專利名稱：一種用于植物生長的led全譜可調光源設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及半導體固態(tài)照明光源，特別是用于植物生長的LED全譜可調光源設備。
背景技術：
用于植物生長的人工光源已廣泛用于溫室內蔬菜、水果、花卉等作物的栽培。這些人工光源可以在沒有日光條件下單獨使用，或者在日光不足的條件下作為補光使用，幫助植物正常生長。常見的人工光源有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈或汞燈等。但是，這些傳統植物生長光源的光譜功率分布固定，光通量強度的可調范圍較小，并不能與植物生長所需的理想光源條件相匹配，更何況不同植物在不同生長階段對光源的需求也存在差異，這樣便造成了光源的浪費。此外，這些人工光源在電光轉換效率和使用壽命等方面也存在劣勢。相比上述傳統植物生長光源，LED光源在諸多方面都表現出明顯的優(yōu)勢，如節(jié)能、環(huán)保、長壽命、體積小、抗震、防水防潮、低壓直流驅動、可脈寬調制PWM輸出等優(yōu)點。LED 是一種光譜較窄，單色性較好的半導體固態(tài)光源，其光譜半高寬約為15 30nm，光譜峰值波長覆蓋從紫外光到近紅外光的所有區(qū)域范圍。根據Haitz定理，未來LED產業(yè)將以每10年光功率增加20%、價格下降10%的方式快速增長。因此，LED光源不僅可以克服傳統植物生長光源的缺點，而且具有良好的市場發(fā)展?jié)摿Α，F有技術中，使用LED作為植物生長光源已有許多國內、外專利進行過報道。如美國專利專利號為 US6921182B2 的 EFFICIENT LED LAMP FOR ENHACING COMMERCIAL AND HOME PLANT GROWTH公開了由兩種不同光束角、不同峰值波長的紅光LED和藍光LED組成的促進植物生長燈；又如中國專利公開號為CN1596606A的《高效節(jié)能LED植物生態(tài)燈》公開了一種由藍光LED或紅光LED或藍光和紅光LED組合形成的植物生長光源。上述技術僅使用了藍光和紅光LED作為生長光源，主要考慮到了這些光源對光合作用的貢獻，但卻忽略了其它波段光譜對植物生理機能(如氣孔的開閉、葉綠體遷移、種子發(fā)芽、秧苗生根、光形態(tài)反應、避蔭反應、成花誘導等等)的影響。根據相關文獻(I.V^nninen et al. , Annals of Applied Biology, Vol. 157， Pages :393-414, 2010)報道，植物對光源的吸收具有“波段選擇性”。在日光光譜中，對植物能夠施加影響的波長區(qū)域為28(T800nm波段范圍。進一步地，又可將上述波段分為以下七部分① UV-B(28(T320nm)、② UV-A(32(T390nm)、③藍光(390 500)、④綠光(50(T580nm)、 ⑤黃光(58(T600nm)、⑥紅光(60(T700nm)、⑦遠紅光(70(T800nm)。另據相關文獻報道(Y. L. Jiao et al. , Natural Reviews Genetics, Vol. 8, Is. 3, Pages:217-230，2007), 植物(高等植物)對光源的“波段選擇性”與其具有的各種光感受器密不可分。植物體內的光感受器至少可以分為四個種類=UV-B光感受器、向光素、隱花色素和光敏素，它們負責有選擇性對觀。^^!!!!!波長范圍內的光線進行感知，具體的波段分布如圖1所示。這些感知器會將外界環(huán)境的光照信息傳導給植物體的基因調控網絡，進而影響生長、發(fā)育、遺傳性狀表達等生理特征。另一方面，各種波段光源之間的比例也會影響植物生長。不同植物在不同生長階段對光源的光譜功率分布、光子通量強度、光周期的需求是不同的。但是，現有技術中的LED光源都沒有照顧到上述植物在光譜波段、不同生長階段及對各種光特性進行調節(jié)的需求。
發(fā)明內容為了克服上述現有技術中LED植物生長光源的缺點，本實用新型的目的是提供一種用于植物生長的LED全譜可調光源設備。它具備植物生長所需的全波段光照條件，并且它能夠根據不同植物在不同生長階段對光源的不同要求，調整光源的光譜功率分布、光子通量強度和光周期，為植物生長提供最佳的光照條件。為了達到上述發(fā)明目的，本實用新型的技術方案以如下方式實現一種用于植物生長的LED全譜可調光源設備，其結構特點是，它包括電源、控制系統、驅動電路和發(fā)光體。電源為控制系統和驅動電路提供電能并受到控制系統的控制；控制系統提供數據輸入、數據輸出、運算處理、存儲和時鐘的智能化管制并為驅動電路提供調光數據，對光源光譜功率分布、光子通量強度、光周期進行調整的依據數據由外部輸入到控制系統內的儲存器內；驅動電路為發(fā)光體提供穩(wěn)恒直流或者脈寬調制電源；發(fā)光體的基本單元由若干數量的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED組成。在上述用于植物生長的LED全譜可調光源設備中，所述發(fā)光體基本單元中的 UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED的數量均可取0，1，2，3，4，5……的非負整數。UV-B LED的峰值波長范圍是^(T320nm ；UV-A LED的峰值波長范圍是32(T390nm ；藍光 LED的峰值波長范圍是39(T500nm ；綠光LED的峰值波長范圍是50(T580nm ；黃光LED的峰值波長范圍是58(T600nm;紅光LED的峰值波長范圍是60(T700nm ；遠紅光LED的峰值波長范圍是 70(T800nm。在上述用于植物生長的LED全譜可調光源設備中，所述控制系統內的儲存器為具有數據儲存功能的EEPROM或Flash的IC芯片或者模塊。本實用新型由于采用了上述結構，通過選擇發(fā)光體中各種LED的峰值波長位置、 數量配比、正向電流強度、PWM等參數來實現對光源光譜功率分布、光子通量強度和光周期 (24小時)的調節(jié)，使之兼顧植物的光合作用和其它生理機能的健康發(fā)展，為不同植物在不同生長階段提供最佳光照條件。本實用新型的突出技術效果在于，它不僅具有節(jié)能、環(huán)保、 長壽命等LED光源的普遍優(yōu)點，它還具備全譜可調的性能特點，為植物生長提供智能、高效、全面的光照營養(yǎng)。此外，由于LED光源可最大限度地給予植物最長的光照時間，故采用本實用新型亦可加快植物生長，縮短植物的培育和收獲周期。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。
圖1為植物體內各種光感受器的波段響應范圍；圖2為本實用新型設備的結構示意圖；圖3為本實用新型發(fā)光體基本單元的線條狀光源舉例；圖4為本實用新型發(fā)光體基本單元的面光源舉例；圖5為本實用新型中發(fā)光體和被栽培植株的空間位置示意圖。
具體實施方式
[0020]參看圖2，本實用新型設備包括電源、控制系統、驅動電路和發(fā)光體。電源為控制系統和驅動電路提供電能并受到控制系統的控制；控制系統提供數據輸入、數據輸出、運算處理、存儲和時鐘的智能化管制并為驅動電路提供調光數據，對光源光譜功率分布、光子通量強度、光周期進行調整的依據數據由外部輸入到控制系統內的EEPROM或Flash等具有數據儲存功能的IC芯片或者模塊內；驅動電路為發(fā)光體提供穩(wěn)恒直流或者脈寬調制電源；發(fā)光體的基本單元由若干數量的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED組成。發(fā)光體基本單元中的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED的數量均可取 0,1,2,3,4,5……的非負整數。UV-B LED的峰值波長范圍是觀0 320匪；UV_A LED的峰值波長范圍是32(T390nm ；藍光LED的峰值波長范圍是39(T500nm ；綠光LED的峰值波長范圍是50(Γ580ηπι;黃光LED的峰值波長范圍是58(T600nm ；紅光LED的峰值波長范圍是 60(T700nm ；遠紅光LED的峰值波長范圍是70(T800nm。作為上述技術方案的進一步完善和補充，本實用新型采用以下的技術措施在系統設計、開發(fā)本實用新型裝置之前，應首先獲取某種植物在特定生長階段內對光源光譜功率分布、光子通量強度和光周期的要求，這些數據應是經過先期的植物栽培實驗得到的，它們將作為本實用新型設計開發(fā)的基礎條件。具體實施時，可將這些數據輸入、存儲到本實用新型的控制系統，為不同植物在不同生長時期的提供智能、變化的光照條件。此外，為保證光源裝置中各種波段LED出射光子的均勻混合，應根據各種LED的數量配比、幾何尺寸等參數，將它們均勻地安裝在發(fā)光體的一個基本單元內。在使用本實用新型裝置時，為保證每顆被栽培植株能夠完全、均勻地接受到一個發(fā)光體單元中各種LED的照射，應注意調整以下變化因素⑴發(fā)光體基本單元中各種LED的光束角；⑵發(fā)光體距離被栽培植株的高度；⑶被栽培植株的間距。選擇本實用新型發(fā)光體基本單元中的峰值波長為300nm、功率為0. 05W的UV-B LED,峰值波長為370nm、功率為0. Iff的UV-A LED,峰值波長為450nm、功率為0. 5W的藍光 LED,峰值波長為520nm、功率為0. 2W的綠光LED，峰值波長為590nm、功率為0. Iff的黃光 LED,峰值波長為650nm、功率為IW的紅光LED，峰值波長為730nm、功率為0. Iff的遠紅光LED 各1顆組成發(fā)光體的基本單元，并均勻安置如圖3或者圖4中的正六邊形基本單元結構。進一步地，可根據實際需要，將發(fā)光體的多個基本單元排列為線條狀光源，如圖3所示；或者將基本單元排列為面光源，如圖4所示。在驅動電路設計上，將相同類型的LED以一定數量為一組串聯在一起，由獨立的驅動IC芯片供電。然后，將發(fā)光體安裝在距離栽培植株合適距離的位置上。如圖5所示，發(fā)光體的高度h，每種LED的光束角α、β、Y，植株的間距d都應滿足一定的條件，以保證每顆植株都能夠接受到各種波段LED光源均勻混合的照射，且各波段光子的通量強度應適宜。各種LED 的驅動電流強度、PMW的頻率與占空比、光周期時間等設定數據將被輸入到光源裝置的控制系統中，由控制系統自動執(zhí)行。由于不同植物在不同的生長階段對光源的光譜功率分布、光子通量強度和光周期要求不同，故下面對幾種不同植物在不同的生長階段分別進行舉例實施，并且假定以下實驗中植物生長所需的其它條件，如溫、濕度，土壤營養(yǎng)、水分，空氣組分、狀況等等，均配備良好。[0027]實施例一，選擇處于抽穗期的小麥進行栽培，將上述發(fā)光體單元所采用的UV-B、 UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED分別予以電流強度為10、20、150、60、20、350、 20mA，及頻率為250Hz，占空比分別為50%、50%、100%、100%、50%、100%、100%的PWM供電模式進行驅動。進一步地，根據各種LED的光束角特性和小麥植株的間距，確定發(fā)光體的安裝高度，以保證單顆小麥植株接受到的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光光子的通量強度分別為5、10、150、60、10、350、20//mol m_2 s\此外，各種LED光源的光周期均設定為每日6:0(Γ22:00進行光照。實施例二，選擇處于成長期的番茄幼苗進行栽培，將上述發(fā)光體單元所采用的 UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED分別予以電流強度為10、20、50、10、10、 100、20mA，及頻率為 250Hz，占空比分別為 10%、100%、100%、50%、50%、100%、50% 的 PWM 供電模式進行驅動。進一步地，根據各種LED的光束角特性和小麥植株的間距，確定發(fā)光體的安裝高度，以保證單顆小麥植株接受到的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光光子的通量強度分別為l、20、50、5、5、100、10//mol m_2 s-1。此外，各種LED光源的光周期均設定為每日6:0(Γ20:00進行光照。實施例三，選擇處于成長期的蘿卜幼苗進行栽培，將上述發(fā)光體單元所采用的 UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED分別予以電流強度為10、20、40、10、20、 150、10mA，及頻率為 250Hz，占空比分別為 20%、25%、50%、20%、10%、100%,50% 的 PWM供電模式進行驅動。進一步地，根據各種LED的光束角特性和小麥植株的間距，確定發(fā)光體的安裝高度，以保證單顆小麥植株接受到的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光光子的通量強度分別為2、5、20、2、2、150、5//mol m_2 s-1。此外，各種LED光源的光周期均設定為每日 6:00^18:00進行光照。以上只是公開了本實用新型的示范性實施例。對于本領域的相關技術人員依據本實用新型實例的技術路線，在具體實施方式
及應用范圍上無實質性的改變之處。所形成的技術方案，也屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種用于植物生長的LED全譜可調光源設備，其特征在于，它包括電源、控制系統、 驅動電路和發(fā)光體，電源為控制系統和驅動電路提供電能并受到控制系統的控制；控制系統提供數據輸入、數據輸出、運算處理、存儲和時鐘的智能化管制并為驅動電路提供調光數據，對光源光譜功率分布、光子通量強度、光周期進行調整的依據數據由外部輸入到控制系統內的儲存器內；驅動電路為發(fā)光體提供穩(wěn)恒直流或者脈寬調制電源；發(fā)光體的基本單元由若干數量的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED組成。
2.根據權利要求1所述的用于植物生長的LED全譜可調光源設備，其特征在于，所述發(fā)光體基本單元中的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED的數量均可取0， 1,2,3,4,5……的非負整數；UV-B LED的峰值波長范圍是280^320nm ；UV-A LED的峰值波長范圍是32(T390nm ；藍光LED的峰值波長范圍是39(T500nm ；綠光LED的峰值波長范圍是50(T580nm ；黃光LED的峰值波長范圍是58(T600nm ；紅光LED的峰值波長范圍是 60(T700nm ；遠紅光LED的峰值波長范圍是70(T800nm。
3.根據權利要求1所述的用于植物生長的LED全譜可調光源設備，其特征在于，所述控制系統內的儲存器為具有數據儲存功能的EEPROM或Flash的IC芯片或者模塊。
專利摘要一種用于植物生長的LED全譜可調光源設備，涉及半導體固態(tài)照明光源。本實用新型中的電源為控制系統和驅動電路提供電能并受到控制系統的控制；控制系統提供數據輸入、數據輸出、運算處理、存儲和時鐘的智能化管制并為驅動電路提供調光數據，對光源光譜功率分布、光子通量強度、光周期進行調整的依據數據由外部輸入到控制系統內的儲存器內；驅動電路為發(fā)光體提供穩(wěn)恒直流或者脈寬調制電源；發(fā)光體的基本單元由若干數量的UV-B、UV-A、藍光、綠光、黃光、紅光和遠紅光LED組成。本實用新型具備植物生長所需的全波段光照條件，并且它能夠根據不同植物在不同生長階段對光源的不同要求，調整光源的光譜功率分布、光子通量強度和光周期，為植物生長提供最佳的光照條件。
文檔編號A01G9/20GK202043326SQ201120037959

公開日2011年11月16日 申請日期2011年2月14日 優(yōu)先權日2011年2月14日
發(fā)明者馬亮 申請人:同方光電科技有限公司