CN204593045U - 一种多波长led阵列光源对照仪 - Google Patents

Abstract

一种多波长LED阵列光源对照仪，由硬件和电路两部分组成。硬件部分包括开关电源、LED光源控制器、LED阵列光照板和支架；LED阵列光照板配有5块，分别为红光、蓝光、黄光、绿光和白光，每块均由厚度很薄的正方形电路板和焊接在其上的单色LED组成。电路部分包括微处理器、恒流驱动电路、数码显示电路和按键电路，所述微处理器分别与各色LED阵列光照板的恒流驱动电路连接，采用PWM信号控制驱动电流大小来调节光照强度。本LED光源是集成阵列式设计，可突破传统的点、线光源局限，具有平面化、可设计性强的优势，可以实现均匀覆盖；此外本光源还具有波宽窄、波长类型丰富、光色光质可调、响应时间快、体积小、节能、绿色环保等优点。

Description

一种多波长LED阵列光源对照仪

技术领域

本实用新型涉及一种多波长LED阵列光源对照仪，具体是一种用于培养微生物、饲养昆虫和小动物、植物组织培养、育种和其他试验的LED阵列光源对照仪。

背景技术

光照培养箱是具有光照功能的高精度冷热恒温设备。可用于植物的发芽、组织、育苗、微生物的培养、昆虫、小动物的饲养，水质监测的BOD测定，以及其他用途恒温试验，是生物遗传工程、医药、农业、林业、环境科学、畜牧、水产等生产、科研、教学部门较为理想的试验设备。现有光照培养箱的光源一般为相应功率的荧光灯，其发出的是复合光，光谱中含较多的蓝、黄和绿色光，适用于普通的组织培养和种苗生产。但其波长和光通量分布是固定的，且波长范围很宽，不能满足实验和科学研究需要特定波段的光谱的需要，另外荧光灯为热光源，存在着表面温度较高的缺点。

近年来，随着光电技术的发展，带动了高亮度红光、蓝光、黄光、白光、绿光等LED(发光二极管，light-emitting diode，简称LED)的发展。由于LED具有诸多优点，如寿命长、稳定性高、发光波长覆盖范围广、价格低廉以及节能性、光谱可调性、良好的点光源性、冷光性等，使其作为照射光源的优势不断凸显。因此利用LED光源替代传统光源，不仅能够保证光照质量，而且还能极大地降低照射成本，从而有效地提高了其应用于照射或照明等领域的性价比。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多波长LED阵列光源对照仪。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供一种多波长LED阵列光源对照仪，由硬件和电路两部分组成；硬件部分由上至下包括开关电源、LED光源控制器、LED阵列光照板和支架。AC220V经开关电源转换为DC24V为后续LED光源控制器和LED阵列光照板供电，LED光源控制器配有5个控制接口，可同时驱动和控制5块LED阵列光照板；所述的电路部分设置于LED光源控制器内，包括微处理器、恒流驱动电路、数码显示电路和按键电路；所述微处理器分别与各色LED阵列光照板的恒流驱动电路连接，采用PWM信号控制驱动电流大小来调节光照强度，微处理器的控制信号通过按键电路输入并输出于数码显示电路上。

所述的开关电源为隔离式直流开关电源，输入电压为100-240V，输出电压为24V，输出电流为0-3.2A。

所述的LED光源控制器面板上设置有电源开关键、LED颜色选择键、亮度控制键、LED颜色指示灯和三位数码管显示屏。

所述的LED阵列光照板有5块，分别为红光LED、蓝光LED、黄光LED、绿光LED和白光LED，每块均由厚度很薄的正方形电路板和焊接在其上的单色LED组成；LED发光面朝下，呈方阵等间距均匀排列，各相邻LED的中心行间距和列间距相等，LED阵列光照板的大小和LED排列密度可根据试验需要调整；所用LED均为高亮度圆头LED，半值角7°、直径5mm，其中红光LED波长637nm，蓝光LED波长459nm，黄光LED波长592nm，绿光LED波长520nm。

每块LED阵列光照板配置4根支架，所述的支架高度可自由调节。

本实用新型的有益效果是：LED阵列光源具有波宽窄、波长类型丰富、光色光质可调，可控性强特点，适用于各种培养箱，极大地提高了应用性能和光的利用效率；其发射光谱与作物的选择性吸收相匹配，用于作物照明，针对性强，光效高；LED光束不产生热量，属于绝对冷光源，可以实现“零”距离照射；本LED光源是集成阵列式设计，可突破传统的点、线光源局限，具有平面化、可设计性强的优势，可以实现均匀覆盖；此外，本光源还具有响应时间快、光强集中、体积小、节能、绿色环保等优点。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型LED阵列光照板上LED分布和接线示意图。

图3为本实用新型电路结构示意图。

图4为本实用新型复位电路原理图。

图5为本实用新型降压稳压电路原理图。

图6为本实用新型串口通信电路原理图。

图7为本实用新型微处理器、恒流驱动、数码显示和按键电路原理图。

图8是PWM调光模式占空比为10％原理图。

图9是PWM调光模式占空比为90％原理图。

图10是本实用新型处理6天后松材线虫种群数量差异比较图。

具体实施方式

本实用新型下面结合实施例并参照附图作进一步详述：参见图1、图3和图5，本LED阵列光源对照仪采用了低压恒流源。220V交流电经开关电源1后输出24V，一路接至稳压电路，另一路接至恒流 驱动电路。24V电压经开关型集成稳压芯片LM2596降压稳压后输出5V工作电压至微处理器。恒流驱动电路输出恒定电流至LED阵列，点亮LED灯珠内的红光、蓝光、黄光、绿光和白光芯片。U2-U6为恒流驱动芯片，采用目前应用广泛、廉价且性能比较稳定的PT4115。D1-D5为续流二极管，由于工作在高频脉冲下，故采用肖特基二极管SS110。L1-L5是整流电感，设计为50μH。R1-R5为取样电阻，控制PT4115输出电流大小，一般用以下公式计算：R＝0.1/Iout。参见图2，由于红光串并联电路额定工作电流为320mA(以16颗串联为1组，16组并联为例，下同)，蓝光额定工作电流为240mA，黄光额定工作电流为160mA，绿光额定工作电流为320mA，白光额定工作电流为320mA，故红光驱动电路中R5取0.3125Ω，蓝光驱动电路中R4取0.417Ω，黄光驱动电路中R3取0.625Ω，绿光驱动电路中R2取0.3125Ω，白光驱动电路中R1取0.3125Ω。PT4115的DIM端可外接PWM脉冲或直流电压调光，由于本设计采用脉冲宽度调制(PWM)技术调节LED光强，故DIM外接由微处理器输出的PWM信号，频率设置为250Hz。PWM调光的优点如下：

1、不会产生任何色谱偏移。因为LED始终工作在满幅度电流和零之间。

2、可以有极高的调光精确度。因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。

3、可以和数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成为一个PWM信号。

4、即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件(升压比或降压比)，更不可能发生过热等问题。

具体实现过程为PWM脉冲信号由微处理器P1.0-P1.4产生，其高低电平决定LED的通断状态。将定时器T0溢出中断定为1/25000秒(即40μS)，每100次脉冲作为一个周期，即频率为250Hz。这样在 每1/250秒的方波周期中，通过改变方波的输出占空比，从而实现LED灯的100级亮度调节，即LED亮度等级由每个周期内的高电平脉冲数目决定。当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/100，亮度最低；当高电平脉冲个数为100时，占空比为1，亮度最高。图8为PWM调光模式占空比为10％原理图，图9为PWM调光模式占空比为90％原理图。

参见图7，本LED阵列光源对照仪微处理器采用增强型51单片机STC89C52RC实现，内部下载控制程序，以实现光强调节。单片机的P1.0-P1.4管脚输出分别接至U2-U6的DIM端，可以实现红蓝黄绿白光0-100级范围内的任意亮度调节。按键S2-S4分别为LED颜色选择键、亮度增大键和亮度减小键，接至P2.4、P2.6和P2.7管脚。通过S2键选择需要调节的LED阵列光照板颜色，选中哪种颜色，对应LED指示灯变亮，然后通过S3和S4键调节亮度。参见图4，C6和R3构成单片机复位电路，在上电时对程序复位，C6可用10μF/25V电解电容，R3用1K精密电阻。C2、C3和Y1构成单片机振荡电路，提供时间基准，C2和C3可用22pF瓷片电容，Y1可用12MHz晶振。

参见图7，本LED阵列光源对照仪的数码管显示电路由三位七段LED共阳数码管U7和三只PNP型9012三极管组成。通过控制三极管通断来轮流扫描三位数码管实现动态扫描显示。字型码信息由单片机P0口输出，可实时显示红光、蓝光、黄光、绿光和白光的亮度等级，以方便调节光强。

参见图6，本LED阵列光源对照仪的串口通信电路由MAX232芯片与计算机串口进行相互通信，MAX232芯片中的TXD与RXD分别与单片机STC89C52RC的RXD和TXD引脚相连，而MAX232芯片中的T20UT与DB9接口中的2脚相连，R2IN与DB9接口中的3脚相连，DB9的5脚接地。计算机通过串口通信电路将相关程序和参数下载至单片机的内部存储器E2PROM中，以对LED灯进行控制。

采用本对照仪进行松线虫光照培养的具体实施方式如下：开启本LED阵列光源对照仪，设置绿色、黄色、红色、白色和蓝色五个不同波长的光源处理，不同光照处理均采用1000 lx光照强度，每个处理设4个重复，每个培养皿代表一个重复，以黑暗作为对照，分析不同波长光照条件下6天后松材线虫种群繁殖数量的差异。

不同波长光源处理后，松材线虫的种群繁殖数量如图10所示。

从图10可以看出，在不同波长光照胁迫条件下松材线虫的繁殖数量不同，差异达极显著水平(F＝276.395，df＝5，P＜0.0001)，与对照相比，蓝光、白光、红光和绿光处理的松材线虫种群数量显著降低，其中，蓝光条件下数量最少，平均每皿只有807±22条，红光次之，每皿总数2621±100条，白光和绿光再次之，分别为11755±989条、15700±1352条。而黄光处理与对照之间的差异不明显(F＝0.067，df＝1，P＝0.809＞0.05)。

Claims (5)

1.一种多波长LED阵列光源对照仪，由硬件和电路两部分组成；硬件部分由上至下包括开关电源(1)、LED光源控制器(2)、LED阵列光照板(3)和支架(4)，其特征在于AC220V经开关电源(1)转换为DC24V为后续LED光源控制器(2)和LED阵列光照板(3)供电，LED光源控制器(2)配有5个控制接口，可同时驱动和控制5块LED阵列光照板(3)；所述的电路部分设置于LED光源控制器(2)内，包括微处理器、恒流驱动电路、数码显示电路和按键电路，其特征在于所述微处理器分别与各色LED阵列光照板(3)的恒流驱动电路连接，采用PWM信号控制驱动电流大小来调节光照强度，微处理器的控制信号通过按键电路输入并输出于数码显示电路上。

2.如权利要求1所述的一种多波长LED阵列光源对照仪，其特征是所述的开关电源(1)为隔离式直流开关电源，输入电压为100-240V，输出电压为24V，输出电流为0-3.2A。

3.如权利要求1所述的一种多波长LED阵列光源对照仪，其特征是所述的LED光源控制器(2)面板上设置有电源开关键、LED颜色选择键、亮度控制键、LED颜色指示灯和三位数码管显示屏。

4.如权利要求1所述的一种多波长LED阵列光源对照仪，其特征是所述的LED阵列光照板(3)有5块，分别为红光LED、蓝光LED、黄光LED、绿光LED和白光LED，每块均由正方形电路板和焊接在其上的单色LED组成；LED发光面朝下，呈方阵等间距均匀排列，各相邻LED的中心行间距和列间距相等，LED阵列光照板(3)的大小和LED排列密度可调整；所用LED均为高亮度圆头LED，半值角7°、直径5mm，其中红光LED波长637nm，蓝光LED波长459nm，黄光LED波长592nm，绿光LED波长520nm。

5.如权利要求1所述的一种多波长LED阵列光源对照仪，其特征是 每块LED阵列光照板(3)配置4根支架(4)，所述的支架(4)高度可自由调节。