基于單片機控制的LED水族照明裝置設計

1 引言

　　生態(tài)水族的主角是魚(yú)、水草，視覺(jué)欣賞是其主要功能。光照是其首要解決的三大技術(shù)問(wèn)題之一。

　　常用的水族照明光源主要有熒光燈、水銀燈、鹵鎢燈等，但其發(fā)射光譜與水生物選擇性吸收光譜不匹配，用于水生動(dòng)植物補光，針對性差、光效低、耗能大、大量發(fā)熱影響水溫。發(fā)光二極管（ LED）以其高效、多色、窄帶、直流、顯色性好、節能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認為是未來(lái)主要的、較為理想的人工水生動(dòng)植物補光光源。但目前市場(chǎng)上的LED 水族光源，存在光譜和強度被預制固化、不可調、顯色性差、靜態(tài)等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足水生動(dòng)植物對光譜的動(dòng)態(tài)需求，因此，智能LED 水族光源成為科學(xué)工作者競相研究的重點(diǎn)。

　　2 設計原理

　　2. 1 觀(guān)賞性水草的生長(cháng)發(fā)育對光波段的選擇性吸收

　　植物是在全譜自然光下進(jìn)化、生長(cháng)、成熟。在太陽(yáng)光譜的可見(jiàn)光的范圍內，在690 ~ 780nm、580~ 690nm、350 ~ 530nm 之間的光波段是最強的生理活動(dòng)波段，與植物的葉綠素吸收、光合效率、向光性、光建成的紅光誘導和長(cháng)波紅光誘導五個(gè)主要植物光生化反應作用光譜（ 見(jiàn)圖1） 是一致的。綠色水草的葉綠素對紅色光和藍色光的吸收能力較強，紅色水草體內的葉黃素和胡羅卜素對綠色和藍色的光譜的吸收能力強。

　　圖1 五個(gè)主要的植物光生化反應作用光譜

　　2. 2 光質(zhì)對水生動(dòng)物的生長(cháng)影響。

　　光作為自然界中重要的生態(tài)因子，對動(dòng)物行為的影響極為明顯。不同的光照強度、光照周期和光譜成分對動(dòng)物捕食率、新陳代謝、生長(cháng)發(fā)育、繁殖都有一定的影響?？傮w看，觀(guān)賞魚(yú)對于短波長(cháng)的光照環(huán)境不是很適應，隨著(zhù)波長(cháng)的增加，魚(yú)的生長(cháng)速度也逐漸提高。

　　2. 3 光周期對水生物生長(cháng)影響

　　自然界陽(yáng)光的強光時(shí)段約在10： 00 ~ 15： 00，照射時(shí)間約5 ~ 6h，考慮人工光源光的強度不如陽(yáng)光強，因此建議水族光源強光以6 ~ 8 小時(shí)的照明為宜，且以分段照明的方式：“10% 光量× 1h-80%光量× 6h-20% 光量× 1h”為佳，即光量以“弱→中→強→中→弱”的照明時(shí)段，用電源時(shí)序器控制開(kāi)燈、熄燈的時(shí)間，使得光照能符合水生物生長(cháng)的光周期。

　　3 水族照明LED 組合光源的設計

　　基于單片機控制的LED 水族照明裝置主要包括兩方面設計： 硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括LED 組合燈具、LED 驅動(dòng)器和電路控制系統三大部分（ 結構框圖見(jiàn)圖2） .LED 組合燈具由主燈模組和觀(guān)賞模組組成， LED 采用降壓式恒流驅動(dòng)方式，電路控制系統用來(lái)實(shí)現光色、光強和照射時(shí)段、時(shí)長(cháng)的分段自動(dòng)調控。軟件設計采用模塊化程序設計思想，依據光譜柔性組合與調控方法用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，并與硬件有機融合，通過(guò)鍵盤(pán)和GSM 網(wǎng)絡(luò )兩重方法控制主控器，實(shí)現提供水生動(dòng)植物所需全仿真光譜的功能。

　　圖2 LED 水族照明光源的結構框圖