基于單片機控制的LED水族照明裝置設計

1 引言

　　生態水族的主角是魚、水草，視覺欣賞是其主要功能。光照是其首要解決的三大技術問題之一。

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

　　2 設計原理

　　2. 1 觀賞性水草的生長發育對光波段的選擇性吸收

　　植物是在全譜自然光下進化、生長、成熟。在太陽光譜的可見光的范圍內，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波紅光誘導五個主要植物光生化反應作用光譜（ 見圖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 五個主要的植物光生化反應作用光譜

　　2. 2 光質對水生動物的生長影響。

　　光作為自然界中重要的生態因子，對動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物捕食率、新陳代謝、生長發育、繁殖都有一定的影響?？傮w看，觀賞魚對于短波長的光照環境不是很適應，隨著波長的增加，魚的生長速度也逐漸提高。

　　2. 3 光周期對水生物生長影響

　　自然界陽光的強光時段約在10： 00 ~ 15： 00，照射時間約5 ~ 6h，考慮人工光源光的強度不如陽光強，因此建議水族光源強光以6 ~ 8 小時的照明為宜，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”的照明時段，用電源時序器控制開燈、熄燈的時間，使得光照能符合水生物生長的光周期。

　　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 驅動器和電路控制系統三大部分（ 結構框圖見圖2） .LED 組合燈具由主燈模組和觀賞模組組成， LED 采用降壓式恒流驅動方式，電路控制系統用來實現光色、光強和照射時段、時長的分段自動調控。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 語言編寫，并與硬件有機融合，通過鍵盤和GSM 網絡兩重方法控制主控器，實現提供水生動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