A Design on the Dimmable Circuit and the Control of Illuminating … · 2016. 7. 21. · - 384 - A Design on the Dimmable Circuit and the Control of Illuminating Intensity Simulation

J. Agri. & Fore. 2012. 61(4): 383-398 - 383 -

A Design on the Dimmable Circuit and the Control of

Illuminating Intensity Simulation in an Impedance

Measurement Platform for Botanical Tissue

植物組織電阻抗量測平台調光電路設計與光照模擬控制

Meng-Yi Xu 1) Guan-De Wu 1) Tse-Min Chen 2)

徐孟義吳冠德陳澤民

Abstract

This research establishes illumination

simulation system for the non-invasive botanical

impedance measurement platform. A developed

dimmable circuit and the rearrangement of

fluorescent trigger circuit in the platform linked

together consist of this illumination simulation

system. Integrating with the control on

temperature and humidity, the expected

environmental conditions including the sunshine

illumination, temperature and humidity for

botanic physiology measurement can be

implemented. Many literatures confirm that

various wavelengths of light will resulted in

different responses on the physiology of a plant.

The products from photosynthesis processes in a

plant vary with segments of light spectrum

absorbed. Therefore, a sturdy plant must grow

with full spectrum of illumination. Since the

popular and energy-saving illumination source-

LED is with single specific wavelength and is

unable to satisfy the full spectrum requirement for

the photosynthesis processes, this approach

chooses dimming fluorescent light source as

illumination device. For illumination simulation,

the illumination values in a greenhouse are the

specification of the developed system. For

realization, the dimming light circuit adjusts the

amplitude, the angle, and the frequency etc. as

illumination control. In this research it is

verified that the dominant factor for illumination

control is the load power, thus the dimming light

system developed will be accomplished by

1) Mater, Department of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Chung Hsing University,

Taiwan, R.O.C. 國立中興大學生物產業機電工程學系碩士。

2) Associate professor, Department of Bio-industrial Mechatronics Engineering, National Chung Hsing

University, Taiwan, R.O.C., Corresponding Author. E-mail: [email protected]

國立中興大學生物產業機電工程學系副教授，通訊作者。

- 384 - A Design on the Dimmable Circuit and the Control of Illuminating Intensity Simulation in an

Impedance Measurement Platform for Botanical Tissue

implementing the amplitude adjustment. A solar

panel was installed in the platform and used as the

sensor of illumination feedback control. In

addition, a friendly interface developed by

LabVIEW programming is employed with the

hardware NI PXI system and the PCB layout board

of the developed integrating circuit to facilitate

and accomplish the non-invasive impedance

measurement system with illumination,

temperature and humidity control.

Key words: Dimmer circuit, Illumination

simulation, Fluorescent lamp, Non-

invasive, Botanical impedance

measurement

摘要

本研究之目的在為植物電阻抗量測平台建

置具模擬日照功能之無段式光照系統，希望透

過光照量與溫濕度等環境因素的同步調控使非

侵入式植物阻抗的量測更具生理意義並成為指

標參數。相關研究指出不同之光波長對植物生

理有不同之影響，在植物行光合作用之時，不

同之光波長將產生著不同之光合產物，因此植

物須在全光譜光線下才能正常成長；基於全光

譜考量本研究不採用單光譜之 LED 燈而採用

螢光燈調光方式做為光環境光源。本研究由收

集日照變化之照度值開始，將溫室中所收集到

之照度值變化數據做為量測平台日照模擬的依

據；同時亦分析比較一般家用日光燈與 3 波長

燈管光譜以及調幅、調相、調頻等調光電路。

由於本研究須以負載功率為主要因素，因此採

用調幅控制；另外為控制照度變化，本研究特

地開發出 DAQ轉換電路並且製作成 PCB電路

板以利於電腦與量測平台進行溝通。回授控制

之設計則以放置太陽能板監測，以回應光照值

控制，依據太陽能板之光電效應即可精準量測

照度值；而軟體介面則使用 LabVIEW 圖控軟

體撰寫日照模擬及定光照之程式，最後並將光

照控制之軟硬體模組，整合入非侵入式阻抗量

測之軟硬體架構中，達成本研究建置完整生物

組抗量測平台之目標。

關鍵詞：調光電路、日照模擬、日光燈、非侵

入式、植物阻抗量測

前言

自 DNA 結構解密以來，生技產業技術不

斷提升改良並且持續向上發展，隨著產業商業

化後更呈現出主流高成長之型態。雖然自 2008

年金融海嘯爆發，全球經濟進入重整狀態，各

國政府紛紛提出經濟振興方案，美國與我國不

約而同選定生技產業、綠色能源等方面作為政

府推動之主流產業；2009 年 3 月我國政府更進

一步提出 6 大新興產業包括：生技產業、精緻

農業、綠色能源、文化創意產業、健康照護以

及觀光等 6 大產業，並將生技產業定為首要發

展之主流產業；植基於幾年來我國積極推動生

技產業，且具有良好之生產環境、健全之研發

科技及智慧財產的保護等優勢，因此政府希望

藉由生技的起飛行動方案加速推動我國生技產

業之成長，成為活絡經濟的主要動脈 (2)。

2010 年台灣國際蘭展資料顯示指出已有 4

項指標已破歷年紀錄包括展出面積為 6100 坪、

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參展人數 32 萬、參展國家 32 國、展期產值 55

億等紀錄；由此 4 項指標顯示出台灣國際蘭展

不僅只是國際蘭花市場交易場所，更具有推進

蘭花產業國際貿易之功能，台灣蘭花已轉型為

國際產業，因此可期待未來幾年外銷產值突破

百億之機會。另外 2010 年到訪之國外買家增加

為 32 國包括波蘭、汶萊、立陶宛等國家 (13)；

目前蝴蝶蘭已成為台灣農產品外銷四大旗艦產

品（蝴蝶蘭、烏龍茶、台灣鯛、芒果）之一，

我國花農利用最新科技開發出新品種行銷全

球，建立台灣蘭花王國之國際地位，成為WTO

農業成功升級轉型之典範 (2)。

為持續深化我國生物相關產業競逐國際之

潛力，掌握更細緻的關鍵生產培育參數，本研

究擬應用光與機電之控制整合技術為生物相關

研究領域與產業目標提供完整且精準之植物電

阻抗檢測平台，做為植物準確生理檢測之工具，

協助建立各類具競爭潛力作物之生理狀態與生

長環境管理等之生理資料庫，進而建置更精準

更有效的生產管理技術，維持質量並濟之國際

競爭優勢。

文獻探討

目前常用植物生長箱內微環境的建置，除

了溫度、濕度能直接控制外，光照強度大多只

能用日光燈的盞數來進行控制，無法如自然環

境漸近式變化，在適當的時機給予適當的光量；

由於植物的生理情況除受溫度、濕度的影響外，

光照亦為非常重要的影響因子；植物在白天會

利用葉綠素進行光合作用，晚上則進行呼吸作

用，而進行光合作用與呼吸作用的差別就在於

光照強度，如能模擬植物生長一天所承受之光

照變化，則此植物生長檢測系統將能更完整地

調控環境因子，進而建置更精準的生長環境與

生理對應資訊。

一般而言，植物須在全光譜之日光下才能

正常生長，目前已有許多實驗證實，不同之光

波長會影響植物的生長（表 1）(4, 9)。在植物行

光合作用中，必須是能為植物之光合色素所用

的光波長才會被植物所吸收，非光合色素所需

之波長，光合色素將不會吸收。光強度越強則

光合速率也會越快，但當速率快到一定程度時，

表 1. 光譜與植物生長之關係

Table 1. Relationships between spectrum and botanical physiology

光譜範圍對植物生理的影響

280 ~ 315nm 對形態與生理過程的影響極小。

315 ~ 400nm 葉綠素吸收少，影響光周期效應，阻止莖伸長。

400 ~ 520nm（藍光）葉綠素與類胡蘿蔔素吸收比例最大，對光合作用影響最大。

520 ~ 610nm 色素的吸收率不高。

610 ~ 720nm（紅光）葉綠素吸收率低，對光合作用與光周期效應有顯著影響。

720 ~ 1000nm 吸收率低，刺激細胞延長，影響開花與種子發芽。

大於 1000nm 轉換成為熱量。



若再增加光強度，則光合速率反而會降低。光

照之時間長度，對植物之成長亦有極重要的影

響，一般把日夜長短對植物生長之影響稱為光

周現象（Photoperiodism）；而植物對光之感應

都在葉面上，因此對光周敏感之植物，在感應

之後會從葉面傳遞至韌皮部，再從韌皮部傳至

莖葉，之後將引起花芽之分化後而開花。

由於光照為大多數生物生命中不可或缺的

環境要素，而螢光燈目前是補足光照需求普遍

且有效的工具，因此螢光燈目前是生命活動相

當重要的元件。螢光燈發光的原理為在其兩電

極間壓降以加速電子並使其與內部填充之汞蒸

氣及惰性氣體撞擊，進而激發管內氣體之外圍

電子，當高能電子由激發態掉至基態時，由於

有能階差而輻射出紫外光，而紫外光再激發管

壁之螢光物質，使螢光燈管發光（圖 1）(5, 7, 10)。

當大量電子相互撞擊時，所產生之電子和離子

會越來越多，此時燈管內的阻抗將逐漸降低，

電流便越來越易於導通，當電子增量大到某一

程度時，螢光燈管可能無法承受過量之電流而

破裂，此時必須加配安定器除穩定內部之電流，

同時也供給燈絲正常之預熱電流，如此螢光燈

管便可以穩定發光 (3, 11)。

而螢光燈管所配置之電子安定器調光原理

包括有調幅、調頻、調相等方法，表 2 為三種

調光方式之比較 (1, 12)。從表 2 中之比較可知，

相較於調頻和調相法，調幅法有較簡單之控制

電路；然由於三種調光方式中，只有調幅調光

之方式可適用於較廣泛的負載功率，為使植物

阻抗量測平台之日照模擬可應用之照度範圍

（照度最大值）可隨時更換各種不同瓦特數之

燈管而進行調整，因此本研究將選用調幅法進

行調光控制。

本研究為達光照強度連續變化控制之目

的，特別開發設計調光電路，並搭配原有之溫

濕度調控介面調整螢光燈之光照度。本研究未

採用目前政府正積極推廣具有發光效率高、使

用壽命長、耗電量少、體積小、可調整光之強

弱等多項優點之 LED 照明，主要理由為植物生

長之各階段有不同的光譜範圍需求，而 LED 為

圖 1. 螢光燈發光原理

Fig. 1. The lightening principle of a fluorescent lamp

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表 2. 螢光燈調光方式之比較

Table 2. Dimmable methods for fluorescent lamp

方式調頻調幅調相

適用之電路架構全橋、半橋全橋、半橋全橋

控制對象功率開關切換頻率工作電壓諧振網路之等效端電壓

控制電路簡單（已有市售 IC）較複雜簡單（已有市售 IC）

適用負載中、低功率各種功率高功率

單一光源，無法提供全光譜照明 (9)。然螢光燈

之光源近乎全光譜，所以本研究選用一般螢光

燈（T8）作為調整光照強度之光源，希望藉由

此研究來達成植物生長檢測平台照度之可程式

調整，進而模擬溫室環境一日光照之強度，提

供完整之植物生長環境因子控制。

材料與方法

一、試驗材料

(一) 自製調光電路之電子元件：

1. DAC0800： 1 顆， 8-Bit Digital-to-Analog

Converters。

2. MC34063A ： 2 顆， Industrial Standard,

Universal DC/DC Converters。

3. 12V直流電源供應器：1 個。

4. 自製 DB-25 轉 PIN 36 之公對母傳輸線：1

條。

5. OPA運算放大器：1 顆，LM741。

(二) 螢光燈管之切換開關：繼電器 2 顆。

(三) 控制軟體：LabVIEW8.6 圖控程式語言。

(四) PCB（印刷電路板）設計軟體：Protel 99 SE。

(五) 調光式電子安定器（Electronic Dimmable

Ballast）：

1. HIGH-TECH ELECTRONIC PROUCYS

（HEP）7 具，2xT8/18W, 36W。

2. HIGH-TECH ELECTRONIC PROUCYS

（HEP）1 具，1xT8/18W, 36W。

3. SM 5151 單晶系太陽能板 1 片，長 65mm，

寬 60mm，厚度 5.2mm；在溫度 25℃下 Vop：

4V，Iop：75mA。

二、試驗設備

本研究所使用之研究設備如下：

(一) 可調式恆溫恆濕植物生長箱：

本研究採用生長箱做為植物電阻抗量測平

台之核心，其規格如下：

1. 溫度範圍：0℃~50℃±0.3℃之內。

2. 濕度範圍：25% RH~98% RH±3% RH之內。

3. 溫濕度控制方式：RS-485 通訊介面及 PID

LED 台達電數字型微電腦可控制器，具有 8

組、每組 8 段之程序控制，每段可設 15 小

時。

4. 內部光照系統：NEC三波長燈管（太陽燈管）

30W，15 隻，分別在左、右、上三面平均分

佈，獨立開關；24HR 日夜燈照控制。

(二) National Instrument（NI） PXI 模組化量測

與控制平台：

1. PXI 1042 chassis：控制箱主體。

2. PXI-8186 controller：獨立處理控制單元。



3. PXI-5112 digitizer：PXI 介面卡示波器模組。

(1) 2ch, 100 MS/S, 100 MHz, 16 MB/ch。

(2) 輸入範圍：±25 mV~±25 V。

4. NI-5401 16 MHz Function Generator：PXI 介

面訊號產生器模組。

(1) 1 ch, 16 MHz 正弦波，1 M Hz 方波及三角

波。

(2) 解析度：12 bit。

(三) 基礎量測設備：

1. YOKOGAWA公司所生產之多功能電表，型

號 73402。

2. YOKOGAWA 公司所生產之照度計，型號

51001。

3. DAQ 轉換器：NI USB-6008，12 Bit, 10 kS/s

Low-Cost Multifunction DAQ。

三、實驗方法

為滿足植物量測平台內螢光燈管照度與模

式之需求，本研究首先開發調光控制電路並採

無段式螢光燈管照度控制；開發與控制設計流

程及相關元件之應用與規劃如圖 2 所示。

(一) MC34063A晶片（圖 3）

MC34063A 主要功用是 DC 至 DC 之變壓

功能，為一具穩壓功能之變壓器，由於價格低

廉相對使成本低。本研究設計之電路中需驅動

一 DAC0800 之 IC，此 IC 之工作電壓為正負

12V，因此本研究使用一MC34063A之 IC（在

此稱為 MC34063A-1 號）進行降壓，由＋12V

轉換至－12V，藉此提供 DAC0800 所需之電

壓。本研究即是延續前人研究之結果 (6, 8)，又

因原開發之植物量測平台控制電路板無法提供

圖 2. 調光控制電路之運作流程圖

Fig. 2. The flow chart of operation of dimming control circuit

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圖 3. MC34063A之接線圖

Fig. 3. The circuit of MC34063A

新增電路足夠之電壓源，故在新設計之電路中

再加入一 MC34063A（在此稱為 MC34063A-2

號），利用MC34063A之特性，將 DC12V降壓

成 DC3.3V，以提供電壓源予原設計之電路板，

如此一來兩電路板即可相互結合，達成控制電

路整合之目標。

(二) DAC0800 數位類比轉換器

為使類比信號與數位信號相互轉換，需應

用數位轉類比與類比轉數位轉換器。DAC0800

（圖 4）為一 8 位元數位轉類比之轉換器，利

用 R-2R 梯形電阻網路、參考電壓等方式進行

轉換，可將數位信號轉換成類比信號，惟

DAC0800 為電流輸出，由於本研究需電壓輸

出，因此在 DAC0800 後半部須再加入一 OPA

運算放大器，把電流源轉換成電壓源。

(三) OPA比較器

本研究所使用之OPA比較器電路如圖5所

示。在所使用之螢光燈管（T8）在微亮時（即

調光式電子安定器只供給微量電壓給螢光燈

管），將造成螢光燈管閃爍不停之現象，因此在

電路設計上加入 OPA比較器，當調光式電子安

定器直流電壓低於某一電壓時（設定為 1V），

OPA 比較器將會切斷調光式電子安定器之電

源，進而保護螢光燈管。

工作原理如圖 5，電路從左上角＋12 V供

給電壓和電流，電流從＋12 V開始流經電阻 11

kΩ後再經 1 kΩ，最後流向接地，電流沒有流入

OPA 運算放大器是因 OPA 運算放大器輸入阻

抗極大，流入電流幾乎等於零，因此電流只流

經 11 kΩ和 1 kΩ兩電阻；利用分壓定理即可計



圖 4.DAC0800 電壓輸出電路

Fig.4 The voltage output circuit of DAC0800

圖 5. OPA比較器之電路圖

Fig. 5. The circuit of OPA comparator

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算出 1 kΩ上的電阻電壓為 1 V；利用 OPA比較

器進行比較，當 DAC0800之輸出電壓大於 1 V

時，OPA將輸出＋12 V，反之，當 DAC0800 輸

出之電壓小於 1 V時，OPA將輸出－12 V；於

OPA之輸出端加入一二極體，此二極體功用即

是讓大於 0.7 V之電壓通過，否則將形成斷路；

OPA輸出只有兩種，＋12 V和－12 V，當 OPA

輸出為－12 V時，二極體將無法導通，導致無

任何電壓電流流入繼電器電路中，使繼電器無

法作動；相反地，如果 OPA輸出＋12 V時，二

極體即刻導通，將＋12 V 輸出至繼電器電路

中，使繼電器作動；因此，利用此電路之特性

即可控制繼電器電路，保護螢光燈管。

(四) 繼電器電路

圖 6 為繼電器電路，本研究為了達成完全

控制植物量測平台之光源，特別將傳統式安定

器更改成調光式電子安定器，進而模擬溫室內

一日之光照強度。在進行燈管測試時，發現調

光式電子安定器在供給燈管低電壓時，將造成

螢光燈管不停閃爍之現象，此現象為燈管電壓

過低造成之現象，而此現象亦將造成燈管壽命

大幅縮短，為防止此現象發生，本研究在調光

式電子安定器之迴路中加入繼電器電路，藉此

電路保護螢光燈管。

繼電器電路之作動原理為利用線圈激磁與

否改變接點，使接點上之迴路產生改變。從前

一級 OPA 比較器電路輸出＋12 V 至繼電器電

路，但繼電器屬於大電系統之元件，需要大電

流才可驅動，為此本電路加有 TIP 122 達靈頓

電晶體一顆藉以提高電流量，當＋12 V輸入至

達靈頓電晶體時，它的輸出電流將提升 1000

倍；根據先前所作之量測，為了能推動兩顆繼

圖 6. 繼電器電路

Fig. 6. The relay circuit



電器，所需最小電流約為 144 mA，而繼電器上

之線圈電阻大小約等於 165 Ω，並且須供應＋

12 V，經過計算即可知在達靈頓前須加上電阻

值約等於 43 kΩ，如此即可運用 OPA比較器電

路所輸出之＋12 V推動繼電器線圈，進而改變

繼電器上所連接之迴路。

(五) PCB 電路板之設計製作

本研究採用 LabVIEW 程式控制螢光燈模

擬日照，其中控制信號之傳遞存在數位類比轉

換問題，為解決此問題，本研究特採用 Protel

99 SE 開發設計專用數位類比轉換電路，並採

用 PCB 板佈局以降低雜訊之干擾（圖 7）(8)。

(六) 控制系統之回授設計

本系統日照模擬控制是利用電腦軟體

LabVIEW 8.6 程式直接控制植物生長量測平台

照度值之改變。為降低設置成本，本研究特地

在量測平台內裝設單晶系太陽能板，運用單晶

系太陽能板因不同光照量而產生出不同電壓值

之特點進行照度偵測做為本系統之照度感測裝

置，感測值則為系統回授控制之依據（圖 8）。

結果與討論

一、日光燈照度與耐久測試

由於日照模擬需持續改變燈管之照度值與

燈管之一般使用方式不同，本研究進行了連續

30 天之日照模擬以確認燈管與日照模擬系統

的耐久度與照度偏差；圖 9 為連續 30 天日照

模擬前實際照度值與標準照度值（標準照度值

為收集三天溫室日照資料之照度平均值）之誤

差，圖 10 為連續 30 天日照模擬後實際照度值

與標準照度值之誤差。

如圖 9 所示，未經連續 30 天日照模擬測

圖 7. 本研究自行開發設計螢光燈數位類比轉換之燈控電路 PCB 板成品圖

Fig. 7. The developed PCB for fluorescent lamp as the DAC converter

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圖 8. 照度回授控制示意圖

Fig. 8. The schematic diagram of the illumination feedback control

圖 9. 連續 30 天日照模擬前實際照度值與標準照度值之誤差

Fig. 9. Errors between the measured and standard illumination value before simulated sunlight for 30 days

0

1

2

3

4

5

7-8 8-9 9-10 10-1111-1212-1313-1414-1515-1616-1717-1818-1919-2020-2121-22

誤

差

率

（%

）

時間（24小時制）



圖 10. 連續 30 天日照模擬後實際照度值與標準照度值之誤差

Fig.10. Errors between the measured and standard illumination value error after simulated sunlight for 30

days

圖 11. 日照模擬之人機介面

Fig. 11. The sunshine simulation function of Human-machine interface

0

1

2

3

4

5

7-8 8-9 9-10 10-1111-1212-1313-1414-1515-1616-1717-1818-1919-2020-2121-22

誤

差

率

（%

）

時間（24小時制）

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(a) 100 %照度 (b) 70 %照度

(c) 50 %照度 (d) 30 %照度

圖 12. 各照度調整值下之量測平台

Fig. 12. Diverse setting cases of illumination in the measurement platform



試前實際照度值與標準照度值誤差率最大為

4.83%，而經過連續 30 天日照模擬測試後實際

照度值與標準照度值誤差最大為 3.25 %（如圖

10），由此結果可證明本研究之日照模擬所使

用的三波長燈管耐久程度可承受連續 30 天照

度變化調整且連續 30 天測試後之照度值依然

可維持在標準照度值±5%以內。

二、日照模擬軟體介面

本系統目前已可達成定照度設定與模擬日

照之操控，圖 11 為利用 LabVIEW 圖控程式所

撰寫之日照模擬人機介面；日照模擬系統可內

依程式內部所設定之模擬數據進行每天 24 小

時模擬日照。圖 12 (a)為量測平台在全照度下

（100 %，12000 lux）之情形，(b)為量測平台

在全照度值 70%之情形，(c)為量測平台設定為

半照度（50 %）之情形，(d)為量測平台照度值

設定全照度值 30 %之情形。

三、光照與阻抗量測平台系統之整合

本研究在整合光照之同時，更將前一代已

發展完成之二極法量測系統改良為四極法量測

配合硬體改良以及建立多頻量測之阻抗分析

(6, 8)，軟體介面部份除將日照模擬整合入

LabVIEW 圖控程式設計中外，量測部份更將二

極法量測程式更改為四極法量測設定且頻率從

單頻量測更改為多頻量測控制（圖 13）；表 3

為本系統所匹配之測試電阻與其量測範圍。

圖 13. 整合調光系統之四極法多頻量測介面

Fig. 13. Interface of the four-pole multi-frequency measurement with illumination control system

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表 3. 阻抗匹配與輸入電壓與輸出電流對應表

Table 3. Impedance matching for the voltage input and current output

量測範圍（Ω）輸入電壓（mV）輸出電流（A）測試電阻配置（Ω）

200 k-7.25 k 20 69 μ~80 μ 12.5 k

7.2499 k-350 150 0.6 m 500

349.9-15 1450 5.8 m 50

結論

本研究設計完成一調光電路並結合調控軟

體與螢光燈光照配線，完成日照模擬系統，運

轉誤差維持在 5 %以下。其後並將此日照模擬

系統整合於已開發完成之植物電阻抗量測平

台，包含溫度、濕度與照度等環境因子之完整

控制，同時為提高阻抗量測精度，本研究並改

良平台原二電極法之量測方式，改採四電極法

進行量測，建置完成整合環境溫度、濕度與照

度三大因子之完整非侵入式植物體組織電阻抗

量測平台。

參考文獻

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Received: November 19, 2012.

Accepted: December 23, 2012.

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A Design on the Dimmable Circuit and the Control of Illuminating … · 2016. 7. 21. · - 384 - A Design on the Dimmable Circuit and the Control of Illuminating Intensity Simulation