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摘 要

植物的生长活动与光有着极其密切的联系，所以植物照明对于植物工厂等设施植物生产发展是不可或缺的一部分。在如今的植物生产领域中所使用的传统光源普遍存在着很多能耗和使用的缺点，因此寻找新型光源来代替成为植物工厂领域急需解决的问题。LED相比传统光源有着许多优点除了明显的体积较小以外，还具有寿命长、能耗小、有固定的波长等优势，并且可配置植物生长活动所需要的相应光谱，更有利于在当下的植物生产中实现高效节能和低热负荷。

目前我国在LED应用在植物工厂等植物生产领域的相关技术研究发展相对比较滞后。查阅了相关文献，本文对各类波长的光源对植物的影响作出了一些总结和介绍，植物的光合作用主要吸收红橙光和蓝紫光。结合植物对光照的需求度进行分析，本次设计选用8个1W的红色光和1个蓝色光LED器件以圆环形阵列组合成所需的光源。

这次电路部分的原理图和PCB设计都是在Altium Designer 10的环境下设计的。LED驱动电路部分使用了LM3402作为主要的驱动芯片设计电路，LED连接通过改进后的串联方式进行连接。设计中使用了很多不同电压进行供电，所以电路中包含了几个电压转换电路。单片机芯片使用的是STM32系列的STM32F103VET6，依照此进行系统控制的原理图设计并且通过该芯片输出PWM波形给驱动电路，从而对LED阵列进行PWM波形调光。最后将几个模块按照框架组合起来，成为本次植物LED照明系统的硬件主体。

关键词：植物照明、LED、圆环形阵列、PCB、LM3402、STM32、PWM波形调光。

Design of plant growth LED lighting system

Abstract

Growth Activities and light plant has an extremely close relationship, so the lighting plants and other facilities for the plant factory plant production development is an integral part. Traditional lighting in the plant production area now used in the widespread use of a lot of energy and weaknesses, so look for new sources to replace the factory plant areas become an urgent problem. Compared to conventional LED light source has many advantages in addition to the obvious small volume, it also has a long life, low energy consumption, a fixed wavelength and other advantages, and can be configured to the corresponding spectrum needed for plant growth activity, more favorable in the moment plant production to achieve energy efficient and low heat load.

At present, China LED applications in the field of plant production plant and other plant-related technology research and development is relatively lagging behind. Access to the relevant literature, this paper impact of various types of light source wavelength of plants to make some summaries and reports, photosynthesis of plants absorbed mainly red-orange and blue-violet light. Combined with the demand of plants to light are analyzed, this design choice of eight 1W red light and a blue light LED devices to be combined into a desired annular array of light sources.

The schematic design and PCB design circuit portion is at the Altium Designer environment 10 design. LED drive circuit section uses the LM3402 as the main driver chip circuit design, LED connect through tandem improved. Design uses a lot of different power supply voltages, the circuit includes several voltage conversion circuit. Single chip using the STM32 series STM32F103VET6, in accordance with the control system through the schematic design and chip output PWM waveform to the drive circuit, and thus the LED array PWM dimming waveform. Finally, the combination of several modules in accordance with the framework, it will become the main hardware of this plant LED lighting systems.

KEYWORDS: Plant lighting, LED, circular array, PCB, LM3402, STM32, PWM waveform dimming.

目录

植物生长LED照明系统的设计 I

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 项目背景 1

1.1.1 目标 1

1.1.2 运行环境 1

1.1.3 背景 1

1.2 植物生产中人工光源的应用 2

1.2.1 传统光源在植物生产的应用 2

1.2.2 LED光源的应用 3

1.3 光谱范围对植物的影响 4

1.3.1 光对植物的重要性 4

1.3.2 光谱对植物的影响 5

1.4 论文的主要思路 6

第2章 LED与阵列组合 8

2.1 LED的相关介绍 8

2.1.1 LED的结构 8

2.1.2 LED的相关特性 8

2.1.3 LED的发光原理 9

2.2 LED器件的选择 9

2.2.1 LED的相关分类 9

2.2.2 选用的LED器件 10

2.3 LED的光学设计 10

2.3.1 一次光学设计 11

2.3.2 二次光学设计 11

2.4 LED的阵列组合 11

2.5 LED的光照度 12

2.5.1 单个LED的照度 12

2.5.2 LED阵列的照度 13

2.6 本章小结 13

第3章 LED电路部分设计 15

3.1 LED驱动原理 15

3.1.1 LED的发光特性 15

3.1.2 LED的驱动方式 15

3.1.3 LED的连接方式 16

3.2 LED的调光技术 17

3.2.1 直流电流调光 17

3.2.2 PWM调光 17

3.3 LED的驱动电路 18

3.3.1 LM3402的原理和特点 18

3.3.2 LM3402驱动电路 19

3.4 本章小结 20

第4章 控制系统设计 21

4.1 系统总框架设计 21

4.2 电源模块设计 21

4.2.1 AC220V转DC24V 21

4.2.2 24V转5V电路 22

4.2.3 5V转3.3V电路 23

4.3 微控制器部分 24

4.3.1 处理器模块简介 24

4.3.2 STM32F103VET6 24

4.3.3 STM32系统设计 25

4.4 PCB板制作结果 26

4.4.1 总体说明 26

4.4.2 PCB图1 27

4.4.3 PCB图2 28

4.5 硬件实物展示 29

4.5.1 第一块硬件 29

4.5.2 第二块硬件 29

4.6 软件设计 31

4.7 本章小结 32

第5章 总结与展望 34

5.1 设计的主要工作 34

5.2 展望 34

参考文献 36

致谢 37

绪论

项目背景

目标

本次项目设计是设计出一个关于植物生长的LED照明系统，项目过程中研究如何利用新型的LED光源来代替传统农业光源，通过分析LED光源与植物生长活动之间的关系，设计出适合植物生长的LED组合阵列组合的光源和相应的LED驱动电路来驱动该阵列发光，再使用适用的单片机微控制器进行光源控制。把这些组合在一起，最后组成一个植物生长活动适用的LED照明可控制系统，从而达到利用LED设计光源进行植物生长照明的最终目的。

运行环境

系统原理图设计环境： Altium Designer 10

PCB板设计环境：Altium Designer 10

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