基于单片机的LED水族光源的设计

1 引言

　　生态水族的主角是鱼、水草，视觉欣赏是其主要功能。光照是其首要解决的三大技术问题之一。

　　常用的水族照明光源主要有荧光灯、水银灯、卤钨灯等，但其发射光谱与水生物选择性吸收光谱不匹配，用于水生动植物补光，针对性差、光效低、耗能大、大量发热影响水温。发光二极管（ LED）以其高效、多色、窄带、直流、显色性好、节能、环保等优点，被认为是未来主要的、较为理想的人工水生动植物补光光源。但目前市场上的LED 水族光源，存在光谱和强度被预制固化、不可调、显色性差、静态等问题，不能满足水生动植物对光谱的动态需求，因此，智能LED 水族光源成为科学工作者竞相研究的重点。

　　2 设计原理

　　2. 1 观赏性水草的生长发育对光波段的选择性吸收

　　植物是在全谱自然光下进化、生长、成熟。在太阳光谱的可见光的范围内，在690 ~ 780nm、580~ 690nm、350 ~ 530nm 之间的光波段是最强的生理活动波段，与植物的叶绿素吸收、光合效率、向光性、光建成的红光诱导和长波红光诱导五个主要植物光生化反应作用光谱（ 见图1） 是一致的。绿色水草的叶绿素对红色光和蓝色光的吸收能力较强，红色水草体内的叶黄素和胡罗卜素对绿色和蓝色的光谱的吸收能力强。

图1 五个主要的植物光生化反应作用光谱

　　2. 2 光质对水生动物的生长影响

　　光作为自然界中重要的生态因子，对动物行为的影响极为明显。不同的光照强度、光照周期和光谱成分对动物捕食率、新陈代谢、生长发育、繁殖都有一定的影响。总体看，观赏鱼对于短波长的光照环境不是很适应，随着波长的增加，鱼的生长速度也逐渐提高。

　　2. 3 光周期对水生物生长影响

　　自然界阳光的强光时段约在10： 00 ~ 15： 00，照射时间约5 ~ 6h，考虑人工光源光的强度不如阳光强，因此建议水族光源强光以6 ~ 8 小时的照明为宜，且以分段照明的方式："10% 光量× 1h-80%光量× 6h-20% 光量× 1h"为佳，即光量以"弱→中→强→中→弱"的照明时段，用电源时序器控制开灯、熄灯的时间，使得光照能符合水生物生长的光周期。

　　3 水族照明LED 组合光源的设计

　　基于单片机控制的LED 水族照明装置主要包括两方面设计： 硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括LED 组合灯具、LED 驱动器和电路控制系统三大部分（ 结构框图见图2） .LED 组合灯具由主灯模组和观赏模组组成， LED 采用降压式恒流驱动方式，电路控制系统用来实现光色、光强和照射时段、时长的分段自动调控。软件设计采用模块化程序设计思想，依据光谱柔性组合与调控方法用C 语言编写，并与硬件有机融合，通过键盘和GSM 网络两重方法控制主控器，实现提供水生动植物所需全仿真光谱的功能。

图2 LED 水族照明光源的结构框图

　　3. 1 LED 组合灯具

　　3. 1. 1 灯具结构设计

　　根据水生动植物对光选择性吸收的事实，确定了"LED 水族照明光源"的主光谱辐射区。突破传统的点、线光源技术缺陷，LED 组合灯具采用模组式设计，由1 组主灯条（ 3W 的4 蓝、6 白、2 红LED） 和1 组月光灯条（ 1W 的4 蓝、3 红、2 绿、1黄、1 三基色LED） 组成（ 见图3） 。每个灯珠装配30°聚光帽，配合两侧纳米反光条，使光线最大程度的集中于水族箱内，由于灯具是点射光，水面的波纹折射出阴影，可模拟大自然波光粼粼的效果。

图3 LED 灯具灯条示意图

3. 1. 2 灯具散热和防水设计

　　LED 水族灯具散热系统由主动散热（ 涂覆红外高辐射材料的铝基板、铝质侧齿散热灯槽） 和被动散热（ 轴流风扇、循环水散热） 组成，PCB 铝基板焊接后涂刷防水漆，灯组下方装高透光亚克力挡板，结构示意图见图4.解决了大功率LED 灯具的散热、防水问题， 使得LED 组合光源更加高效、节能环保。

图4 LED 组合灯具的结构示意图

　　3. 2 驱动电路设计

　　利用SN3352 芯片，采用降压恒流驱动方式完成LED 驱动电路的设计。SN3352 芯片输入电压范围为6V 至40V， 输出电流高达750mA， 输出功率高达30W，集成了温度补偿电路，具有过热保护和温度补偿功能。通过PWM 脉宽调制技术实现芯片开关和调光功能。一个基元的电路原理图见图5.

图5 LED 模组驱动电路

　　3. 3 电路控制系统设计

　　3. 3. 1 控制器电路设计

主控制器以STC89C54RD + 单片机为核心， 由单片机电路，I /O 接口驱动电路，系统参数存储电路，按键电路，LCD 显示电路，GSM 远程控制电路及LED 驱动控制电路组成。单片机写有C 语言程序，用于调控并设定LED 的驱动电流强度、工作频率和脉冲宽度，以满足对光谱柔性调节的需求； 单片机电路通过I /O 接口、串行数据接口和