1  引言

生態(tài)水族的主角是魚(yú)、水草，視覺(jué)欣賞是其主要功能。光照是其首要解決的三大技術(shù)問(wèn)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(fā)射光譜與水生物選擇性吸收光譜不匹配，用于水生動(dòng)植物補(bǔ)光，針對(duì)性差、光效低、耗能大、大量發(fā)熱影響水溫。發(fā)光二極管（LED）以其高效、多色、窄帶、直流、顯色性好、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)主要的、較為理想的人工水生動(dòng)植物補(bǔ)光光源。但目前市場(chǎng)上的LED水族光源，存在光譜和強(qiáng)度被預(yù)制固化、不可調(diào)、顯色性差、靜態(tài)等問(wèn)題，不能滿足水生動(dòng)植物對(duì)光譜的動(dòng)態(tài)需求，因此，智能LED水族光源成為科學(xué)工作者競(jìng)相研究的重點(diǎn)。

2  設(shè)計(jì)原理

2.1觀賞性水草的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光波段的選擇性吸收

植物是在全譜自然光下進(jìn)化、生長(zhǎng)、成熟。在太陽(yáng)光譜的可見(jiàn)光的范圍內(nèi)，在690~780nm、580~690nm、350~530nm之間的光波段是最強(qiáng)的生理活動(dòng)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(dǎo)和長(zhǎng)波紅光誘導(dǎo)五個(gè)主要植物光生化反應(yīng)作用光譜（見(jiàn)圖1）是一致的。綠色水草的葉綠素對(duì)紅色光和藍(lán)色光的吸收能力較強(qiáng)，紅色水草體內(nèi)的葉黃素和胡羅卜素對(duì)綠色和藍(lán)色的光譜的吸收能力強(qiáng)。

2.2光質(zhì)對(duì)水生動(dòng)物的生長(zhǎng)影響

光作為自然界中重要的生態(tài)因子，對(duì)動(dòng)物行為的影響極為明顯。不同的光照強(qiáng)度、光照周期和光譜成分對(duì)動(dòng)物捕食率、新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖都有一定的影響?？傮w看，觀賞魚(yú)對(duì)于短波長(zhǎng)的光照環(huán)境不是很適應(yīng)，隨著波長(zhǎng)的增加，魚(yú)的生長(zhǎng)速度也逐漸提高。

2.3光周期對(duì)水生物生長(zhǎng)影響

自然界陽(yáng)光的強(qiáng)光時(shí)段約在10：00~15：00，照射時(shí)間約5~6h，考慮人工光源光的強(qiáng)度不如陽(yáng)光強(qiáng)，因此建議水族光源強(qiáng)光以6~8小時(shí)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(qiáng)→中→弱”的照明時(shí)段，用電源時(shí)序器控制開(kāi)燈、熄燈的時(shí)間，使得光照能符合水生物生長(zhǎng)的光周期。

3  水族照明LED組合光源的設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)控制的LED水族照明裝置主要包括兩方面設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括LED組合燈具、LED驅(qū)動(dòng)器和電路控制系統(tǒng)三大部分（結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)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(qū)動(dòng)方式，電路控制系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)和照射時(shí)段、時(shí)長(zhǎng)的分段自動(dòng)調(diào)控。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，依據(jù)光譜柔性組合與調(diào)控方法用C語(yǔ)言編寫(xiě)，并與硬件有機(jī)融合，通過(guò)鍵盤(pán)和GSM網(wǎng)絡(luò)兩重方法控制主控器，實(shí)現(xiàn)提供水生動(dòng)植物所需全仿真光譜的功能。

3.1LED組合燈具

3.1.1燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水生動(dòng)植物對(duì)光選擇性吸收的事實(shí)，確定了“LED水族照明光源”的主光譜輻射區(qū)。突破傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源技術(shù)缺陷，LED組合燈具采用模組式設(shè)計(jì)，由1組主燈條（3W的4藍(lán)、6白、2紅LED）和1組月光燈條（1W的4藍(lán)、3紅、2綠、1黃、1三基色LED）組成（見(jiàn)圖3）。每個(gè)燈珠裝配30°聚光帽，配合兩側(cè)納米反光條，使光線最大程度的集中于水族箱內(nèi)，由于燈具是點(diǎn)射光，水面的波紋折射出陰影，可模擬大自然波光粼粼的效果。

3.1.2燈具散熱和防水設(shè)計(jì)

LED水族燈具散熱系統(tǒng)由主動(dòng)散熱（涂覆紅外高輻射材料的鋁基板、鋁質(zhì)側(cè)齒散熱燈槽）和被動(dòng)散熱（軸流風(fēng)扇、循環(huán)水散熱）組成，PCB鋁基板焊接后涂刷防水漆，燈組下方裝高透光亞克力擋板，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4.解決了大功率LED燈具的散熱、防水問(wèn)題，使得LED組合光源更加高效、節(jié)能環(huán)保。

1—亞克力玻璃;2—燈箱;3—LED燈珠;4—鋁基PCB板;5—鋁質(zhì)側(cè)齒散熱燈槽;6—循環(huán)水散熱器;7—線路板;8—燈箱頂蓋;9—風(fēng)扇

3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

利用SN3352芯片，采用降壓恒流驅(qū)動(dòng)方式完成LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。SN3352芯片輸入電壓范圍為6V至40V，輸出電流高達(dá)750mA，輸出功率高達(dá)30W，集成了溫度補(bǔ)償電路，具有過(guò)熱保護(hù)和溫度補(bǔ)償功能。通過(guò)PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片開(kāi)關(guān)和調(diào)光功能。一個(gè)基元的電路原理圖見(jiàn)圖5.

3.3電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1控制器電路設(shè)計(jì)

主控制器以STC89C54RD+單片機(jī)為核心，由單片機(jī)電路，I/O接口驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)電路，按鍵電路，LCD顯示電路，GSM遠(yuǎn)程控制電路及LED驅(qū)動(dòng)控制電路組成。單片機(jī)寫(xiě)有C語(yǔ)言程序，用于調(diào)控并設(shè)定LED的驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度、工作頻率和脈沖寬度，以滿足對(duì)光譜柔性調(diào)節(jié)的需求；單片機(jī)電路通過(guò)I/O接口、串行數(shù)據(jù)接口和LED恒流驅(qū)動(dòng)電路、按鍵電路、LCD顯示接口電路、GSM遠(yuǎn)程控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路相連接。各組塊有機(jī)結(jié)合，各司其職，協(xié)調(diào)合作。

3.3.2GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于OEM板，使用串口實(shí)現(xiàn)與C89C54單片機(jī)進(jìn)行通信。GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)芯片、時(shí)鐘芯片、看門(mén)狗芯片、GSM接口、存儲(chǔ)芯片及驅(qū)動(dòng)芯片（見(jiàn)圖6）。此系統(tǒng)可將用戶的指令信息通過(guò)短信的方式傳遞到單片機(jī)，然后進(jìn)行LED燈具燈亮滅及發(fā)光顏色遠(yuǎn)程控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。

3.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件固化在單片機(jī)的芯片中，采用模塊化程序設(shè)計(jì)（流程圖見(jiàn)圖7），用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括人機(jī)接口（鍵盤(pán)掃描模塊、LCD驅(qū)動(dòng)模塊、GSM遠(yuǎn)程控制模塊），LED控制模塊（LED驅(qū)動(dòng)電路模塊、LED燈頭模塊），參數(shù)存儲(chǔ)模塊。各模塊各司其能，由主程序統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各模塊依存關(guān)系，完成所需的光質(zhì)、光強(qiáng)、時(shí)序控制等各種設(shè)置，以期達(dá)到操作界面友好，控制效果理想，系統(tǒng)高度穩(wěn)定的目標(biāo)。

3.5整機(jī)設(shè)計(jì)和制作

智能LED水族照明光源系統(tǒng)由主控箱，LED組合燈具和紫外殺菌燈組成。在制作過(guò)程中我們嚴(yán)格遵循科學(xué)布局，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，務(wù)實(shí)簡(jiǎn)潔的思想，在制作初期設(shè)計(jì)多種樣機(jī)模型，經(jīng)過(guò)多次論證，確定最終的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照機(jī)械制作標(biāo)準(zhǔn)制作而成（樣機(jī)見(jiàn)圖8）。

4  LED水族照明光源光電特性性

4.1水族照明光源的亮度測(cè)試

在距離水族照明光源前方5m處，用CX-2A成像亮度計(jì)分別測(cè)試四種照射模式的水族照明光源的亮度分布（見(jiàn)圖9），測(cè)試可知，光強(qiáng)的空間分布，決定了組合燈具設(shè)計(jì)時(shí)的各色LED管子的排列間隔和補(bǔ)光時(shí)的照射距離。同距離處LED因功率、光色的不同而亮度不同，正好可以模擬波光粼粼的效果。

4.2水族照明光源的光譜測(cè)試

本研究設(shè)計(jì)的“LED水族照明光源”的LED組合燈具由大功率的紅色、藍(lán)色、白光、綠色LED組合而成。用PMS-50光譜分析系統(tǒng)測(cè)量其發(fā)射光譜見(jiàn)圖10.

5  結(jié)束語(yǔ)

“智能LED水族照明光源”，采用高亮度、大功率的白色、藍(lán)色、紅色、綠色、黃色LED優(yōu)化搭配而成，采用模組化設(shè)計(jì)理念，LED燈具由主燈條和月光燈條組成。基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)光色、光強(qiáng)、照射時(shí)長(zhǎng)、時(shí)段的自動(dòng)可調(diào)，滿足了水生動(dòng)植物對(duì)光的選擇性吸收和人們的視覺(jué)觀賞要求，同時(shí)很好的解決了魚(yú)對(duì)光的應(yīng)激反應(yīng)。在設(shè)計(jì)中充分應(yīng)用人文和環(huán)保理念，實(shí)現(xiàn)了光源的節(jié)能高效，這正是將LED推向新領(lǐng)域所進(jìn)行的積極探索，可以相信“智能LED光源”在大規(guī)模水草的品種培育、人工繁殖，觀賞魚(yú)工廠化培育、水族園藝、水族館專(zhuān)用補(bǔ)光光源以及特色水族箱等方面進(jìn)行科學(xué)研究和推廣應(yīng)用，必將帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。