“挑戰(zhàn)杯”河北省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽作品申報(bào)書設(shè)施農(nóng)業(yè)專用LED組合光源的研制

1、序號(hào)： 編碼： “挑戰(zhàn)杯”2009河北省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽作品申報(bào)書 作品名稱： 設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源的研制 學(xué)校全稱： 河北大學(xué) 申報(bào)者姓名 （集體名稱）： 類別：自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文 科技發(fā)明制作a類 科技發(fā)明制作b類a2申報(bào)者情況（集體項(xiàng)目）說(shuō)明：1必須由申報(bào)者本人按要求填寫；2申報(bào)者代表必須是作者中學(xué)歷最高者，其余作者按學(xué)歷高低排列；3本表中的學(xué)籍管理部門簽章視為申報(bào)者情況的確認(rèn)。申報(bào)者代表情況姓名性別男出生年月1986.1學(xué)校河北大學(xué)系別、專業(yè)、年級(jí)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2006級(jí)電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)歷本科學(xué)制4年入學(xué)時(shí)間2006.9作品

2、名稱設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源的研制畢業(yè)論文題目無(wú)通訊地址河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院郵政編碼071002辦公電住地通訊地址河北大學(xué)梅園宿舍209郵政編碼071002住宅電他作者情況姓 名性別年齡學(xué)歷所在單位男22本科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院女21本科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院男21本科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院男20本科生命科學(xué)學(xué)院女20本科藥學(xué)院資格認(rèn)定學(xué)校學(xué)籍管理部門意見(jiàn)以上作者是否為2009年7月1日前正式注冊(cè)在校的全日制非成人教育、非在職的高等學(xué)校中國(guó)籍?？粕?、本科生、碩士研究生或博士研究生。是否 （部門簽章）年 月 日院、系負(fù)責(zé)人或?qū)熞庖?jiàn)本作品是否為

3、課外學(xué)術(shù)科技或社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)成果是否負(fù)責(zé)人簽名：年 月 日b3申報(bào)作品情況（科技發(fā)明制作）說(shuō)明：1必須由申報(bào)者本人填寫；2本部分中的科研管理部門簽章視為對(duì)申報(bào)者所填內(nèi)容的確認(rèn)； 3本表必須附有研究報(bào)告，并提供圖表、曲線、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、 原理結(jié)構(gòu)圖、外觀圖（照片）,也可附鑒定證書和應(yīng)用證書； 4作品分類請(qǐng)按照作品發(fā)明點(diǎn)或創(chuàng)新點(diǎn)所在類別填報(bào)。作品全稱設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源的研制作品分類（ c ）a機(jī)械與控制（包括機(jī)械、儀器儀表、自動(dòng)化控 制、工程、交通、建筑等） b信息技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)、電信、通訊、電子等） c數(shù)理（包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等） d生命科學(xué)（包括生物、農(nóng)學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)、健 康、

4、衛(wèi)生、食品等） e能源化工（包括能源、材料、石油、化學(xué)、化 工、生態(tài)、環(huán)保等）作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點(diǎn)，技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)研究目的：光是一切生物賴以生存的重要因素。植物的正常發(fā)育過(guò)程是通過(guò)光合作用、光形態(tài)建成反應(yīng)、光周期調(diào)節(jié)來(lái)完成的，所以從種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、葉片張開(kāi)、葉綠體的發(fā)育，一直到開(kāi)花、結(jié)果、衰老以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)都離不開(kāi)光的參與和調(diào)節(jié)。本作品設(shè)計(jì)的總目標(biāo)是利用led的光強(qiáng)高、功耗低、易于調(diào)光調(diào)色、小巧、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，用高亮度的單色led，通過(guò)組合來(lái)研制一種應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效、節(jié)能、可控性好的led組合人工補(bǔ)光光源。旨在解決目前常用白熾燈、日光燈、高壓鈉燈等補(bǔ)光光源

5、存在的發(fā)射光譜與植物選擇吸收光譜不匹配，用于植物補(bǔ)光，針對(duì)性差、能耗大、光效低，嚴(yán)重影響人工補(bǔ)光技術(shù)的普及的缺點(diǎn)。作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點(diǎn)，技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)(續(xù)表)我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，溫室種植已成為農(nóng)村新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。led組合光源的研制及其在光照培養(yǎng)箱、組培育苗、溫室種植及植物工廠等方面的科學(xué)研究和推廣應(yīng)用，必將帶來(lái)重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。研究基本思路：克服常用補(bǔ)光光源的點(diǎn)、線、熱光源的技術(shù)缺陷，利用led的光強(qiáng)高、功耗低、易于調(diào)光調(diào)色、小巧、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，用高亮度的單色led，通過(guò)組合來(lái)研制led組合光源；針對(duì)植物的光合作用、光形態(tài)建成反應(yīng)、光周期調(diào)節(jié)

6、及光強(qiáng)對(duì)光譜的選擇性，確定設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源的主光譜輻射區(qū)，使其發(fā)射光譜與植物的選擇性吸收光譜相匹配；根據(jù)led的光色電性能指標(biāo)，選取高亮度、不同功率的紅、藍(lán)、白色和遠(yuǎn)紅光單色led光源；通過(guò)對(duì)光色、光質(zhì)、數(shù)量、排列進(jìn)行優(yōu)化組合，來(lái)研制系列l(wèi)ed組件模塊；解決led組合光源中l(wèi)ed驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)光、調(diào)色、工作方式以及時(shí)間調(diào)控等技術(shù)問(wèn)題，研制模擬驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模塊。制作設(shè)施農(nóng)業(yè)專用組合光源，確定其適用范圍。創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵：led組合光源采用高亮度、大小功率的紅色、藍(lán)色、遠(yuǎn)紅光和暖白四色led優(yōu)化搭配而成，其發(fā)射光譜與作物的選擇性吸收相匹配，用于植物補(bǔ)光，針對(duì)性強(qiáng)，光效高；突破

7、傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源局限，led組合光源采用集成的陣列式設(shè)計(jì)，具有平面化、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋；采用涂覆紅外高輻射材料的鋁基板和風(fēng)扇結(jié)合的方式，降低大功率led結(jié)溫，使得led組合光源更加高效、節(jié)能環(huán)保。led組合光源可在光照培養(yǎng)箱、組培育苗、溫室種植及植物工廠等方面進(jìn)行科學(xué)研究和推廣應(yīng)用。主要技術(shù)指標(biāo)：led組合光源采用紅色(660±20nm)、藍(lán)(450±20nm)、遠(yuǎn)紅(750±20nm)和暖白四色led搭配而成；（r/b）在5：1至10：1；在610700nm和400510nm有主吸收峰作品的科學(xué)性先進(jìn)性（必須說(shuō)明與現(xiàn)有技術(shù)相比、該作品是否具有突

8、出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。請(qǐng)?zhí)峁┘夹g(shù)性分析說(shuō)明和參考文獻(xiàn)資料）“設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源”是一種高效、節(jié)能、可控性好的新型植物人工補(bǔ)光光源。它是依據(jù)植物的光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)對(duì)光譜的選擇性吸收而設(shè)計(jì)的。通過(guò)測(cè)量led的光色電性能指標(biāo)，選取高亮度、大小功率的紅、蘭、白色和遠(yuǎn)紅光單色led，通過(guò)對(duì)光色、光質(zhì)、數(shù)量、排列進(jìn)行優(yōu)化組合搭配成基本模塊單元，設(shè)計(jì)中保持r/b在5:1至10:1，其發(fā)射光譜與作物的選擇性吸收相匹配，用于植物栽培，針對(duì)性強(qiáng)，光效高。led組合光源在設(shè)計(jì)中突破了傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源技術(shù)缺陷，采用集成的陣列式設(shè)計(jì)，根據(jù)需要可進(jìn)行拼接，具有平面化、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)

9、均勻照射。解決led組合光源中l(wèi)ed驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)光、調(diào)色、工作方式以及時(shí)間調(diào)控等技術(shù)問(wèn)題。采用涂覆紅外高輻射材料的鋁基板和風(fēng)扇結(jié)合的方式，降低大功率led結(jié)溫，使得led組合光源更加高效、節(jié)能環(huán)保。本產(chǎn)品還是一種的綠色環(huán)保光源。較白熾燈、熒光燈而言，led光源光束不產(chǎn)生熱量，屬于絕對(duì)冷光源，對(duì)植物可以實(shí)現(xiàn)“零”距離照射；加之led體積小、光強(qiáng)集中，用于植物補(bǔ)光可以節(jié)省能源和空間?！霸O(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源”的研制及其在光照培養(yǎng)箱、組培育苗、溫室種植及植物工廠等方面的科學(xué)研究和推廣應(yīng)用將在推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重大作用，也將給綠色農(nóng)業(yè)和創(chuàng)匯農(nóng)業(yè)帶來(lái)重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。參考

10、文獻(xiàn)：1復(fù)旦大學(xué)電光源實(shí)驗(yàn)室電光源原理上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979（第一版），69-932童哲光形態(tài)建成，植物生理生化進(jìn)展1987，13（5）；983張蕾光質(zhì)在植物生長(zhǎng)過(guò)程中的調(diào)控作用河北大學(xué)，碩士論文，2000，6，4-94 方煒使用led調(diào)整光量及光質(zhì)與二者對(duì)組培苗生長(zhǎng)之影響種苗科技成果發(fā)表會(huì)，2003，23-405徐志剛組培微環(huán)境與規(guī)?；缭O(shè)施環(huán)境調(diào)控的研究博士論文，2002年5月：19-246郭雙生，艾為黨受控生態(tài)生保系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)光源的選擇航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2003，第16卷，增刊：3-47 k.c.史密斯編，沈恂等譯光生物學(xué)北京：科學(xué)出版社，1984，401-4028劉 建組培

11、箱微環(huán)境中光及co_2調(diào)控的研究碩士論文，2007年10月：17-189張?jiān)朴⒉煌鈴?qiáng)下結(jié)球萵苣光保護(hù)機(jī)制和營(yíng)養(yǎng)成分形成關(guān)系的研究碩士論文，2006年5月：273011劉水麗人工光源在閉鎖式植物工廠中的應(yīng)用研究碩士論文，2007年9月：464710曲 溪，葉方銘等led燈在植物補(bǔ)光領(lǐng)域的效用探究燈與照明，2008年02期：4412 barta, d.j., t.w. tibbitts, r.j. bula and r.c. morrowevaluation of light emitting diode characteristics for a space-based plant irrad

12、iation sourceadvances in space research ，1992，12：141-149作品在何時(shí)、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的評(píng)審、鑒定、評(píng)比、展示等活動(dòng)中獲獎(jiǎng)及鑒定結(jié)果無(wú)作品所處階 段（ a ）a實(shí)驗(yàn)室階段 b中試階段 c生產(chǎn)階段d （自填）技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式技術(shù)入股 一次性買斷等作品可展示的形 式 實(shí)物、產(chǎn)品 模型 圖紙 磁盤 現(xiàn)場(chǎng)演示 圖片 錄像 樣品使用說(shuō)明及該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提供該作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)“設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源”研制成功以后可由廠家直接投入生產(chǎn)。本產(chǎn)品是一種高效、節(jié)能、可控性好的新型植物人工補(bǔ)光光源。“設(shè)施農(nóng)

13、業(yè)專用led組合光源” 其發(fā)射光譜與作物的選擇性吸收光譜相匹配，用于植物補(bǔ)光，針對(duì)性強(qiáng)，光效高。本光源具有發(fā)光強(qiáng)度高、功耗低、可靠性高、易于調(diào)光調(diào)色、小巧、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且led為冷光源，這為近距離照射、節(jié)省能源創(chuàng)造了條件。此外，大功率led的加入，提高了光照強(qiáng)度；led組件的陣列式設(shè)計(jì)，便于自由組合搭配。這使led 組合光源更加適合應(yīng)用于植物補(bǔ)光，因而，相比于市場(chǎng)上其他植物人工補(bǔ)光光源，本產(chǎn)品具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，僅我省就有四百多萬(wàn)畝大棚，溫室種植業(yè)作為農(nóng)村增產(chǎn)增收的重要手段，已經(jīng)成為農(nóng)村新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。“設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源”的研制及其在光照培養(yǎng)箱、

14、組培育苗、溫室種植及植物工廠等方面的科學(xué)研究和推廣應(yīng)用將在推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重大作用，也將給綠色農(nóng)業(yè)和創(chuàng)匯農(nóng)業(yè)帶來(lái)重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。專利申報(bào)情況提出專利申報(bào) 申報(bào)號(hào) 申報(bào)日期 年 月 日已獲專利權(quán)批準(zhǔn) 批準(zhǔn)號(hào) 批準(zhǔn)日期 年 月 日 未提出專利申請(qǐng)科研管理部門簽 章 年 月 日c.當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類課題研究水平概述 說(shuō)明：1.申報(bào)者可根據(jù)作品類別和情況填寫； 2.填寫此欄有助于評(píng)審。近年來(lái)，led光源在植物生理與植物栽培領(lǐng)域的應(yīng)用研究已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注，美國(guó)nasa研究中心把led補(bǔ)光設(shè)施作為宇宙基地等閉鎖式生命維持系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)之一開(kāi)展研究。日本的閉鎖式led植物

15、工廠的研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段；許多學(xué)者也在led光源方面做了大量研究：1996年，takitaetal對(duì)led發(fā)光強(qiáng)度與光譜分布模式進(jìn)行了理論研究，將led作為點(diǎn)光源并配合光量倒平方法則來(lái)建立模型，用以預(yù)測(cè)和計(jì)算栽培面上的光強(qiáng)與光質(zhì)的分布情況。2001年，方煒對(duì)“以發(fā)光二極管為光源的植物栽培裝置”申請(qǐng)專利，其介紹的是一種以小功率發(fā)光二極管為光源的植物栽培裝置,系統(tǒng)主要包含燈具與驅(qū)動(dòng)器兩大部分。適用于大部分組培苗之生長(zhǎng)栽培，并可作為探討光合作用、光形態(tài)發(fā)生與光質(zhì)對(duì)植物生理等研究領(lǐng)域的測(cè)驗(yàn)工具。同年，方煒又對(duì)“以超高亮度發(fā)光二極管作為人工光源的植物生長(zhǎng)箱”申請(qǐng)專利，該產(chǎn)品介紹的是一種以自行研發(fā)的小

16、功率超高亮度發(fā)光二極管作為人工光源的植物生長(zhǎng)箱，旨在探討應(yīng)用該種新型光源與使用傳統(tǒng)的螢光燈管在蝴蝶蘭組培苗栽培上的差異。研究證實(shí)led適用于做為光形態(tài)發(fā)生基礎(chǔ)研究之人工光源。2002年，由日本ccs公司森岡美帆制作的植物生長(zhǎng)系統(tǒng)包括led光源、生長(zhǎng)控制軟件、信號(hào)調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)收集軟件。整套系統(tǒng)通過(guò)生長(zhǎng)控制軟件控制led照明，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)不同光質(zhì)的自動(dòng)控制。同年，田中道男開(kāi)發(fā)了由紅色led（660nm）和藍(lán)色led（450nm）組成的獨(dú)立光源新型組培容器“uni-pack”。其中，紅色led的發(fā)光效率可以達(dá)到22%-25%,不能轉(zhuǎn)化為光能的電能大部分在led芯片的發(fā)熱中消耗掉了。為解決散熱問(wèn)題，從l

17、ed cap各個(gè)側(cè)面打孔并安裝了特制的風(fēng)扇，同時(shí)在led模板的內(nèi)側(cè)使用冷卻水循環(huán)降溫的方法防止模板溫度上升。2006年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)徐志剛領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在國(guó)內(nèi)首次成功研制出“用于植物光生物學(xué)研究的柔性led光源系統(tǒng)”，并于2008年對(duì)此申請(qǐng)專利，該系統(tǒng)主要由led、即插式萬(wàn)能基板和驅(qū)動(dòng)與控制單元組成，主要特點(diǎn)是不同波長(zhǎng)的led可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求作任意組合與排列，解決了傳統(tǒng)光源不能提供多光譜參數(shù)組合以及不能精確定量調(diào)制光譜參數(shù)的問(wèn)題。d.推薦者情況及對(duì)作品的說(shuō)明說(shuō)明：1由推薦者本人填寫； 2推薦者必須具有高級(jí)專業(yè)技術(shù)職稱，并是與申報(bào)作品 相同或相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者或?qū)I(yè)技術(shù)人員（教研組 集體推薦亦可

18、）； 3推薦者填寫此部分，即視為同意推薦； 4推薦者所在單位簽章僅被視為對(duì)推薦者身份的確認(rèn)。推薦者情況姓 名楊景發(fā)性別男年齡43職稱高級(jí)實(shí)驗(yàn)師工作單位河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通訊地址河北省保定市五四東路180號(hào)郵政編碼071002單位電話03125049681住宅電薦者所在單位簽章 （簽章） 年 月 日請(qǐng)對(duì)申報(bào)者申報(bào)情況的真實(shí)性作出闡述情況屬實(shí) 請(qǐng)對(duì)作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景作出您的評(píng)價(jià)本產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念新穎，選取高亮度、大小功率的紅、蘭、白色和遠(yuǎn)紅光單色led，通過(guò)對(duì)光色、光質(zhì)、數(shù)量、排列進(jìn)行優(yōu)化組合搭配成基本模塊單元，其發(fā)射光譜與作物的選擇性吸收相匹配

19、，用于植物栽培，針對(duì)性強(qiáng)，光效高。led組合光源在設(shè)計(jì)中突破了傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源技術(shù)缺陷，采用集成的陣列式設(shè)計(jì)，根據(jù)需要可進(jìn)行拼接，具有平面化、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)均勻照射。“設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源”是一種高效、節(jié)能、可控性好的新型植物人工補(bǔ)光光源。可以在光照培養(yǎng)箱、組培育苗、溫室種植及植物工廠等方面進(jìn)行科學(xué)研究和推廣應(yīng)用，必將帶來(lái)重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。其它說(shuō)明無(wú)推薦者情況姓 名楊少鵬性別男年齡45職稱教授工作單位河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通訊地址河北省保定市五四東路180號(hào)郵編071002單位電宅電薦者所在單位簽章 簽章日期 年

20、月 日 請(qǐng)對(duì)申報(bào)者申報(bào)情況的真實(shí)性作出闡述情況屬實(shí) 請(qǐng)對(duì)作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景作出您的評(píng)價(jià)“設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源”是一種高效、節(jié)能、可控性好的新型植物人工補(bǔ)光光源。它是依據(jù)植物的光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)對(duì)光譜的選擇性吸收而設(shè)計(jì)的。本產(chǎn)品選用光譜性能好的單色led來(lái)搭配光源，既考慮了光質(zhì)選擇因素，又考慮了植物對(duì)光強(qiáng)的需求，本光源具有發(fā)光強(qiáng)度高、功耗低、易于調(diào)光調(diào)色、小巧、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且led為冷光源，可以近距離地照射植物，可用于多層栽培立體組合系統(tǒng)；led組件的陣列式設(shè)計(jì)，便于自由組合搭配。這使led 組合光源更加適合應(yīng)用于植物補(bǔ)光，因而，相比于市場(chǎng)上其他植物

21、人工補(bǔ)光光源，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用推廣前景。其它說(shuō)明無(wú)學(xué)校組織協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)確認(rèn)并蓋章 （團(tuán)委代章） 年 月 日 校主管領(lǐng)導(dǎo)或校主管部門確認(rèn)蓋章 年 月 日 各省（區(qū)、市）評(píng)審委員會(huì)初評(píng)意見(jiàn) 評(píng)委簽名： 年 月 日 各?。▍^(qū)、市）組織協(xié)調(diào)委員會(huì)審定意見(jiàn) 團(tuán) 委 科 協(xié) 教 育 廳 學(xué) 聯(lián)（簽章） （簽章） （簽章） （簽章） 年 月 日e 省級(jí)組織委員會(huì)秘書處資格和形式審查意見(jiàn)組委會(huì)秘書處資格審查意見(jiàn) 審查人（簽名） 年 月 日組委會(huì)秘書處形式審查意見(jiàn) 審查人（簽名） 年 月 日組委會(huì)秘書處審查結(jié)果合格 不合格 負(fù)責(zé)人（簽名） 年 月 日f(shuō)參賽作品打印處設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合

22、光源的研制一 引 言我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，發(fā)展實(shí)施高效農(nóng)業(yè)是我國(guó)進(jìn)行農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵，溫室種植業(yè)作為農(nóng)村增產(chǎn)增收的重要手段，已經(jīng)成為農(nóng)村新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。人工補(bǔ)光是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要手段。目前，普遍使用的白熾燈、日光燈、高壓鈉燈等補(bǔ)光光源，其發(fā)射光譜與植物選擇性吸收光譜不匹配，用于植物補(bǔ)光，針對(duì)性差、光效低。設(shè)施農(nóng)業(yè)專用光源是我們導(dǎo)師課題組針對(duì)植物的光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)對(duì)光譜的選擇性吸收而研發(fā)的，已獲國(guó)家發(fā)明專利，已成功用于組培育苗、棚室作物補(bǔ)光和花卉的種植中，且已形成工業(yè)化生產(chǎn)。 隨著光電技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)光二極管(led)被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的新型光源，由于其發(fā)光強(qiáng)度高、功耗低、

23、可靠性高、易于調(diào)光調(diào)色、小巧、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于照明、顯示等領(lǐng)域。將led用于植物補(bǔ)光的研究，國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了積極的探索：國(guó)際上最早將led 用于植物栽培的是日本三菱公司，早在1982年就有關(guān)于波長(zhǎng)為650nm 的紅色led光源用于溫室番茄補(bǔ)光的試驗(yàn)報(bào)告；1994年，日本開(kāi)始用led作為照明光源，對(duì)植物栽培進(jìn)行了研究。此外，日本千葉大學(xué)也曾進(jìn)行了紅光、遠(yuǎn)紅光led對(duì)馬鈴薯生理過(guò)程影響的試驗(yàn)研究；1991年，美國(guó)的bulaetal使用高強(qiáng)度led于太空農(nóng)業(yè)之研究，首創(chuàng)led于農(nóng)業(yè)之應(yīng)用；hoeneckeetal于1992年使用高強(qiáng)度紅光led與藍(lán)光燈管配合使用，成功栽培萵苣種苗；美國(guó)w

24、isconsin大學(xué)的研究小組采用led 光源用于萵苣的栽培試驗(yàn)取得階段性研究成果；以色列也進(jìn)行過(guò)led在組培植物工廠的試驗(yàn)研究，并發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)光組合led光照比其他光源更能促進(jìn)芽分化，更適合幼芽生長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)的一些研究部門也積極開(kāi)展了有關(guān)led 在植物工廠和組培室的試驗(yàn)：1993年12月，方煒、饒瑞吉在“超高亮度紅藍(lán)光led應(yīng)用于蝴蝶蘭組培苗之研究”中指出：紅藍(lán)光led代替日光燈管應(yīng)用于蝴蝶蘭組培苗作為人工光源應(yīng)屬可行；2004年，方煒在“使用調(diào)整光量及光質(zhì)與二者對(duì)組培苗生長(zhǎng)之影響”中經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出：ledset可作為組培苗、種苗、藻類栽培、生物反應(yīng)器人工光源。2003年，郭雙生、艾為黨等在“受控生態(tài)生

25、保系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)光源的選擇”中得出結(jié)論：植株正常生長(zhǎng)可采用紅色和藍(lán)色發(fā)光二極管的一定組合，以90%紅色+10%藍(lán)色發(fā)光二極管更為適宜；與此同時(shí)，諸葛強(qiáng)、關(guān)亞麗等也在“組培新技術(shù)及其在桉樹(shù)快繁中的應(yīng)用”中得出結(jié)論：應(yīng)用超亮發(fā)光二極管作為植物生長(zhǎng)的光源，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于常用的光源如熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和白熾燈；2006年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐志剛副教授在國(guó)內(nèi)首次成功研制出“用于植物光生物學(xué)研究的柔性led光源系統(tǒng)”，被命名為led plant，它能夠任意定量調(diào)控光密度、光波長(zhǎng)、占空比和頻率，是光生物學(xué)研究的有效工具和理想實(shí)驗(yàn)設(shè)備。鑒于目前l(fā)ed組合光源多數(shù)由小功率的led組成，與植物生長(zhǎng)所需光照

26、強(qiáng)度還有一定的差距，如何搭配光譜、提高光照均勻度、研發(fā)更高效率的人工光源，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域一直是科研工作者研究的重點(diǎn)。在此背景下，我們開(kāi)展了“設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源的研制”課題。首先討論了光合作用、光形態(tài)建成、光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，使led組合光源的發(fā)射光譜與作物的選擇性吸收光譜相匹配；接著討論了設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源設(shè)計(jì)中的led選取、組件光源光譜搭配、led驅(qū)動(dòng)電路等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。二 led組合光源的研制原理“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”，光是世界上一切生物賴以生存的重要因素。植物的正常發(fā)育過(guò)程是通過(guò)光合作用、光形態(tài)建成反應(yīng)、光周期調(diào)節(jié)來(lái)完成的，從種子萌

27、發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、葉片張開(kāi)、葉綠體的發(fā)育，一直到開(kāi)花、結(jié)果、衰老都離不開(kāi)光的參與和調(diào)節(jié)。本節(jié)將從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面討論植物對(duì)光質(zhì)與光量的吸收是有選擇的。2.1 led組合光源研制的理論研究2.1.1光合作用綠色植物的生長(zhǎng)，主要是通過(guò)光合作用來(lái)完成的。整個(gè)過(guò)程的凈反應(yīng)是： ch2o 是碳水化合物，它是形成各種有機(jī)物的原材料，植物生長(zhǎng)快慢決定于光合速率，只有在光合作用下，反應(yīng)才能啟動(dòng)，那么光能是如何介入的呢？這個(gè)中間環(huán)節(jié)是通過(guò)葉綠素、類胡蘿卜素等光合色素系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。葉綠素的吸收光譜與光合作用光譜如圖1所示，圖1 葉綠素的吸收光譜與光合作用光譜由圖可知：光合色素的吸收光譜主要集中在波長(zhǎng)為610700nm

28、的紅橙光及波長(zhǎng)為400510nm的藍(lán)紫光；葉綠素光合效率光譜的兩個(gè)峰值在650nm和445nm。也就是說(shuō)在植物光合作用中真正起主要作用的是紅光和藍(lán)紫光。2.1.2 光形態(tài)建成反應(yīng)光形態(tài)建成反應(yīng)是一些受光調(diào)節(jié)的生長(zhǎng)、發(fā)育和分化的過(guò)程。它與光譜質(zhì)量、照度、光照頻率和持續(xù)時(shí)間以及光的對(duì)稱性和非對(duì)稱性等因素有關(guān)。所有的光形態(tài)建成反應(yīng)，都受一種植物光敏色素的控制，使得光既能促進(jìn)又能抑制作物生長(zhǎng)。光敏色素是一種光致變色分子，在照光以后它的吸收特性發(fā)生變化，但再放回暗處時(shí)，又會(huì)緩慢地恢復(fù)到原來(lái)的構(gòu)型。例如：有一種光敏色素其結(jié)構(gòu)有兩種形式，即和，它們可以通過(guò)不同波段光照而相互轉(zhuǎn)化，反應(yīng)式為：短波紅光660nm

29、長(zhǎng)波紅光730nmpr pfr其中：pfr為色素吸收長(zhǎng)波紅光的構(gòu)型，是生理活化型，它可激發(fā)作物的生長(zhǎng)pr 為色素吸收短波紅光的構(gòu)型，是生理抑制型，對(duì)作物的生長(zhǎng)有抑止作用。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：短波紅光（660nm）照射光敏色素可使pr型轉(zhuǎn)化成為pfr型；長(zhǎng)波紅光（730nm）照射光敏色素可使pfr型轉(zhuǎn)化成為pr型。2.1.3 光質(zhì)與植物生長(zhǎng)光質(zhì)又稱光的組成，是指具有不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜成分，其中波長(zhǎng)為380760nm之間的光是太陽(yáng)輻射光譜中具有生理活性的波段，稱為光合有效輻射。而在此范圍內(nèi)的光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的作用也不盡相同，不同的光譜范圍對(duì)植物生理的影響如下：>1000 nm  能

30、被組織中的水吸收， 轉(zhuǎn)換成為熱量1000nm720nm  植物稍有吸收，促進(jìn)種子萌發(fā),刺激植物延伸720nm610nm  被葉綠素強(qiáng)烈吸收 ，對(duì)植物的光合作用和光周期有強(qiáng)烈的影響610nm510nm  葉綠素吸收稍有下降，對(duì)植物的光合作用和形態(tài)建成的影響稍有下降510nm400nm  被葉綠素和胡蘿卜素強(qiáng)烈吸收，能強(qiáng)烈影響光合作用,并抑制植物的生長(zhǎng),使之形成矮粗形體400nm315nm  被葉綠素與原生質(zhì)吸收，對(duì)光合作用稍有影響,對(duì)植物沒(méi)有特殊效應(yīng)315nm280nm 

31、60;被原生質(zhì)吸收，強(qiáng)烈影響植物形態(tài)建成,影響生理過(guò)程,刺激某些生物合成<280 nm  被原生質(zhì)吸收，大的劑量能使植物致死不同的光在植物生長(zhǎng)的不同時(shí)期有著不同的作用。在種子萌發(fā)期間，白光、藍(lán)光及黑暗情況下，植物種子能夠很好地發(fā)芽。適量的紅光也能夠促進(jìn)種子的萌發(fā)。莖的生長(zhǎng)也受到光的影響，紅光促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)，而藍(lán)光抑制莖的伸長(zhǎng)。此外，不同光質(zhì)對(duì)葉綠素的合成也有不同的影響，其中紅光更有利于葉綠素的合成。綜上所述：不同波段的光對(duì)于植物的影響是不同的。通過(guò)光譜搭配就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長(zhǎng)的人工調(diào)控。2.1.4 光強(qiáng)與植物生長(zhǎng)光強(qiáng)對(duì)植物的光和效率有很大的影響，較高的光照有利

32、于植物的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的累積，適量地提高光強(qiáng)有利于果實(shí)的成熟，提高植物的產(chǎn)量和品質(zhì)。同時(shí)葉綠素必須在一定光強(qiáng)條件下才能形成，許多其他器官的形成也有賴于一定的光強(qiáng)，在黑暗條件下，植物會(huì)出現(xiàn)“黃化現(xiàn)象”。在植物完成光周期誘導(dǎo)和花芽開(kāi)始分化的基礎(chǔ)上，光照時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越大，形成的有機(jī)物越多，有利于花的發(fā)育。不同植物對(duì)光強(qiáng)的反應(yīng)是不一樣的，根據(jù)植物對(duì)光強(qiáng)適應(yīng)的生態(tài)類型可分為陽(yáng)性植物、陰性植物和中性植物。陽(yáng)性植物對(duì)光要求比較迫切，其光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)都較高；陰性植物對(duì)光的需求遠(yuǎn)較陽(yáng)性植物低，光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)都較低；中性植物對(duì)光照具有較廣的適應(yīng)能力，對(duì)光的需要介于上述兩者之間。綜上所述，在led組合光源

33、的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)不同植物確定合適的光照強(qiáng)度。2.1.5 光周期與植物生長(zhǎng)所謂光周期是指一天中，日出至日落的理論日照時(shí)數(shù)，而不是實(shí)際有陽(yáng)光的時(shí)數(shù)。植物的光周期現(xiàn)象是指植物的花芽分化、開(kāi)花、結(jié)實(shí)、分枝習(xí)性、某些地下器官的形成受光周期的影響而言。不同的植物需要的光照時(shí)間不同，例如根據(jù)對(duì)光周期的反應(yīng)蔬菜可分為3類:長(zhǎng)光性蔬菜，在較長(zhǎng)的光照條件下(一般在124h以上)能促進(jìn)開(kāi)花而在較短日照下不開(kāi)花或延遲開(kāi)花；短光性蔬菜，是指在較短光照條件下(124h小時(shí)以下)能促進(jìn)開(kāi)花結(jié)實(shí)，而在較長(zhǎng)光照下不開(kāi)花或延遲開(kāi)花；中光性蔬菜，是指在較長(zhǎng)或較短的光照下都能開(kāi)花，它們適應(yīng)的光照長(zhǎng)短范圍很大。可以看出，長(zhǎng)時(shí)間的光照并

34、不一定對(duì)所有的植物生長(zhǎng)有利。給光的時(shí)間應(yīng)該控制在13個(gè)小時(shí)左右，在給光的時(shí)間里，應(yīng)對(duì)植物進(jìn)行間歇給光，這樣對(duì)絕大多數(shù)的植物都能在其中生長(zhǎng)。因此在led組合光源中，也要合理的控制補(bǔ)光時(shí)間。2.2 led組合光源研制的試驗(yàn)研究2.2.1 確定led組合光源光質(zhì)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證“在植物的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，紅光和藍(lán)光起著重要的作用”，江蘇大學(xué)的劉建曾在組培箱微環(huán)境中光及co調(diào)控的研究中對(duì)光質(zhì)與植物生長(zhǎng)的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果見(jiàn)表1：表1 led光源及日光燈處理對(duì)諸葛菜、油菜組培苗生長(zhǎng)的影響處理方法諸葛菜油菜鮮重增量百分?jǐn)?shù)(%)碳酸酐酶活性葉綠素含量鮮重增量百分?jǐn)?shù)(%)碳酸酐酶活性葉綠素含量白光led34

35、2.2b*156.45a27.7b272.2b130.44b26.8b紅光led383.5b145.98a25.2b357.6c86.01a25.4b藍(lán)光led594.7c227.46b30.5c489.9d182.40a32.8c日光燈166.5a155.40a21.2a132.8a91.26a20.7a數(shù)據(jù)后字母相同者為差異不顯著，p<1%由表可知：經(jīng)led光源處理的組培苗鮮重增量明顯高于進(jìn)行對(duì)照的日光燈處理的組培苗。這說(shuō)明led光源處理后的組培苗比普通日光燈處理的具有更好的光合自養(yǎng)能力，同時(shí)也說(shuō)明藍(lán)光處理的組培苗光合自養(yǎng)能力最好。臺(tái)灣大學(xué)的方煒教授也在光質(zhì)與植物生長(zhǎng)的關(guān)系作了些研究

36、，即超高亮度紅、藍(lán)光led應(yīng)用于蝴蝶蘭組培苗栽培之研究，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2：表2 超高亮度led對(duì)蝴蝶蘭組培苗的影響干重(g)葉片數(shù)葉長(zhǎng)(cm)葉寬(cm)led組合光源1.30±0.603.35±0.614.45±0.551.97±0.30日光燈1.28±0.463.56±0.703.67±0.401.89±0.24由以上實(shí)驗(yàn)可知：不同波長(zhǎng)的輻射對(duì)于植物的影響不同。藍(lán)光及紅光相結(jié)合補(bǔ)光效率最高,促進(jìn)光形態(tài)形成效果最好, 一般(r/b)以5:1至10:1為好。那么我們可以確定設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源的主光譜輻射區(qū)

37、為450nm左右的藍(lán)光及630nm左右的紅光相結(jié)合。2.2.2 確定led組合光源的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)光照強(qiáng)度對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的影響，考慮到引入大功率led旨在提高組合光源的光照強(qiáng)度，我們采用其他人工光源模擬大功率led的效用，其原理與led光源基本相同。浙江大學(xué)的張?jiān)朴⒃愿啕u鈉燈為光源，對(duì)“不同光照強(qiáng)度對(duì)結(jié)球萵苣幼苗生長(zhǎng)、光合特性及營(yíng)養(yǎng)成分含量的影響”進(jìn)行了探究；低亮度光源照射下萵苣苗的營(yíng)養(yǎng)含量明顯低于高亮度光源照射下的萵苣幼苗。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：表3 不同光強(qiáng)對(duì)結(jié)球萵苣葉片鮮、干重的影響地上部鮮重（g/plant）根系鮮重（g/plant）總鮮重（g/plant）地上部干重（g/plant

38、）根系干重（g/plant）總干重（g/plant）自然光照102.3±3.4811.61±0.96105.91±1.804.03±0.410.58±0.0564.61±0.32補(bǔ)光處理112.4±4.5513.66±0.69126.06±3.125.02±0.210.97±0.0625.99±0.23實(shí)驗(yàn)分析可知：較高的光照下更利于結(jié)球萵苣的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的累積，這說(shuō)明適量地提高光強(qiáng)有利于果實(shí)的成熟，對(duì)植物產(chǎn)量的形成和品質(zhì)的提高也有良好作用。因此，對(duì)于絕大多數(shù)植物來(lái)說(shuō)，其光照

39、強(qiáng)度應(yīng)保持在1300molm-2s-11500molm-2s-1。 2.2.3 led組合光源的可行性實(shí)驗(yàn)研究中國(guó)農(nóng)科院的劉水麗在“人工光源在閉鎖式植物工廠中的應(yīng)用研究”中以溫室自然光條件為對(duì)照，與閉鎖式植物工廠內(nèi)led光源、熒光光源條件下進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，具體試驗(yàn)結(jié)果如下：表4 閉鎖式植物工廠內(nèi)人工光源與溫室自然光條件下黃瓜苗生理指標(biāo)對(duì)比處理光合速率(molco2·m-2·s-1)氣孔導(dǎo)度(molh2o m-2·s-1)胞間co2濃度(molco2·m-1)蒸騰速率(molh2o·m-2·s-1)ppfd(mol·m-2

40、83;s-1)led5.02b0.143a898.9a3.73a220.0lf152.81c0.037c815.6b1.22c150.0lf202.49c0.062c886.1a1.97b110.0lf301.38c0.074b921.1a2.26b80.0溫室7.38a0.120a283.7c3.21a500.0注：led光源采用紅（660nm）、藍(lán)（450nm）混合，紅藍(lán)光ppfd比例為9：1，光照距離為10cm；lf表示熒光燈，15、20、30(單位：cm)表示光照距離通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，初步得到結(jié)論：led光源條件下黃瓜苗的生長(zhǎng)狀況是最佳的，且led處理的植株生長(zhǎng)速率高于其他處理。復(fù)

41、旦大學(xué)的曲溪、葉方銘等人也曾對(duì)led燈在植物補(bǔ)光領(lǐng)域的效用進(jìn)行了探究，他們采用番茄苗作為實(shí)驗(yàn)材料，具體結(jié)果如下：表5 植物平均干重、葉綠素含量對(duì)比組別植物干重(g)葉綠素a的濃度ca(mg/l)葉綠素b的濃度cb(mg/l)總?cè)~綠素的濃度(mg/l)葉綠素的濃度/樣品鮮重(mg/l)led125.0311.676153.80084215.47699462.9255led230.8712.177563.61956915.79713421.6278自然光120.79.7467743.64327213.39005417.3564自然光225.710.262453.21539413.47785410.

42、497實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示植物補(bǔ)光照明對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)植株干重增長(zhǎng)15%20%的效果,其中l(wèi)ed補(bǔ)光的番茄葉綠素含量較高,自然光次之。綜上所述，在植物組培、植物工廠等方面，led組合光源的應(yīng)用是可行的，且優(yōu)于熒光光源和自然光光源；只要對(duì)led組合光源的光質(zhì)比（r/b）、光照強(qiáng)度以及光照時(shí)間進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)就可以達(dá)到促進(jìn)植物生長(zhǎng)的目的。三 設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源的設(shè)計(jì)設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合光源主要包括led組合燈具、led驅(qū)動(dòng)器和電路控制系統(tǒng)三大部分。燈具采用模塊化概念設(shè)計(jì),可達(dá)到快速安裝、更換和拓展之目的；led驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)光質(zhì)、光強(qiáng)的調(diào)節(jié)；電路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了植物照明時(shí)間的控制。3.1 led組合燈

43、具設(shè)計(jì)3.1.1 led 的選擇led組合燈具是由單只led組合而成，我們首先對(duì)各種類型的led的光色電性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，特別關(guān)注led的亮度、光強(qiáng)的空間分布、半寬度參數(shù)，為組合光具的設(shè)計(jì)中l(wèi)ed的選取提供了理論指導(dǎo)。選取原則是：大小功率兼顧，超高亮度，半值角為5°20°，光譜寬度小于±30 nm。在本課題中，小功率led選擇的是最小/ 一般亮度為20000/ 25000 mcd、視角為13°、5 mm、波長(zhǎng)639 nm的超高亮度紅光led,最小/ 一般亮度為4000/ 6000 mcd、視角為13°、5 mm、波長(zhǎng)462 nm的超高亮度

44、藍(lán)光led,其中光譜寬度小于±30 nm，和最小/ 一般亮度為20000/ 24000 mcd、視角為13°、5 mm的超高亮度白光led；大功率的led選擇的是最小/最大光通量為2.8/3.5lm、視角為120、波長(zhǎng)635nm、2cm的紅光led，最小/最大光通量為0.9/1.2lm、視角為120、波長(zhǎng)465nm、2cm的藍(lán)光led，和最小/最大光通量為9.8/13.0lm、視角為80、2cm的白光led。3.1.2 確定組合燈具的主光譜區(qū)根據(jù)作物的生長(zhǎng)、發(fā)育、開(kāi)花、結(jié)果對(duì)光的選擇性，針對(duì)植物的光合作用、光形態(tài)建成反應(yīng)、光周期調(diào)節(jié)對(duì)光譜的選擇性，確定設(shè)施農(nóng)業(yè)專用led組合

45、光源的主光譜輻射區(qū)。led發(fā)射的窄單色紅光光譜(620625nm)、藍(lán)光光譜(470475 nm)，與光合色素，尤其是葉綠素a,b的吸收波長(zhǎng)相匹配。白光 led發(fā)射的光譜在420490 nm和510710nm范圍內(nèi)最強(qiáng)，也與植物光合色素吸收光譜吻合。因此，led組合光源采用紅色(660±20nm)、藍(lán)(450±20nm)、遠(yuǎn)紅(750±20nm)和暖白四色led搭配而成，其發(fā)射光譜見(jiàn)圖2：圖2-b led混色譜圖圖2-a 單色led譜圖3.1.3 光強(qiáng)的確定對(duì)于大部分植物來(lái)講，溫室內(nèi)陰性植物需要5002500lx 的光照射，中性植物需要250030000 lx 的

46、光照射，只有在較高的光強(qiáng)下植物才能高效率的生長(zhǎng)。光照強(qiáng)度與led本身特性、數(shù)量、排列以及照射距離等有關(guān)，設(shè)計(jì)原則既要滿足植物的光補(bǔ)償點(diǎn)，又要保證光照均勻。我們所設(shè)計(jì)的led組合光源是由一定比例的紅、藍(lán)、遠(yuǎn)紅和白色led組成一般(r/b)以5:1至10:1為好，光源下某點(diǎn)光強(qiáng)是不同顏色發(fā)光管所發(fā)出的光的疊加，水平面上任一點(diǎn)與led的連線與垂直方向所成的角度小于led的視角時(shí)，可由角度-強(qiáng)度回歸式計(jì)算此角度對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度（角度-強(qiáng)度回歸式可由廠家提供的型號(hào)參數(shù)資料中求得）。其次，距離led一定距離的水平面上每一點(diǎn)光照強(qiáng)度值還需依據(jù)點(diǎn)光源之倒平方法則。一般強(qiáng)度為25000mcd的紅光led，其正下方1

47、0cm處的光照度為2350lx；一般強(qiáng)度為7000 mcd的藍(lán)光led，正下方10cm處的光照度為600lx。而一般植物2000lx下沒(méi)有凈光合作用，同時(shí)要求到達(dá)植物栽培面的光通量分布盡可能均勻，因此，選擇10cm的照射距離較合適。并且通過(guò)多顆led組裝設(shè)計(jì)就能滿足溫室植物的光需求。 3.1.4 設(shè)計(jì)系列組合燈具模塊考慮到應(yīng)用對(duì)象的不同，我們?cè)O(shè)計(jì)了3種led組合光源： 小功率、高亮度led組件光源的設(shè)計(jì)本款組合光源采用的是小功率、高亮度led，我們分別設(shè)計(jì)了方形和圓形兩種組件光源，由于led發(fā)光管體積很小，所以單開(kāi)任何一種發(fā)光管都能到均勻穩(wěn)定的光。方形組件（見(jiàn)圖3）選用的是3cmx3cm正方形

48、電板，草帽型白、紅、藍(lán)（直徑5mm）發(fā)光管在電板上的分布如圖一，組件由八只紅色、四只藍(lán)色和一只白色led組成，相同顏色發(fā)光管接線腳中心間距為1cm。圓形組件（見(jiàn)圖4）選用的是直徑為7.5cm的圓形電板，食人魚型白、紅、藍(lán)發(fā)光管在電板上的分布如圖二，十只紅色led和五只藍(lán)色led均勻分布在半徑為6cm和3cm的圓上，一只白色led分布在電板的中心。3 cm3 cm0.5 cm圖3 小功率led組件圖4 小功率led組件 大功率led組件光源的設(shè)計(jì)圖5 大功率led組件大功率led可以有效地提高組合光源的光照強(qiáng)度，但結(jié)溫高成為制約其發(fā)光效率的瓶頸。我們采用常規(guī)的風(fēng)扇吹風(fēng)加強(qiáng)空氣對(duì)流的方法，及時(shí)散發(fā)

49、一部分熱量；同時(shí)我們?cè)阡X基板上涂上一層高輻射材料物質(zhì)二氧化鈦，它能有效地把產(chǎn)生的熱量輻射出去，從而保證大功率led的正常工作。如圖5所示，大功率led組件選用的是直徑為7.5cm的圓形鋁基板，正六面體的六個(gè)頂點(diǎn)上安裝四只紅光led和兩只藍(lán)色led，并在正六面體的中心安裝一個(gè)白光led。由發(fā)光二極管經(jīng)由連接器全部連接至led驅(qū)動(dòng)器上。這樣既能達(dá)到節(jié)約能源的目的，又能給植物的生長(zhǎng)提供足夠的光能。 大小功率led混合組件光源的設(shè)計(jì)該組件是由大功率led發(fā)射區(qū)和小功率led發(fā)射區(qū)組成。9只大功率led均勻分布在十字型散熱鋁基板上，每?jī)蓚€(gè)大功率的發(fā)光管接線腳中心間距1.5cm，并在大功率led中間加裝4

50、只遠(yuǎn)紅色led；小功率led發(fā)射區(qū)是由4塊小功率、高亮度led組件光源組成，led分布如圖6所示藍(lán)色大功率紅色小功率藍(lán)色大功率紅色大功率白色大功率紅外小功率白色小功率圖6 大、小功率led組件3.2 led組件光源的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)了模擬控制和單片機(jī)數(shù)字控制的兩種led驅(qū)動(dòng)器。模擬控制led驅(qū)動(dòng)器由電源、驅(qū)動(dòng)電路（見(jiàn)圖7）、光強(qiáng)調(diào)節(jié)旋鈕組成。電源部分通過(guò)變壓器分壓、整流濾波，由集成穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定直流電壓，使led穩(wěn)定工作。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變通過(guò)led的驅(qū)動(dòng)電流，從而調(diào)節(jié)各陣列l(wèi)ed的發(fā)光強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組合光源的光質(zhì)和光強(qiáng)的調(diào)整。圖7 led驅(qū)動(dòng)電路圖單片機(jī)鍵盤顯示led驅(qū)動(dòng)電路led陣列

51、led驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件調(diào)控方法圖8 led光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖單片機(jī)控制的led驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)硬件、光譜組合與調(diào)控方法以及系統(tǒng)軟件（見(jiàn)圖8）。系統(tǒng)硬件主要由控制器、led驅(qū)動(dòng)電路組成。驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)數(shù)據(jù)線和電源線與控制器連接，控制器與電源連接；控制器用于控制led恒流驅(qū)動(dòng)電路，主要由單片機(jī)電路、按鍵電路、顯示接口電路組成；光譜組合與調(diào)控方法用來(lái)設(shè)定led組合光源的光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期。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)，用c語(yǔ)言編寫，并與硬件融合，得到所需的選擇性光譜。（單片機(jī)電路原理圖，系統(tǒng)軟件參見(jiàn)附件）四 led組合光源的適用范圍及發(fā)展前景設(shè)施農(nóng)業(yè)led專用組合光源是根據(jù)作物對(duì)光色的選擇性吸收而設(shè)計(jì)的，具有以下特點(diǎn)：其發(fā)射光譜與作物的選擇性吸收相匹配，用于作物照明，針對(duì)性強(qiáng)，光效高；led組合光源采用大小功率紅、藍(lán)、遠(yuǎn)紅和暖白四色led搭配而成，光束不產(chǎn)生熱量，屬于絕對(duì)冷光源，可以實(shí)現(xiàn)“零”距離照射；突破傳統(tǒng)的點(diǎn)、線光源局限，led組件光源是集成陣列式設(shè)計(jì)，具有平面化、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋；可以方便的實(shí)現(xiàn)四色光分布比例自由組合搭配，是科研工作者研究植物光反應(yīng)、光合作用的專業(yè)光源；此外，