Đang tải... (xem toàn văn)
Bài này trình bày về nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển chiếu sáng sử dụng LED ứng dụng trong giàn nuôi cấy mô. Việc chiếu sáng bằng ánh sáng đơn sắc với cường độ ánh sáng phù hợp sẽ mang lại hiệu suất năng lượng sinh học cao từ đó kích thích sự phát triển của cây trồng hơn so với các loại bóng đèn truyền thống khác.
ISSN 2354-0575 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CƯỜNG ĐỘ CỦA LED ỨNG DỤNG TRONG GIÀN NUÔI CẤY MÔ Nguyễn Như Bách2, Đỗ Trọng Tấn1, Nguyễn Ngọc Minh3 Trung tâm Công nghệ Vi điện tử Tin học, Viện Ứng dụng Công nghệ-NACENTECH Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày nhận: 10/01/2017 Ngày sửa chữa: 18/02/2017 Ngày xét duyệt: 15/03/2017 Tóm tắt: Bài báo trình bày nghiên cứu, thiết kế điều khiển chiếu sáng sử dụng LED ứng dụng giàn nuôi cấy mô Việc chiếu sáng ánh sáng đơn sắc với cường độ ánh sáng phù hợp mang lại hiệu suất lượng sinh học cao từ kích thích phát triển trồng so với loại bóng đèn truyền thống khác Trong báo trình bày thiết kế điều khiển khiển cho giàn đèn LED có cơng suất 24W (24 bóng đèn 1W) với tính bao gồm: điều khiển cường độ ánh sáng giàn đèn, hiển thị thời gian; thiết lập chu trình ni cấy, lưu trữ, xuất liệu phục vụ cơng tác nghiên cứu báo cáo Từ khóa: LED ni cấy mơ, Driver LED, Phương pháp điều khiển dịng Chữ viết tắt LED PWM KH&CN Light Emitting Diode Pulse-width modulation Khoa Học Công Nghệ Phần mở đầu Nuôi cấy mô, tế bào thực vật khái niệm chung cho tất loại nuôi cấy nguyên liệu thực vật hồn tồn vi sinh vật, mơi trường dinh dưỡng nhân tạo, điều kiện vô trùng Các kỹ thuật khác nuôi cấy mô tế bào thực vật cung cấp lợi định so với phương pháp nhân giống truyền thống như: Nhân nhanh giống trồng quy mơ cơng nghiệp kể đối tượng khó nhân phương pháp thông thường với hệ số nhân cao cho cá thể hoàn toàn đồng mặt di truyền, đồng kích thước [1] Một yếu tố có vai trị định tác động đến phát triển mô ánh sáng Với phương pháp nuôi cấy mô, loại đối tượng cây, giai đoạn sinh trưởng lại cần mức độ chiếu sáng khác nhằm cung cấp đủ lượng ánh sáng cho quang hợp Đối với thực vật, quang phổ hấp thu diệp lục, có hai vùng ánh sáng mà diệp lục hấp thu mạnh tạo nên hai đỉnh hấp thu cực đại Đó vùng ánh sáng đỏ với cực đại 662 nm vùng ánh sáng xanh tím với cực đại 430 nm Do việc sử dụng nguồn sáng thơng thường chiếu sáng phịng ni cấy mơ giải pháp tối ưu giúp sinh trưởng tốt Hơn nữa, đặc điểm chiếu sáng phịng ni cấy mơ sử dụng 100% ánh sáng nhân tạo, thời gian chiếu 34 sáng liên tục 24/24 Vấn đề đặt cần nghiên cứu xây dựng giải pháp chiếu sáng khoa học, hiệu quả, vừa đảm bảo yêu cầu tiết kiệm điện vừa đảm bảo sinh trưởng, phát triển hệ số nhân nhân giống giúp nâng cao suất, hiệu kinh tế [2] Hiện có nhiều trung tâm, viện nghiên cứu nghiên cứu áp dụng hệ thống giàn nuôi cấy mô chiếu sáng LED trung tâm Ứng dụng KH&CN Lâm Đồng, Trung tâm phát triển công nghệ cao – Viện Hàn Lâm khoa học công nghệ hay công ty Rạng Đông Tuy nhiên, hệ giàn nuôi cấy mô sử dụng chủ yếu tập trung vào chiếu sáng đủ cho giống trồng cấp nguồn trực tiếp, không ứng dụng điều khiển Cường độ sáng giàn đèn thường đặt cố định cách thay đổi số lượng bóng giàn nhiều hạn chế khác Qua phân tích, đánh giá ta thấy việc thiết kế điều khiển tạo nguồn sáng có phổ ánh sáng thích hợp với phổ nhạy cảm trồng, đem lại hiệu chiếu sáng cao nuôi cấy mô cần thiết Hệ thống điều khiển cho giàn nuôi cấy mô cần đảm bảo số yêu cầu sau: Điều khiển giàn đèn có công suất 24W với nhiều mức cường độ sáng ánh sáng phù hợp cho giai đoạn phát triển mô cây, giám sát hiển thị cường độ sáng, cài đặt chu trình sáng theo thời gian truyền thơng Nội dung 2.1 Tổng quan điều khiển cường độ sáng LED Nguyên lý hoạt động LED giống nhiều loại Diode bán dẫn khác có đường đặc tính Volt-Ampe Hình Tùy vào loại LED mà Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 điện áp phân cực thuận khác Đối với LED thường điện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V Với loại LED khác lại có điện áp phân cực khác LED đỏ 2V, Led xanh 3,5 V[3] Đặc tuyến điện áp – dòng điện LED hàm khơng tuyến tính Nếu điện áp thấp ngưỡng cho phép Diot LED khơng thơng LED khơng sáng Hình Đặc tính Volt-Ampe đèn LED [3] Bởi vậy, tăng dần điện áp cấp vào LED đến ngưỡng LED bắt đầu sáng dòng điện qua LED tăng nhanh Sau đó, tiếp tục tăng điện áp nhiệt độ LED tăng nhanh dẫn đến cháy LED Để LEDs hoạt động tốt, cần điều khiển LED vùng hoạt động (Hình 1) [4] Thêm nữa, vùng điện áp hoạt động LED khác lại khác (cho dù LED lơ sản xuất nhà cung cấp) Hầu hết LED công suất chung loại có giá trị điện áp rơi Vf dao động khoảng 20% giá trị danh định [4] Tuy nhiên, đặc tuyến cường độ sáng dòng điện qua LED lại hàm tuyến tính khơng có khác biệt nhiều đèn LED thuộc lô sản xuất Điều thể (Hình 3) Hình Đường đặc tuyến dòng điện cường độ sáng LED [4] Từ phân tích nhóm tác giả đưa phương pháp điều khiển tối ưu cho LED công suất phương pháp điều khiển dịng Khi điều khiển tự động điều chỉnh điện áp đầu để giữ cho dịng điện qua LED ln số, từ ổn định cường độ sáng bóng đèn Phương pháp áp dụng với bóng LED riêng lẻ LED mắc nối tiếp Bởi vì, dịng điện qua LED giữ ổn định chúng có cường độ sáng cho dù điện áp rơi đèn LED có khác 2.2 Thiết kế điều khiển cường độ sáng LED Từ phân tích trên, nhóm nghiên cứu đưa sơ đồ khối điều khiển giàn ni cấy mơ Hình Hình Sơ đồ khối điều khiển giàn ni cấy mơ Hình Vùng hoạt động LED công suất [4] Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Hoạt động điều khiển giàn đèn liệu điều khiển nhập từ bàn phím vi xử lý trung tâm tính tốn xử lý đưa tín hiệu điều khiển tương ứng với mức cường độ sáng cần thiết giàn đèn đề điều khiển driver đèn Trong thiết kế này, nhóm nghiên cứu tiến hành Journal of Science and Technology 35 ISSN 2354-0575 thiết kế driver cho giàn đèn sử dụng IC LM3406 hãng Texas Instrument với ưu điểm sau: IC tích hợp sẵn biến đổi buck, sử dụng phương pháp điều khiển dòng, cho đầu ổn định Để đảm bảo tín hiệu dịng điện qua nhánh mắc song song giàn đèn cân nhau, nhóm sử dụng thêm mạch mirror current trình bày tài liệu [4] Tín hiệu điều khiển cho driver tín hiệu PWM từ điều khiển cường độ sáng Vi xử lý lựa chọn vi điều khiển MSP430F5419A với ưu điểm tốc độ xử lý nhanh (tần số lên đến 25MHz), tiêu thụ điện thấp (tiêu thụ 230µA tần số 8MHz), có ngoại vi đủ lớn để giao tiếp với ngoại vi bên BQ3200, Bàn phím, Màn hình LCD Graph 128x64 2.3 Xây dựng phần mềm cho hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng LED Việc xây dựng lưu đồ thuật toán lập trình cho điều khiển giàn ni cấy mô phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thiết bị bao gồm: hiển thị thông tin cường độ sáng panel đèn, đọc hiển thị thời gian thực lên hình, điều khiển cường độ sáng cho giàn đèn có lệnh điều khiển, có chế độ cài đặt thời gian, cài đặt cường độ sáng cho panel đèn Bắt đầu Đọc thông tin lưu trữ từ flash Điều khiển hiển thị LCD Khởi tạo hệ thống Đọc giá trị cường độ sáng Cấu hình xung clock Cấu hình tỉmer Kiểm tra phím bấm Khởi tạo module thời gian thực BQ32000 Khởi tạo module thời gian thực BQ32000 Xử lý thông tin từ bàn phím Y Ghi vào nhớ flash Y Thay đổi hiển thị LCD N Cần lưu thông tin N Cần thay đổi LCD Khởi tạo module giao tiếp với mạch đo cường độ sáng (RS485 ) Y hành đo đánh giá tín hiệu xung điều khiển PWM cường độ dòng điện qua giàn đèn Sơ đồ đo, thử nghiệm hể Hình Hình Mạch in khối điều khiển Hình Bộ điều khiển cường độ sáng giàn đèn nuôi cấy mô Hình Sơ đồ đo thử nghiệm thông số điều khiển Kết đo tín hiệu xung thực máy Oscillscope MSO7054B cho chất lượng tốt, ổn định, giá trị PWM so với giá trị đặt (Hình 9), (Hình 10) N Thiết lập cường độ sáng cho Panel (cài đặt PWM) Khởi tạo flash Hình Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển Kết thảo luận Sau nghiên cứu thiết kế, nhóm thực chế tạo điều khiển cường độ sáng cho giàn ni cấy mơ sử dụng LED (hình 6, hình 7) Để đánh giá chất lượng điều khiển, nhóm tiến 36 Hình Đồ thị xung PWM với tỉ lệ 50:50 Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình 11 Thử nghiệm điều khiển chiếu sáng Trung tâm Sinh học thực nghiệm Hình 10 Đồ thị xung PWM với tỉ lệ 30:70 Giàn đèn sử dụng báo có cơng suất 24W (24 bóng LED 1W), chia làm nhánh mắc song song (mỗi nhánh 12 bóng LED 1W) Nhóm tác giả tiến hành đo đánh giá chất lượng dòng điều khiển driver, dòng điện nhánh đèn LED cho kết Bảng Bảng Bảng đo cường độ dòng lắp điều khiển Tỉ lệ pwm (On:Off) (1) Dòng tổng (A) (2) Dòng nhánh (A) (3) Dòng Sai lệch nhánh (3)– (4) (A) (4) 30:70 0.195 0.091 0.095 0.004 50:50 0.331 0.160 0.169 0.009 70:30 0.450 0.222 0.228 0.008 100:1 0.658 0.328 0.331 0.005 Bảng cho ta thấy độ sai lệch dòng nhánh nhỏ điều chứng tỏ driver đèn sử dụng IC LM3406 kết hợp với mạch mirro current điều khiển cường độ dòng điện nhánh đèn LED mắc song song với giá trị chênh lệch nhỏ Bộ điều khiển cường độ sáng giàn đèn lắp đặt thử nghiệm Trung tâm Sinh học thực nghiệm (Hình 11) Sau thời gian thử nghiệm, điều khiển cường độ sáng hoạt động ổn định thời gian dài (từ 3/16-9/16) chất lượng nuôi cấy mô hệ đèn LED cho kết tốt so với chiếu sáng đèn huỳnh quang thông thường thể qua Bảng Bảng Bảng so sánh ảnh hưởng điều kiện chiếu sáng đến chất lượng Đẳng sâm giai đoạn nhân nhanh Điều kiện Số Chiều Đặc điểm hình thái chiếu sáng chồi cao chồi Tối hoàn 9.1 3.5 Các chồi mọc toàn thưa, chồi nhỏ, màu trắng Đèn huỳnh 19.5 5.0 Chồi mọc dày, chồi quang nhỏ, thấp yếu Dàn đèn 25.9 6.7 Cụm chồi dày LED nhiều chồi mập, khỏe, màu xanh đậm Kết luận Nghiên cứu trình bày thiết kế điều khiển cường độ sáng LED sử dụng nuôi cấy mô ứng dụng thành công việc nuôi cấy mô Trung tâm Sinh học thực nghiệm – Viện Ứng dụng Công nghệ Kết nghiên cứu mở hướng việc nhân rộng điều khiển cường độ sáng đèn LED ứng dụng cho phịng ni cấy mô nước giúp nâng cao chất lượng chiếu sáng nuôi cấy mô Tài liệu tham khảo [1] Ngơ Xn Bình, “Ni cấy mơ tế bào thực vật sở lý luận ứng dụng”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2010 [2] Giải pháp chiếu sáng ni cấy mơ (In_vitro) – Tiết kiệm lượng, kích thích sinh trưởng Truy cập 30.8.2016, [3] S Winder, “Power Supplies for LED Driving”, Newnes, 2008 [4] S Roberts, “High Power LED and RCD Applications Guide”, Recom Technical Manager, Europe Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 37 ISSN 2354-0575 [5] Lutron, “Dimming LEDs via PWM and CCR” [6] O Semiconductor, “AND9041/D - Designing High-Efficiency LED Driver Circuits using the NCL30051” DESIGNING THE LIGHT INTENSITY CONTROLLER SYSTEM FOR THE LED ARRAY WITH APPLICATION IN PLANT TISSUE Abstract: The paper presents the LED illumination control system that is applied in plant tissue culture Monochromatic light illuminating with appropriate light intensity will produce high bio-energy efficiency that in turn stimulates the growth of the plant than other types of conventional bulb This article presents a light controller system for LED arrays with power of 24W (24 bulbs 1W) which features: controlling the light intensity of LED arrays, displaying real time; being able to set up process of cultivation, saving and exporting data for research report Keywords: LED tissue cultivation, Driver LED, Current control method 38 Khoa học & Công nghệ - Số 13/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ... 6.7 Cụm chồi dày LED nhiều chồi mập, khỏe, màu xanh đậm Kết luận Nghiên cứu trình bày thiết kế điều khiển cường độ sáng LED sử dụng nuôi cấy mô ứng dụng thành công việc nuôi cấy mô Trung tâm Sinh... qua LED giữ ổn định chúng có cường độ sáng cho dù điện áp rơi đèn LED có khác 2.2 Thiết kế điều khiển cường độ sáng LED Từ phân tích trên, nhóm nghiên cứu đưa sơ đồ khối điều khiển giàn nuôi cấy. .. hệ điều khiển giàn nuôi cấy mô sử dụng LED Việc xây dựng lưu đồ thuật toán lập trình cho điều khiển giàn ni cấy mơ phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thiết bị bao gồm: hiển thị thông tin cường độ