Система досвечивания растений светодиодами различной длины волны | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 6 ноября, печатный экземпляр отправим 10 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Исчерпывающий список литературы Отличный выбор методов исследования Отличные иллюстрации Высокая научная новизна

Рубрика: Спецвыпуск

Опубликовано в Юный учёный №8 (49) сентябрь 2021 г.

Дата публикации: 02.08.2021

Статья просмотрена: 12 раз

Библиографическое описание:

Серебряков, А. С. Система досвечивания растений светодиодами различной длины волны / А. С. Серебряков, К. М. Серяпин. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2021. — № 8.1 (49.1). — С. 18-22. — URL: https://moluch.ru/young/archive/49/2618/ (дата обращения: 23.10.2021).



Целью исследования является разработка схемотехнического решения для системы досвечивания растений светодиодами различной длинны волны, обладающей свойствами отличными от типовоых решений, применяемых в серийных изделиях, предлагаемых потребителям в любительском сегменте садоводства и огородничества.

Ключевые слова: системы искуственного освещения растений, фотосинтетически активная реакция, светодиод, источник тока, операционный усилитель, Arduino.

Многие дачники и садоводы-любители сталкиваются с проблемой плохой урожайности на своих участках и в особенности при выращивании рассады. Причинами возникновения данной проблемы могут являться разные параметры, например, нехватка освещённости как количества света, так и неправильный для конкретного типа растений спектр свечения дополнительных источников света.

Актуальность: для достижения наилучших результатов многие садоводы-любители, основываясь на многолетнюю практику и опыт других любителей, а также советы профессионалов применяют системы искусственного освещения для выращивания растений и посадочного материала (рассады). Предлагаемые решения на рынке не всегда учитывают индивидуальные требования, предъявляемые пользователем к устройствам досвечивания, а устройства зачастую реализуют функции параметры освещения для обобщенного случая и могут не учитывать индивидуальные биологические потребности для конкретного вида растений, нуждающихся в дополнительном освещении.

На основании информации представленной в сети INTERNET проведен анализ типов источников светового излучения применяемых в сельском хозяйстве. Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1

Типы источников излучения

Фитооблучатель

Описание

Естественное освещение или общее солнечное излучение

Совокупность прямого солнечного излучения и рассеянного излучения неба.

Натриевая лампа высокого давления

Лампа, свет в которой излучают пары натрия, парциальное давление которых в установившемся режиме достигает 10 Па (75 мм рт.ст.).

Металлогалогенная лампа

МГЛ: Разрядная лампа высокого давления, в которой основная часть света обусловлена излучением смеси паров металла и продуктов разложения галоидных соединений, для прозрачных и имеющих люминофорное покрытие ламп.

Ртутная лампа высокого давления с люминофором для фотосинтеза растений

ДРЛФ: Лампа, свет в которой излучают пары ртути, парциальное давление которых в установившемся режиме составляет от 3·10 4 до 10 6 Па (от 225 до 7500 мм рт.ст.), и слой люминофора, возбуждаемый ультрафиолетовым излучением разряда и излучающий свет преимущественно в области фотосинтетически активной радиации.

Светодиод

СД: Полупроводниковый прибор с p-n-переходом, который при возбуждении электрическим током испускает некогерентное оптическое излучение.

Лампа накаливания

ЛН: Лампа, свет в которой испускает тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры.

Для описания совокупности параметров освещения, применяемого для измерения качества освещения в соответствии с ГОСТ Р 58461–2019 используется понятие фотосинтетически активной радиации — ФАР (PAR — photosynthetically active radiation). Это оптическое излучение в диапазоне от 400 до 700 нм длин электромагнитных волн, которое воспринимается растениями и используется для фотосинтеза, роста и развития.

Для большинства растений, самый многочисленный пигмент — хлорофилл. Данный пигмент участвует в процессе фотосинтеза и эффективно поглощает красный и синий свет, при этом большая часть зелёного света отражается и придает листьям их характерный цвет. Спектр поглощения хлорофиллов и каротиноидов и действия ФАР представлен на рисунке 1.

Спектр поглощения хлорофиллов и каротиноидов и действия ФАР

Рис. 1. Спектр поглощения хлорофиллов и каротиноидов и действия ФАР

Таким образом сделан вывод, что для эффективной работы разрабатываемой системы достаточно использовать источники света имеющие относительно узкий спектр свечения, а наиболее энергоэффективными источниками света являются светодиодные матрицы, состоящие из одиночных кристаллов светоизлучающих диодов (СИД, LED).

В последнее время на тематических страницах сообществ цветоводов и садоводов-любителей, а также радиолюбителей можно встретить публикации о создании систем освещения и досветки растений оригинальной конструкции.

В разработанной системе предполагается применение СИД. Данные полупроводниковые приборы можно разделить на группы по следующим признакам:

•цвет свечения

•мощность свечения

•корпус полупроводникового прибора.

Параметры СИД представлены в таблице 2. Однако применение СИД Белого цвета свечения не будет являться оптимальным решением. Данные СИД изготавливаются по технологии нанесения на поверхность кристалла светодиода, излучающего свет в ультрафиолетовом диапазоне люминофоров трёх цветов — зеленого, красного и голубого. Типичный спектр излучаемого света таким СИД представлен на рисунке 2. Данный спектр свечения не удовлетворяет основным спектрограммам ФАР.

Таблица 2

Группировка светодиодов по цвету свечения

Цвет свечения

Диапазон длин волн (нм)

Наименование диапазона

Инфракрасный

λ>760

IR; IR-C; IR-B; IR-A;

Красный

610<λ<760

RED;

Оранжевый

590<λ<610

RED; ORANGE

Желтый

570<λ<590

YELLOW

Зеленый

500<λ<570

GREEN

Синий

500<λ<450

BLUE

Фиолетовый

400<λ<450

UV; UV-A

Ультрафиолетовый

λ<400

UV; UV-B; UV-C

Пурпурный, «Фито»

610<λ<760 + 500<λ<450

RED+BLUE; «FITO-LED»

Белый, «Теплый», «Холодный»

Широкий спектр

WHITE, «COLD»; «WARM»

https://electrotransport.ru/ussr/index.php?PHPSESSID=e30o4ju4hbp7504idfrkt1bmp3&action=dlattach;topic=16744.0;attach=152764;image
Рис. 2. Спектр белого светодиода с люминофором

Светодиоды являются полупроводниковыми приборами, и мощность светового излучения имеет прямую зависимость с вольтамперной характеристикой светодиода. Яркость свечения, воспринимаемая человеком, является субъективной, и не отражает фактически генерируемую мощность светодиодом.

Для регулирования яркости свечения применяют 2 схемотехнических подхода:

•Широтно-импульсная модуляция тока

•Прямое регулирование тока

В разработанной системе целесообразным будет применение схемы прямого регулирования тока СИД. Такая схема включения позволяет реализовать источник света исключающим мерцание в отличии от схемы ШИМ регулирования. Принципиальная схема источника тока, регулируемого напряжением и схема включения СИД представлена на рисунке 3.

Источник тока управляемый напряжением

Рис. 3. Источник тока управляемый напряжением

Даная схема обладает свойством автоматической компенсации нелинейности ВАХ и температурной нестабильности как для транзистора Q1, так и для нагрузки в виде светодиода.

Для регистрации и оценки количественного и качественного состава светового излучения в настоящее время получили распространение устройства использующие фотоэлектрический эффект. С развитием науки и техники для регистрации параметров светового излучения применяются специализированные микросхемы, имеющие в своем составе кроме фоточувствительного полупроводникового элемента встроенную схему измерения, а также контроллер и приемопередатчик для передачи измеренных физических параметров в цифровом виде для дальнейшей обработки микропроцессорными устройствами.

Предложенная система состоит из следующих основных блоков:

•источник питания;

•источник светового излучения;

•фотоизмерительные датчики;

•устройство управления.

Разработанное схемотехническое решение обеспечивает реализацию функции автоматического досвечивания растений светодиодами следующих цветовых диапазонов:

•красный диапазон 610–760 нм

•синий диапазон 500–450 нм

•ультрафиолетовый «А» 400–300 нм

В качестве фотодатчика применен модуль, состоящий из микросхемы BH1750, позволяющей в цифровом виде получать данные о текущем уровне светового облучения датчика в диапазоне от 400 до 750 нм. Чувствительность данного датчика совпадает с диапазоном ФАР.

Для оценки спектрального состава освещения использован датчик цвета, основанный на микросхеме TCS3200. Данная микросхема позволяет количественно оценить спектральное соотношение состава света, регистрируемого датчиками BH1750 и TCS3200.

В качестве управляющего контроллера предполагается применение готовых микроконтроллерных модулей семейства Arduino. Для реализации оптимальной функции управления блок управления системой может содержать следующие модули:

•часы с источником питания — RTC

•устройство чтения SD карт

•модуль буквенно-цифрового индикатора или жидкокристаллический дисплей

•модуль bluetoos или Wi-Fi

•цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь необходим для реализации управления яркостью свечения источников светового излучения. Комбинация, состоящая из часов, устройства чтения SD карты, дисплейного модуля и модуля беспроводных систем позволит сформировать интерфейс управления системой. В качестве первичного источника питания предполагается использовать импульсный источник питания для светодиодных лент, с выходным напряжением 12 вольт.

При данном подходе будут реализованы следующие функции:

•регистрация параметров естественного освещения;

•регистрация фактического уровня яркости и цветового спектра в зоне досвечивания;

•управление уровнем яркости и цветовым спектром в зоне досвечивания с учетом текущего времени суток;

•возможность передавать данные о текущем состоянии системы и получать команды при помощи сети internet.

Для практического подтверждения принятых схемотехнических решений изготовлены макеты, позволяющие выполнять мониторинг и отображение информации на жидкокристаллическом дисплее информации от датчиков цвета и освещенности, а также устройство позволяющее регулировать свечение светодиодов различной длины волны.

Выполнено сравнение полученных данных о уровне освещенности с серийно выпускаемыми люксометрами. Результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Показания датчиков при различных типах освещения

Тип освещения

ТКА-ПКМ (люкс)

BH1750 GY-301 (люкс)

Естественное освещение в лаборатории

410

460

400

433

Естественное освещение в лаборатории + общий свет

1450

1450

1292

1315

Естественное освещение в лаборатории + общий свет + направленная подсветка

2000

1980

1822

1766

Естественное освещение в лаборатории + общий свет + направленная подсветка+ настольная лампа

2170

2170

1880

1871

Ясный день, Холл, тень от стены

2900

2820

2700

2455

Ясный день, Холл, на освещенной поверхности

15000

18000

18000

15000

Ясный день, датчики перпендикулярно солнечным лучам

55000

54300

54500

54500

(без защитного кожуха)

Рассмотрены проблемы связанные с разработкой системы досвечивания растений. Рассмотрен вопрос стандартизизации качественной и количественной оценки уровня освещения растений, учитывая их биологические особенности. Проведен анализ применяющихся в настоящее время устройств досвечивания растений в промышленной и любительской практике.

Предложено схемотехническое решение, которое возможно реализовать на текущем уровне науки и техники с малыми затратами ресурсов.

Проведено макетирование отдельных узлов разработанной системы. Проведены испытания этих узлов. Выполнено сравнение полученных данных с поверенным измерительным устройством уровня освещенности. Полученные данные подтверждают правильность выбранных схемотехнических решений.

Литература:

  1. Тицце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, 12-е изд., в 2х томах: пер. с нем. — М.: ДМК Пресс, 2015.
  2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники: Пер. с англ. — Изд. 7е. — М.:МИР, БИНОМ. — 2010. — 704 с., ил.
  3. Шнайдер Корнелиус, Шонфелдер Герт Измерительные устройства на базе микропроцессора ATmega. — СПб: БХВ-Петербург, 2012. — 288 с.: ил.
  4. Харрис Д. М., Харрис С. Л, Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. — М.: ДМК-пресс, 2018. — 792с.: ил.
  5. Электронный фонд правовых и нормативных документов [Электронный ресурс] URL-адрес: http://docs.cntd.ru/document/561083295 (дата обращения: 25.11.2020)
  6. White LED Lighting for Plants [Электронный ресурс] URL-адрес: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/215095v1.full (дата обращения: 25.11.2020)
  7. Хабр. Оценить PPFD при освещении растения белыми светодиодами просто: 1000 лк = 15 мкмоль/с/м2 [Электронный ресурс] URL-адрес: https://habr.com/ru/post/411099/ (дата обращения: 01.12.2020)
  8. mysku. Что там со спектром светодиодов? [Электронный ресурс] URL-адрес: https://mysku.ru/blog/aliexpress/47179.html (дата обращения: 01.12.2020)
  9. АлексГайвер.ру [Электронный ресурс] URL-адрес: https://alexgyver.ru/ (дата обращения: 22.12.2020)


Ключевые слова

светодиод, Arduino, операционный усилитель, системы искуственного освещения растений, фотосинтетически активная реакция, источник тока
Задать вопрос