基于LED的植物組培光源系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以植物組織培養(yǎng)室的組培架為一控制系統(tǒng)單元，每單元由1個主控模塊與多個控制終端構(gòu)成，多層配置1個控制終端，主控模塊與控制終端采用RS485通訊。通過主控模塊，可分別對每控制終端進(jìn)行紅光與藍(lán)光光強(qiáng)、光譜與光周期參數(shù)設(shè)置，并將這些參數(shù)存儲到各終端中。終端在日常工作時，通過掃描這些參數(shù)要求，構(gòu)成自己的控制模式，進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動輸出。

圖1 系統(tǒng)框架圖

　　主控模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主控模塊采用微處理器MEGA8L為MCU，并采用鍵盤與點(diǎn)陣式液晶作為人機(jī)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(kuò)展數(shù)據(jù)輸出接口。在后期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，還可以通過該接口將終端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上。

圖2 主控模塊框架圖

　　控制終端框圖如圖3所示。控制終端采用微處理器MEGA8L為MCU，通過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(yīng)紅光驅(qū)動與藍(lán)光驅(qū)動，PWM的占空比根據(jù)設(shè)定的光強(qiáng)參數(shù)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于微處理器的I/O端口的驅(qū)動電流不夠，故需在每路PWM輸出電路后級增加大功率驅(qū)動電路。終端還具有實(shí)時時鐘（RTC），可記錄當(dāng)前實(shí)驗(yàn)時間，并將實(shí)驗(yàn)起始時間與終止時間記錄到片內(nèi)E2PROM中，該實(shí)驗(yàn)記錄在需要的情況下，可通過RS485傳回到主控模塊，并通過主控模塊的RS232擴(kuò)展接口輸出到后續(xù)處理PC機(jī)中。

圖3 控制終端框架圖

　　LED性能穩(wěn)定，光色分布可選擇，耗電量小等優(yōu)勢明顯。但在實(shí)際應(yīng)用中，單顆LED直接使用是不能滿足植物生長需求的，即使是使用更大功率的LED也達(dá)不到。傳統(tǒng)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(dá)到70%，光損失太大。為了達(dá)到植物生長要求的光合作用，我們將選用以反光罩和透鏡兩種方式，或兩者結(jié)合使用的方式來完成。并且對光波進(jìn)行嚴(yán)格測試，反復(fù)配比論證，以此達(dá)到項(xiàng)目要求。

　　為解決以上問題，設(shè)計出與LED封裝相結(jié)合的反光罩和透鏡，減少二次光學(xué)處理過程中的光損失，同時控制出射角度，一次光學(xué)設(shè)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(xiàng)目采用LED光源結(jié)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，植物生長加快，具有多重意義。

　　光源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

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