基于LED的植物組培光源系統的設計與實(shí)現

　　控制系統結構框圖如圖1所示。以植物組織培養室的組培架為一控制系統單元，每單元由1個(gè)主控模塊與多個(gè)控制終端構成，多層配置1個(gè)控制終端，主控模塊與控制終端采用RS485通訊。通過(guò)主控模塊，可分別對每控制終端進(jìn)行紅光與藍光光強、光譜與光周期參數設置，并將這些參數存儲到各終端中。終端在日常工作時(shí)，通過(guò)掃描這些參數要求，構成自己的控制模式，進(jìn)行相應的驅動(dòng)輸出。

圖1 系統框架圖

　　主控模塊的結構框圖如圖2所示。主控模塊采用微處理器MEGA8L為MCU，并采用鍵盤(pán)與點(diǎn)陣式液晶作為人機交互界面，主控模塊還具有兩路串行接口，一路是RS485接口與各終端進(jìn)行通訊，另一路是作為擴展數據輸出接口。在后期進(jìn)行實(shí)驗數據統計時(shí)，還可以通過(guò)該接口將終端實(shí)驗數據傳輸到PC機上。

圖2 主控模塊框架圖

　　控制終端框圖如圖3所示?？刂平K端采用微處理器MEGA8L為MCU，通過(guò)RS485接口與主控模塊進(jìn)行通訊，每一終端都有唯一的組ID號。終端輸出兩路PWM波形，分別對應紅光驅動(dòng)與藍光驅動(dòng)，PWM的占空比根據設定的光強參數可進(jìn)行調節。由于微處理器的I/O端口的驅動(dòng)電流不夠，故需在每路PWM輸出電路后級增加大功率驅動(dòng)電路。終端還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），可記錄當前實(shí)驗時(shí)間，并將實(shí)驗起始時(shí)間與終止時(shí)間記錄到片內E2PROM中，該實(shí)驗記錄在需要的情況下，可通過(guò)RS485傳回到主控模塊，并通過(guò)主控模塊的RS232擴展接口輸出到后續處理PC機中。

圖3 控制終端框架圖

　　LED性能穩定，光色分布可選擇，耗電量小等優(yōu)勢明顯。但在實(shí)際應用中，單顆LED直接使用是不能滿(mǎn)足植物生長(cháng)需求的，即使是使用更大功率的LED也達不到。傳統光源的反光罩配光方式一是不適合LED光源的發(fā)光方式，二是反光罩做成的燈具的效率只能達到70%，光損失太大。為了達到植物生長(cháng)要求的光合作用，我們將選用以反光罩和透鏡兩種方式，或兩者結合使用的方式來(lái)完成。并且對光波進(jìn)行嚴格測試，反復配比論證，以此達到項目要求。

　　為解決以上問(wèn)題，設計出與LED封裝相結合的反光罩和透鏡，減少二次光學(xué)處理過(guò)程中的光損失，同時(shí)控制出射角度，一次光學(xué)設計以完成透光效率的提高和對整燈配光作用的提高。選用更高折射率的光學(xué)材料，采用透鏡鍍膜技術(shù)，可以使光的損失降低到4%以下，這也是本項目采用LED光源結合配光模塊作為光源的原因。采用集成的LED光源，可以使整燈的使用壽命加大，能源消耗減少，植物生長(cháng)加快，具有多重意義。

　　光源系統的實(shí)現與應用

　　以鐵皮石斛為試驗材料，以此LED的植物組培光源系統為基礎，研究了不同光質(zhì)對鐵皮石斛生長(cháng)特征的影響（如圖4和表1）。全部試驗均在植物組織培養室中進(jìn)行，環(huán)境溫度設為25±2℃。LED光源系統的光譜分紅光、藍光及其組合Ⅰ（紅：藍=8：2）、組合Ⅱ（紅：藍=8：3）共4個(gè)水平，光強為45±5μmol·m-2·s-1，光照時(shí)間為每天14小時(shí)；以普通日光燈作對照，光強為45μmol·m-2·s-1。實(shí)驗用苗基本一致，初始苗高1.2cm左右，每