基于LED的植物组培光源系统的设计与实现

　　控制系统结构框图如图1所示。以植物组织培养室的组培架为一控制系统单元，每单元由1个主控模块与多个控制终端构成，多层配置1个控制终端，主控模块与控制终端采用RS485通讯。通过主控模块，可分别对每控制终端进行红光与蓝光光强、光谱与光周期参数设置，并将这些参数存储到各终端中。终端在日常工作时，通过扫描这些参数要求，构成自己的控制模式，进行相应的驱动输出。

图1 系统框架图

　　主控模块的结构框图如图2所示。主控模块采用微处理器MEGA8L为MCU，并采用键盘与点阵式液晶作为人机交互界面，主控模块还具有两路串行接口，一路是RS485接口与各终端进行通讯，另一路是作为扩展数据输出接口。在后期进行实验数据统计时，还可以通过该接口将终端实验数据传输到PC机上。

图2 主控模块框架图

　　控制终端框图如图3所示。控制终端采用微处理器MEGA8L为MCU，通过RS485接口与主控模块进行通讯，每一终端都有唯一的组ID号。终端输出两路PWM波形，分别对应红光驱动与蓝光驱动，PWM的占空比根据设定的光强参数可进行调节。由于微处理器的I/O端口的驱动电流不够，故需在每路PWM输出电路后级增加大功率驱动电路。终端还具有实时时钟（RTC），可记录当前实验时间，并将实验起始时间与终止时间记录到片内E2PROM中，该实验记录在需要的情况下，可通过RS485传回到主控模块，并通过主控模块的RS232扩展接口输出到后续处理PC机中。

图3 控制终端框架图

　　LED性能稳定，光色分布可选择，耗电量小等优势明显。但在实际应用中，单颗LED直接使用是不能满足植物生长需求的，即使是使用更大功率的LED也达不到。传统光源的反光罩配光方式一是不适合LED光源的发光方式，二是反光罩做成的灯具的效率只能达到70%，光损失太大。为了达到植物生长要求的光合作用，我们将选用以反光罩和透镜两种方式，或两者结合使用的方式来完成。并且对光波进行严格测试，反复配比论证，以此达到项目要求。

　　为解决以上问题，设计出与LED封装相结合的反光罩和透镜，减少二次光学处理过程中的光损失，同时控制出射角度，一次光学设计以完成透光效率的提高和对整灯配光作用的提高。选用更高折射率的光学材料，采用透镜镀膜技术，可以使光的损失降低到4%以下，这也是本项目采用LED光源结合配光模块作为光源的原因。采用集成的LED光源，可以使整灯的使用寿命加大，能源消耗减少，植物生长加快，具有多重意义。

　　光源系统的实现与应用

　　以铁皮石斛为试验材料，以此LED的植物组培光源系统为基础，研究了不同光质对铁皮石斛生长特征的影响（如图4和表1）。全部试验均在植物组织培养室中进行，环境温度设为25±2℃。LED光源系统的光谱分红光、蓝光及其组合Ⅰ（红：蓝=8：2）、组合Ⅱ（红：蓝=8：3）共4个水平，光强为45±5μmol·m-2·s-1，光照时间为每天14小时；以普通日光灯作对照，光强为45μmol·m-2·s-1。实验用苗基本一致，初始苗高1.2cm左右，每