究参数进行确定，包括但不仅限于：光质、光强、时间、智控和框架，同时更具上述参数对LED光源的选型和光辐射强度调控方式进行研究并确定；
S2、LED光源光板阵列的设计与制作，由研究技术人员根据S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中得到的各相关参数制作试验所需的LED光源光板阵列，为植物光环境试验提供光源发生装置；
S3、智能控制系统的开发，由技术人员根据S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中得到的各相关参数进行智能控制系统的开发，获得为LED光源光板阵列进行控制的智能调控系统；
S4、试验平台的搭设，由技术人员根据制作的LED光源光板阵列和对应控制系统搭建试验平台，包括但不仅限于LED光源光板阵列的框架结构设计和制作，并将其进行搭建和组装测试；
S5、植物光环境试验，根据预设的植物光环境研究参数对织物进行光环境试验研究，并根据试验结果确定光环境因子控制是否符合植物光环境试验的要求，对于满足植物光环境试验要求的，将本次试验记录为试验成功，完成对目标植物的智能LED植物光环境试验装置的研制，对于不满足织物光环境试验要求的，重新回到S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中，重新对LED光源进行选型，并重新确定光辐射强度的调控。
本方案在一定范围内可调控光谱组成、辐射强度和辐射时间，并能进行智能化控制。研究人员和实验教学人员可以根据自己试验方案调配光谱组成和各个谱段的光照强度大小，以及光照时间的长度，满足各项与植物光环境相关的研究与教学需求。该装置能够广泛应用于涉农学科各实验室、教学科研试验服务平台与试验基地。
进一步的，一种用于植物光环境试验的PWM驱动板，其输入电压为直流24V，输入电流为直流60Ma，MOS管工作电流为最大10A，在开关电源24V输入电压经LM2596降压变成12V后，给光耦TLP250供电，来自单片机的PWM信号输入到光耦前级，光耦后级输出电压用来驱动MOS管；通过调节单片机PWM信号的强弱，可以调节LED灯(D1表示)亮和暗。光耦不仅起到驱动MOS管的作用，而且还起到隔离的作用，以免后级调节影响到单片机的正常工作。
进一步的，一种基于PWM信号强度调节技术光源产生装置，包括安装基座，所述安装基座的下端连接有磁性灯罩，所述安装基座的下端均匀开凿有多个安装槽，多个所述安装槽内均固定连接有LED灯，相邻所述LED灯选择不同颜色的光源，所述安装基座与磁性灯罩之间固定连接有波纹管，所述光导纤维簇与那里安装基座的一端开口处固定连接有与自身相配的防护镜片，所述防护镜片上固定连接有光导纤维簇，所述光导纤维簇与那里防护镜片的一端依次贯穿磁性灯罩和多个波纹管，并与LED灯的固定连接，由安装槽产生的不同颜色光会由交错分布的光导纤维簇进行不定向传导，对其进行混合，之后在透过防护镜片照射出去，使得本方案中试验光源不易出现较大的色差，不易影响试验的准确性。
进一步的，所述LED灯的光谱辐射波段可以分为多个波段，包括但不仅限于380nm±20nm、450nm±10nm、660nm±10nm、370nm±10nm和720nm±10nm，每个波段的辐射强度可分别实现0％-100％的调控，增加LED灯光源的调整精度，增加试验的准确性。
进一步的，所述光导纤维簇包括多个纤维个体，相邻所述纤维个体交织在一起编织成网，一方面可以防止在使用过程中，LED灯产生的光源不易因与自身连接的纤维个体断裂而造成光源传输不畅，不易造成最后调和光出现大范围色差，另一方面可以对光源进行预融合，使光源最后形成的调和光较为匀称。
进一步的，所述防护镜片与远离光导纤维簇的一面选用漫反射镜面，使经过预融合的调和光可以均匀的照射到选定区域内，不易因安装槽和LED灯布设的位置造成照射光在某些位置过度集中的现象，不易影响试验结果。
进一步的，所述安装基座与磁性灯罩之间连接有环形电磁铁，所述环形电磁铁与安装基座固定连接，所述环形电磁铁与磁性灯罩之间通过磁力相吸附，在温度传感器监控到LED灯内工作温度过高时，控制终端会断开环形电磁铁的通电，使得磁性灯罩在自重的影响下分离，安装基座与磁性灯罩之间的连接留出间隙，增加安装槽的散热效果，使LED灯不易因长时间处于过热状态而减少使用寿命。
进一步的，所述环形电磁铁可以实现间歇性通电和断开，通过环形电磁铁的间歇性通电使得磁性灯罩在环形电磁铁的磁力和自重的作用下，周期性地朝向安装基座进行往复的上下运动，通过磁性灯罩的活动带动安装基座与磁性灯罩之间空气的流动，增加散热效果。
进一步的，所述安装基座与磁性灯罩之间固定连接有多个压缩弹簧，多个所述压缩弹簧均贯穿环形电磁铁，压缩弹簧的设置可以有效降低磁性灯罩向安装基座运动过程中的速度，使安装基座与磁性灯罩不易发生剧烈冲击，不易造成安装基座和磁性灯罩及各结构损坏。
进一步的，多个所述压缩弹簧内插接有伸缩杆，多个所述伸缩杆的两端分别与安装基座和磁性灯罩固定来接，伸缩杆可以保护压缩弹簧，使得压缩弹簧不易在外力作用下发生过大的非工作向形变，不易造成压缩弹簧失效。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本方案在一定范围内可调控光谱组成、辐射强度和辐射时间，并能进行智能化控制。研究人员和实验教学人员可以根据自己试验方案调配光谱组成和各个谱段的光照强度大小，以及光照时间的长度，满足各项与植物光环境相关的研究与教学需求。该装置能够广泛应用于涉农学科各实验室、教学科研试验服务平台与试验基地，同时通过光导纤维簇的不定向传导，对其进行混合，之后在透过防护镜片照射出去，使得本方案中试验光源不易出现较大的色差，不易影响试验的准确性。
附图说明
图1为本发明的植物光环境研究方法的主要流程图；
图2为本发明的PWM信号强度调节电路板控制图的结构示意图；
图3为本发明的PWM信号强度调节电路板驱动板A处的局部结构示意图；
图4为本发明的PWM信号强度调节电路板驱动板B处的局部结构示意图；
图5为本发明的植物光环境试验用灯的主要结构爆炸图；
图6为本发明的植物光环境试验用灯的正面剖视图；
图7为图6中A处的结构示意图。
图中标号说明：
1安装基座、2磁性灯罩、3安装槽、4LED灯、5波纹管、6光导纤维簇、7防护镜片、8环形电磁铁、9伸缩杆、10压缩弹簧。
具体实施方式
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其主要步骤包括：
S1、植物光环境试验装置设计参数的确定，由研究的技术人员根据实际的研究需要，对植物光环境因子的研究参数进行确定，包括但不仅限于：光质、光强、时间、智控和框架，同时更具上述参数对LED光源的选型和光辐射强度调控方式进行研究并确定；
S2、LED光源光板阵列的设计与制作，由研究技术人员根据S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中得到的各相关参数制作试验所需的LED光源光板阵列，为植物光环境试验提供光源发生装置；
S3、智能控制系统的开发，由技术人员根据S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中得到的各相关参数进行智能控制系统的开发，获得为LED光源光板阵列进行控制的智能调控系统；
S4、试验平台的搭设，由技术人员根据制作的LED光源光板阵列和对应控制系统搭建试验平台，包括但不仅限于LED光源光板阵列的框架结构设计和制作，并将其进行搭建和组装测试；
S5、植物光环境试验，根据预设的植物光环境研究参数对织物进行光环境试验研究，并根据试验结果确定光环境因子控制是否符合植物光环境试验的要求，对于满足植物光环境试验要求的，将本次试验记录为试验成功，完成对目标植物的智能LED植物光环境试验装置的研制，对于不满足织物光环境试验要求的，重新回到S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中，重新对LED光源进行选型，并重新确定光辐射强度的调控。
特别的，其中根据植物类试验光环境参数的分析包括但不极限于：研究确定植物光环境试验装置的基本设计参数，包括光源波峰、波谱段、辐射强度阈值、光合有效辐射检测精度、智能化控制方式、框架结构尺寸与材料，对确定的光源波谱段进行LED光源型号的选型与辐射强度调控方式确定。根据确定的光源波普段，进行LED光源的电压、功率等参数的确定，研究分析LED光源线性调光、可控硅调光、PWM调光控制的特点，确定装置LED光源的调控方式，根据装置光源波谱段、辐射强度的阈值设计参数，进行LED光源数量的确定及光板阵列的设计。通过光环境模拟，分析LED光源阵列的辐射强度分布、均匀性、散热、能耗等，调整并确定LED光源阵列设计，光合有效辐射传感器的选型与智能控制系统的开发。选用高度可调式光合有效辐射传感器，测量试验期间植物实时的光环境参数。智能控制系统能够实现对光质、光强、光照时间调控，并能够进行环境参数的检测与能耗等数据的记录。
本方案在一定范围内可调控光谱组成、辐射强度和辐射时间，并能进行智能化控制。研究人员和实验教学人员可以根据自己试验方案调配光谱组成和各个谱段的光照强度大小，以及光照时间的长度，满足各项与植物光环境相关的研究与教学需求。该装置能够广泛应用于涉农学科各实验室、教学科研试验服务平台与试验基地。
请参阅图1-4，本方案中部分智能控制系统的电路控制、驱动图，本领域技术人员可以根据上述附图对电路进行装配，一种用于植物光环境试验的PWM驱动板，其输入电压为直流24V，输入电流为直流60Ma，MOS管工作电流为最大10A，在开关电源24V输入电压经LM2596降压变成12V后，给光耦TLP250供电，来自单片机的PWM信号输入到光耦前级，光耦后级输出电压用来驱动MOS管；通过调节单片机PWM信号的强弱，可以调节LED灯D1表示亮和暗。光耦不仅起到驱动MOS管的作用，而且还起到隔离的作用，以免后级调节影响到单片机的正常工作。
请参阅图5-7，一种基于PWM信号强度调节技术光源产生装置，包括安装基座1，安装基座1的下端连接有磁性灯罩2，安装基座1的下端均匀开凿有多个安装槽3，多个安装槽3内均固定连接有LED灯4，相邻LED灯4选择不同颜色的光源，安装基座1与磁性灯罩2之间固定连接有波纹管5，光导纤维簇6与那里安装基座1的一端开口处固定连接有与自身相配的防护镜片7，防护镜片7上固定连接有光导纤维簇6，光导纤维簇6与那里防护镜片7的一端依次贯穿磁性灯罩2和多个波纹管5，并与LED灯4的固定连接，特别的，本装置的光谱组成可以在一定范围内紫光、蓝光、红光、紫外、红外光任意调配，满足各项与植物光环境调控相关的研究需求，由安装槽3产生的不同颜色光会由交错分布的光导纤维簇6进行不定向传导，对其进行混合，之后在透过防护镜片7照射出去，使得本方案中试验光源不易出现较大的色差，不易影响试验的准确性，LED灯4的光谱辐射波段可以分为多个波段，包括但不仅限于380nm±20nm、450nm±10nm、660nm±10nm、370nm±10nm和720nm±10nm，每个波段的辐射强度可分别实现0％-100％的调控，增加LED灯4光源的调整精度，增加试验的准确性。
特别的，安装基座1内布设有控制终端和监控传感器，其中监控传感器包括但不仅限于温度传感器和辐射传感器等，利用温度传感器和辐射传感器对LED灯4正常工作进行监控，多个LED灯4均通过安装基座1与市电电性连接，上述结构和线路布设均为本领域技术人员的公知技术，本领域技术人员可以根据现有技术进行合理布设和安装，固未在本申请中详细说明。
光导纤维簇6包括多个纤维个体，相邻纤维个体交织在一起编织成网，一方面可以防止在使用过程中，LED灯4产生的光源不易因与自身连接的纤维个体断裂而造成光源传输不畅，不易造成最后调和光出现大范围色差，另一方面可以对光源进行预融合，使光源最后形成的调和光较为匀称，防护镜片7与远离光导纤维簇6的一面选用漫反射镜面，使经过预融合的调和光可以均匀的照射到选定区域内，不易因安装槽3和LED灯4布设的位置造成照射光在某些位置过度集中的现象，不易影响试验结果。
安装基座1与磁性灯罩2之间连接有环形电磁铁8，环形电磁铁8与安装基座1固定连接，环形电磁铁8与磁性灯罩2之间通过磁力相吸附，在温度传感器监控到LED灯4内工作温度过高时，控制终端会断开环形电磁铁8的通电，使得磁性灯罩2在自重的影响下分离，安装基座1与磁性灯罩2之间的连接留出间隙，增加安装槽3的散热效果，使LED灯4不易因长时间处于过热状态而减少使用寿命，环形电磁铁8可以实现间歇性通电和断开，安装基座1与磁性灯罩2之间固定连接有多个压缩弹簧10，多个压缩弹簧10均贯穿环形电磁铁8，通过环形电磁铁8的间歇性通电使得磁性灯罩2在环形电磁铁8的磁力和自重的作用下，周期性地朝向安装基座1进行往复的上下运动，通过磁性灯罩2的活动带动安装基座1与磁性灯罩2之间空气的流动，增加散热效果，而压缩弹簧10的设置可以有效降低磁性灯罩2向安装基座1运动过程中的速度，使安装基座1与磁性灯罩2不易发生剧烈冲击，不易造成安装基座1和磁性灯罩2及各结构损坏，多个压缩弹簧10内插接有伸缩杆9，多个伸缩杆9的两端分别与安装基座1和磁性灯罩2固定来接，伸缩杆9可以保护压缩弹簧10，使得压缩弹簧10不易在外力作用下发生过大的非工作向形变，不易造成压缩弹簧10失效。
本方案在一定范围内可调控光谱组成、辐射强度和辐射时间，并能进行智能化控制。研究人员和实验教学人员可以根据自己试验方案调配光谱组成和各个谱段的光照强度大小，以及光照时间的长度，满足各项与植物光环境相关的研究与教学需求。该装置能够广泛应用于涉农学科各实验室、教学科研试验服务平台与试验基地，同时通过光导纤维簇6的不定向传导，对其进行混合，之后在透过防护镜片7照射出去，使得本方案中试验光源不易出现较大的色差，不易影响试验的准确性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：其主要步骤包括：
S1、植物光环境试验装置设计参数的确定，由研究的技术人员根据实际的研究需要，对植物光环境因子的研究参数进行确定，包括但不仅限于：光质、光强、时间、智控和框架，同时更具上述参数对LED光源的选型和光辐射强度调控方式进行研究并确定；
S2、LED光源光板阵列的设计与制作，由研究技术人员根据S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中得到的各相关参数制作试验所需的LED光源光板阵列，为植物光环境试验提供光源发生装置；
S3、智能控制系统的开发，由技术人员根据S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中得到的各相关参数进行智能控制系统的开发，获得为LED光源光板阵列进行控制的智能调控系统；
S4、试验平台的搭设，由技术人员根据制作的LED光源光板阵列和对应控制系统搭建试验平台，包括但不仅限于LED光源光板阵列的框架结构设计和制作，并将其进行搭建和组装测试；
S5、植物光环境试验，根据预设的植物光环境研究参数对织物进行光环境试验研究，并根据试验结果确定光环境因子控制是否符合植物光环境试验的要求，对于满足植物光环境试验要求的，将本次试验记录为试验成功，完成对目标植物的智能LED植物光环境试验装置的研制，对于不满足织物光环境试验要求的，重新回到S1、植物光环境试验装置设计参数的确定中，重新对LED光源进行选型，并重新确定光辐射强度的调控。
2.根据权利要求1所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：包括PWM驱动板，所述PWM驱动板输入电压为直流24V，输入电流为直流60Ma，MOS管工作电流为最大10A。
3.根据权利要求1所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：包括光源产生装置，所述光源产生装置包括安装基座（1），所述安装基座（1）的下端连接有磁性灯罩（2），所述安装基座（1）的下端均匀开凿有多个安装槽（3），多个所述安装槽（3）内均固定连接有LED灯（4），相邻所述LED灯（4）选择不同颜色的光源，所述安装基座（1）与磁性灯罩（2）之间固定连接有波纹管（5），光导纤维簇（6）与那里安装基座（1）的一端开口处固定连接有与自身相配的防护镜片（7），所述防护镜片（7）上固定连接有光导纤维簇（6），所述光导纤维簇（6）与那里防护镜片（7）的一端依次贯穿磁性灯罩（2）和多个波纹管（5），并与LED灯（4）的固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：所述LED灯（4）的光谱辐射波段可以分为多个波段，包括但不仅限于380nm±20nm、450nm±10nm、660nm±10nm、370nm±10nm和720nm±10nm，每个波段的辐射强度可分别实现0％-100％的调控。
5.根据权利要求3所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：所述光导纤维簇（6）包括多个纤维个体，相邻所述纤维个体交织在一起编织成网。
6.根据权利要求3所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：所述防护镜片（7）与远离光导纤维簇（6）的一面选用漫反射镜面。
7.根据权利要求3所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：所述安装基座（1）与磁性灯罩（2）之间连接有环形电磁铁（8），所述环形电磁铁（8）与安装基座（1）固定连接，所述环形电磁铁（8）与磁性灯罩（2）之间通过磁力相吸附。
8.根据权利要求7所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：所述环形电磁铁（8）可以实现间歇性通电和断开。
9.根据权利要求7所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：所述安装基座（1）与磁性灯罩（2）之间固定连接有多个压缩弹簧（10），多个所述压缩弹簧（10）均贯穿环形电磁铁（8）。
10.根据权利要求9所述的一种基于PWM信号强度调节技术的植物光环境研究方法，其特征在于：多个所述压缩弹簧（10）内插接有伸缩杆（9），多个所述伸缩杆（9）的两端分别与安装基座（1）和磁性灯罩（2）固定来接。
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