基于叶绿素荧光参数的红色、蓝色LED补光方法

By | 2020年7月24日

  

       0、 引言

  光照前提正在各个成长期都是影响作物的成长的次要要素,当光照不克不及达到作物成长的最好的光照要求时,就需求对作物的各个成长期进行补光。国内上补光光源通常抉择白色以及蓝色
LED
光源,能够做到高效节能,有些地域乃至齐全用人工光源替代天然光源造就作物。正在主动补光零碎中,通常之外界光照强度为规范进行补光,该办法设计简略、参数调整不便,但不克不及从作物的外在要素剖析其成长状态。本文以叶绿素荧光参数为补光参数调整根底,可以反映出作物的光协作用效率,能够从作物成长的角度来调整光照前提。为此,设计了一种双线直接调光法,并正在此根底上提出了一种新的主动管制静态补光零碎。

  一、 叶绿素荧光参数与补光办法剖析

  光协作用的实质是一个动物转化太阳能为淀粉以及多糖等其余方式的能量并贮存的反响。光协作用次要由两阶段组成,辨别是光反响以及碳反响。此中,光反响由光照惹起,并把光能转化成电能,叶绿素荧光景象发作正在光反响阶段。叶绿素正在光反响中的作用是用来捕获光子能量并终极把光能转化成化学能、热能以及荧光。自
1931 年由 Kautsky 以及 Hirsch
发现的叶绿素荧光景象以来,人们就发现叶绿素荧光的产量与光协作用有很强的负相干性;正因这类负相干性,以是叶绿素荧光又被称为活体作光协作用的钻研探针,是用来钻研光协作用景象的最好抉择。叶绿素荧光参数多种多样,可以反响的动物的成长信息也是多种多样的,正在诸多叶绿素荧光参数傍边比拟间接地反响动物的光协作用才能的是
ΦPSII。

  钻研标明,动物对光能的排汇峰集中正在波长为400 ~ 500nm(次要是蓝光)以及 600 ~
700nm(次要是红光)这两个波段。尽管如今不少仍是采纳全波段对动物进行补光,然而红蓝光组合补光更高效,正在外洋使用也比全波段补光更宽泛。以是,本设计仍然采纳了红蓝光组合的办法来对动物进行补光。

  正在检测环境因子方面,传感器至关首要。一般的光照传感器尽管能够对红蓝光组合进行检测,然而无奈区别红光以及蓝光正在补光中独自能起到的作用。本设计采纳单色光照传感器辨别自力丈量光照环境中的红光以及蓝光强度。该传感器实际上就是失常的光照传感器加载滤光镜片,而滤光镜片可经过光的波长范畴,就是该光照传感器可丈量的光照范畴。

  二、 补光决议计划与算法

  本设计采纳双线直接调光法,是因为该办法分两级调理光照强度,可以使可以反响动物光协作用才能的ΦPSII
以及可以反响光照前提的光照传感器反馈后果同时参加终极的调光决议计划。其原理如图 1 所示。

  起首,该零碎会输设定一个单色光光照强度的巨细作为阈值,这个值是一个略低于饱以及光照强度的经历值。以单片机为外围的 PWM 会把 LED
灯光照强度逐步地调理到设定的阈值左近,这是上级间接调理;MINI – PAM
零碎会检测动物叶片的叶绿素荧光参数,并把该值前往到上位机贮存剖析。当做物的荧光参数偏偏离上位机内记载的失常光照下的参数值时,上位机会收回指令经过 RS232
串行口通讯衔接单片机。

  单片机接纳到调理指令后从新调理内置阈值,进一步会调理 LED
的光照强度,终极使患上光照回归到动物所需的失常程度,这是下级直接调理。这类调理办法补偿了传统两年夜类调光办法的缺陷,同时统筹了动物的光照前提以及成长情况之间的互相影响,做到了静态调理。

  

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  三、 静态补光零碎的设计

  依据以上办法设计了一套完好的调光零碎。该零碎的上级调理零碎是以单片机为外围的 PWM 调光零碎,下级以较量争论机以及 MINIPAM
为外围,经过丈量较量争论调理上级调光零碎内的阈值。

  3. 1 PWM 上级调光零碎

  本零碎应用的单片机是 PIC16F1503 其管脚衔接形式,如图 2 所示。其编程代码略。

  

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  设计中把 PWM 的频次设置为 30kHz,每一个脉冲占空比分为 100 级,这类频次下乐音十分小。每一隔
10ms检测一次光照传感器电压,并与设定值做比拟。假如光照传感器电压小于设定值,则添加 PWM 占空比1%;相同,假如光照传感器年夜于等于设定值,那末缩小 PWM
占空比 1% 。其流程如图 3 所示。

  单色光照传感器抉择用 HA2003 光照传感器外加单色滤光镜片。HA2003 量程为 200 ~ 200 000Lux,光谱范畴 400 ~
700nm(可见光),偏差 ± 7% ,工作电压12 ~ 24V,输入旌旗灯号 0 ~ 2V。蓝色滤光镜片透光光谱范畴为 400 ~
540nm,白色滤光镜片透光光谱范畴为590 ~
720nm,滤光镜片能够排汇可透光之外一切的光波。这样,即便正在红蓝光夹杂区或许天然光中,依然能够测患上红光以及蓝光单色光的光照强度。相互自力的呼应零碎防止了红光以及蓝光比例的硬性设置,更不便于独自探讨红光或许蓝光独自对动物的作用。

  

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  本设计采纳的 LED 是飞利浦公司的 Luxeon Rebel型红光以及蓝光超高亮度 LED,该 LED 灯的半值角度为62. 5°,标的目的性较强。红光
LED 发光波长为 650nm,波长宽度为 40nm,最小光通量为 40lm,工作电流为350mA。蓝光 LED 发光波长为
460nm,波长宽度为50nm,最小光通量为 30lm,工作电流为 350mA。

  因为本实验中有多个 LED 串连,电压约达到110V,电流达到 350mA,且实际上一切的 LED
灯都是闪动的,频次较快,因此管制开关应用可控硅BT169B。该型号的管制触发电流是 0. 05mA,电流为0. 8A,电压为 100 ~ 240V,工作温度
125℃,齐全合乎应用需要。开关管制电路如图 4 所示。

  

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  正在此需求阐明的是,PWM 调理形式的上限是占空比为零,这个时分的脉冲不高电位旌旗灯号,因为可控硅开关封闭,LED 是没有发光的。PWM
调理的下限是占空比为 100% ,这时候脉冲不断输入高电位旌旗灯号,LED 继续照明,是光照强度的最高值。经测患上正在某好天下战书2 时(
正在沈阳地域光照强度最强),正在天然光前提下,其红光光照强度稍微高于 4 000Lux,蓝光光照强度约莫为 2 500Lux。然而正在上午 10
时,光饱以及的状况呈现时,红光光照强度仅为 1 600Lux 阁下,蓝光光照强度为700Lux
阁下,即动物需要的光照强度远远低于天然光提供的最年夜光照强度。综上思考,正在试验中的应用LED 阵列满占空比时,红光光照强度为 4 000Lux,蓝光光照强度 1
500Lux,既节约动力,又可以餍足动物成长需要。

  3. 2 MINI – PAM 管制模块

  MINI – PAM 荧光仪是用来测试动物叶绿素荧光参数的仪器,该仪器是可编程的,可及时与上位机进行协同工作。MINI – PAM
内置上位机数据通讯管制指令,外置有 RS232 串行通讯接口。MINI – PAM 中正在软件编写顶用到的罕用代码如表 1 所示。

  

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  3. 3 下级上位机调理零碎

  上位机的次要义务是对叶绿素荧光信息进行采集、比拟及调理单片机内光照强度的设定值。思考到动物的对环境的顺应和反映工夫,本设计设定采集1
次叶绿素荧光参数中的 ΦPSII 值:当 ΦPSII 低于理想光协作用速度时,则会调高光照强度规范值;相同,当ΦPSII
高于理想光协作用速度时,则会调低光照强度规范值,并重置单片机内的光照强度规范值。单片机会依据光照强度规范值的变动来主动调理光照,终极完成静态调光的进程。其顺序流程图,如图
5 所示。

  需求阐明的是,理想光协作用速度低于光饱以及时的光协作用速度,理想光协作用速度所需求的光照也低于饱以及光照。假如初始的设定值正当,能够防止发作因为光照过饱以及而招致的光协作用速度降落,从而调高光照强度规范的状况发作;并且光照前提因为PWM
光照零碎的硬件设定的缘由,最强光照也要远远小于强光勒迫发作而克制光协作用速度时的光照。

  以是,该零碎正在任何前提下,对作物都是平安的,没有会发作过饱以及光照而克制光协作用的状况。

  

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  四、 试验与后果剖析

  零碎建成后,于 2013 年终开端了实际消费环境验证明验。试验地址正在沈阳农业年夜学日光温住宅 29号,番茄样本为辽园多丽。该批次样本正在为 2012
年末收获于穴盘中,温室环境适合番茄植株的成长,正在2013 年 1 月尾至 2
月初,番茄长至四叶二心进行试验。从样本落选取两株成长情况较好长势根本分歧的番茄幼苗,一株正在静态补光零碎下丈量试验,另外一株正在温室内失常成长环境下进行试验,作参照比照。

  图 6 为经 VB
编程的上位机操作界面,其红光以及蓝光阈值测试工夫距离和荧光参数规范值是能够设定的,而荧光参数显示区则显示测患上的动物ΦPSII。这外面红光以及蓝光是互相自力的零碎,辨别设置本人光照阈值,能够随时修正。

  图 七、图 8 辨别是两株动物正在温室内以及补光零碎内的ΦPSII
丈量后果。由图中能够看出,白昼光照前提的微小差别对番茄的光协作用影响十分年夜。跟着光照的增强,光协作用比拟稳固,从 10 时开端番茄的光协作用逐步的升高,正在 12
时至下战书 1 时半这段工夫光照达到一天中最强的工夫内,番茄的光协作用才能不断彷徨正在最低点;从 2 时开端跟着光照的削弱,光协作用才能开端逐步的规复,3
时阁下因为室外温渡过低则年夜棚封闭,可见实际上十分无效的光协作用天天只有 3
~4h。正在补光零碎中的番茄,尽管可能遭到多种光照的影响,然而终极决议补光水平的是动物自身的光协作用状况,以是ΦPSII 能够长期维持正在一个较高的程度。

  

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  试验证实,该补光形式可行。正在其余环境因子适合的状况下,能够把光照调理到番茄需求的范畴内,并无效进步其光协作用才能,终极可以进步作物的干物资积攒。

  五、 论断

  正在剖析动物光协作用机理的根底上,提出以光协作用状况以及光照强度相连系独特决议计划调光,将之定名为双线直接调光法。基于该办法以 PIC16F1503
单片机为外围解决模块开发了 LED 调光零碎,经过 MINI- PAM
以及上位机对动物光协作用状况剖析,而且能够自立调理光照阈值。同时,红光蓝光各自自力成零碎,解脱了红蓝光比例设置的约束,能够正在阈值设置窗口恣意地设置其光照比例。试验证实,该办法能够无效进步作物的光协作用,添加作物干物资累积,终极进步作物的产量。

  参考文献:

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编纂:李杰