CN101478850B - 大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于大功率LED路灯技术领域，具体涉及一种大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法和装置。本发明采用闭环数字控制，在整个寿命期内维持LED的输出光强，补偿其光衰，从而保证路灯在使用期间维持一个满意的照度，同时可以延长LED路灯的使用寿命。具体为装置对LED输出的光信号进行检测、放大和转换，对信号进行滤波和判断，去除错误信号。进而根据计算得到的光衰大小，控制调节灯的光输出。该发明也包含了灯寿命终了的判断方法，并于寿命终期向上位系统发出警示信号。

Description

大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法和装置

技术领域

本发明属于大功率LED路灯技术领域，具体涉及一种大功率LED路灯实现长寿命可维持光强的控制方法和装置。

背景技术

目前，大功率的发光二极管(LED)正由于其寿命长、耗电少、光效高、易于控制和绿色环保等特点，正逐步应用于道路照明等领域，赢得了广泛的市场。但是在实际的大功率路灯中发现，随着LED燃点时间的增加和散热设计不良等因素的存在，它的光输出会逐步的下降，也就是所谓的光衰。使得路灯在使用一段时间后路面照度下降，可能不符合照明需要。因此对于室外照明灯具来说，当光衰达到30％时，灯具就不能继续使用了。但这时候LED并没有损坏，只是光输出减少，这样实际上是造成了LED路灯寿命的缩短。

因此一般厂家都会在寿命的初期就使用较大的电流来驱动LED，使得在寿命晚期时能够维持一个较为合适的照度。但是一方面这个早期较大的电流造成了多余的光通输出，浪费了能量；另一方面，早期较大的电流会造成大功率LED光衰的进一步加大，寿命缩短。

对于路灯来说，由于它们安装在道路的灯杆上，有一定高度，更换和维修相当不方便，年内每天晚上都需燃点。如果出现问题，会对驾车人员和行人造成极大的不良影响，因此需要灯自身有尽可能长的寿命和光输出稳定性。而上述LED的光衰问题会大大限制路灯的寿命和光稳定性，必须得到解决。

这些成了大功率LED路灯进一步推广使用的关键。

本发明针对现有LED路灯在寿命期内采取的静态控制策略带来的诸多问题，设计提供一种实现大功率LED路灯长寿命可维持光强的控制方法和装置，能对光衰做出及时动态的补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法和装置。

本发明采用闭环数字控制方法，对LED输出的光信号进行检测和反馈，并根据信号和预定值的偏差情况调节功率输出，在整个寿命期内维持LED的输出光强，同时可以延长LED路灯的使用寿命。

本发明提出的大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法，具体步骤如下：

(1)接通电源，对主控制单元进行初始化，设定光电探头的采样时间、初始光通、光衰寿命阈值和光衰调节阈值；

(2)主控制单元进入待机状态，直至进入设定光电探头的采样时间；

(3)利用光电探头进行N次采样，N的数量可根据具体情况而定，将光信号转化为电信号，采集白光LED阵列输出的光强信号数值；

(4)主控制单元对采集到的光强信号通过放大器进行放大，并由A/D转换器件进行A/D转换，转换得到的数据存储于主控制单元内；

(5)采样结束后，主控制单元将步骤(4)得到的数据进行数字滤波，将测得数据中受到外部影响的数据滤去，求出平均光强，所得平均光强数据和步骤(1)中设定的初始光通进行比较，得到光衰大小，并和预设的光衰调节阈值进行比较，当得到的光衰大小比预设的光衰调节阈值小时，主控制单元不改变输出功率；反之，则进入下一级信号判断步骤；

(6)当主控制单元测得光衰超过光衰调节阈值时，先比较现有光衰与近期的光衰数据，如果变化较大，主控制单元进入异常状态，由主控制单元进行自检，判断是否发生灯损坏，或是探头损坏等情况，导致传回的信号异常；如果没有异常，则结合此时的输出电流和光衰来判断灯寿命是否到期；对于灯寿命的判断，最主要是依靠对LED输出光强的衰减情况和供给电流的大小的判断。当电流上升到事前预定的最大值，而输出光强还是衰减到了原来的70％，即光衰寿命阈值为30％时，灯寿命就已经到期；如果寿命到期或是异常得到确认，则信息存储于主控制单元内，主控制单元发出警示信号；

(7)主控制单元结合光衰和设定电流值，调大功率输出，直到光衰得到补偿；返回步骤(2)，待机等待。

本发明中，步骤(1)所述的主控制单元初始化，包含接通电源后关键参数的设置，中断、定时器和输入输出脚等硬件的设定；具体如下：

(1)主控制单元启动，设定系统硬件中断向量地址，设定软件程序的起始点；

(2)主控制单元初始化，系统寄存器及输出入脚的初始化，打开中断和定时器，定义引脚的输入输出状况确定；

(3)设定主控制单元控制参数，包含光电探头的采样时间、光衰调节阈值和光衰寿命阈值。

本发明中，步骤(1)中所述光电探头的采样时间一般以午夜十二点为界限，这由外部的实时时钟产生中断，如果到达午夜十二点，则进入规定的工作流程，否则继续待机。

本发明中，步骤(7)中所述调大功率输出，可以是调节电流输出的频率、调节电流的脉冲宽度、直接调节电流值或是前期调节电流的脉冲宽度，后期直接调节电流值等。

本发明提出的大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制装置，该装置由白光LED阵列22、遮光器23、光电探头24、放大器25、A/D转换器件26、主控制单元27(包含数字滤波)，LED驱动模块28、直流电源29和灯具外壳30组成，光电探头24上接有遮光器23，接受的LED的光输入，光电探头24将输出的电信号接到放大器25的输入脚；放大器25将电信号放大后输出到A/D转换器件26，A/D转换器件26进行模数转换，A/D转换器件26通过信号线连接主控制单元27的输入脚；主控制单元27读入信号，主控制单元27的I/O输出口连接LED驱动模块28；直流电源29的V+，V-线分别接到LED驱动模块28；LED驱动模块28的输出线连接接到白光LED阵列22两端，供给功率。

本发明中，白光LED阵列22固定于灯具外壳30下方。

本发明中，光电探头24采用可遮杂散光的结构，如喇叭形，筒形等；并安装于灯内合适的位置，尽量减少外界光对探头的干扰。

本发明的有益效果在于：

1.采用检测灯具的光输出方法，根据检测到的光强信号，调节供给路灯的功率，在使用期内维持灯的光输出稳定。从而补偿LED由于各种原因造成的光衰，保证路灯始终能提供一个满意的照度。

2.利用光电探头定期定时检测灯具的输出光强，以保证对输出光强变化的及时有效响应，装置能根据得到的信号判断探头是否损坏。

3.光电探头采用一定的光学结构，尽量阻挡外界环境光，并对采集的光信号进行数字滤波，得到实际的LED光输出信号，进行存储。

4.采集到的信号反馈回控制电路，控制单元检测这些信号，计算光衰的大小，当光衰超过一定阈值时，按一定比例增大输入的功率，用以补偿LED由于光衰而造成的光输出下降。这个比例是结合光衰的大小和LED输出光通和输入电流关系得出的。装置并能对信号异常进行判断和示警。

本方法采用数字控制，结构简单，成本低，较易于实现，能够保证LED路灯的长寿命稳定工作，降低了维护和替换成本。

附图说明

图1是本发明控制方法步骤。

图2是本发明的具体流程图。

图3是维持LED光强输出的控制系统示意图。

图4是安装光电探头的灯具截面示意图。

图5是调制电流输出脉冲宽度增加的示意图，其中(A)为初始状态，(B)为脉冲宽度增加后。

图6是调制电流输出频率增加的示意图，其中(A)为初始状态，(B)为脉冲频率增加后。

图7是直接调制电流输出值增加的示意图，其中(A)为初始状态，(B)为电流值增加后。

图8是LED输出光通和输入电流的关系图(选自Cree的说明书)。

图中标号：22是白光LED阵列，23是遮光器，24是光电探头，25是放大器，26是AD转换，27是主控制单元(包含数字滤波)，28是LED驱动模块，29是直流电源，30是路灯的灯具外壳。

具体实施方式

在以下给出的详细说明和较佳实施例中，可以对本发明更全面了解，这些说明和附图并不仅限于特定实施例，而只是起到解释和理解的作用。

如图1所示，是本发明控制方法步骤，该方法主要包含以下的步骤：

1.系统初始化，包括接通直流电源后参数的设置，中断、定时器和输入输出脚等硬件的设定；

2.间隔等待步骤，主控制单元进入待机状态，直至下一次预设光电探头采样时间的到来。

3.光强采样步骤，利用光电探头进行次采样，将光信号转化为电信号，采集当时灯输出的光强数值。

4.信号转换、存储步骤，主控制单元对采集的信号进行放大和A/D转换，并将转换得到的数据进行存储。

5.光衰计算、阈值比较步骤，主控制单元将步骤4得到的信号进行数字滤波，然后和初始光通比较得到光衰大小，并和预设的光衰调节阈值和光衰寿命进行比较，确定是否控制后部功率输出改变和寿命是否到期。

6.后级控制信号产生步骤，如果步骤5中光衰超过光衰调节阈值，主控制单元根据预设的方法产生控制信号，调节后级驱动的功率输出。

如图2所示，是本发明方法的具体流程示意图，该流程包括：

1.主控制单元启动，设定主控制单元硬件中断向量地址，设定光电探头的采样时间、光衰调节阈值和光衰寿命阈值。

2.主控制单元初始化，主控制单元缓存器及输出入脚的初始化，打开中断和定时器，定义引脚的输入输出状况确定。

3.主控制单元设定实时时钟、定时器、中断、采样数目等的初始值，并在初次点亮时记录初始光通。

4.待机，在平时如果没有突发事件和规定任务的话，进入待机状态，节省功耗。

5.判断时间是否到午夜，这由外部的实时时钟进行判断，如果到达午夜十二点，则进入规定的工作流程6。

6.时间条件满足，则主控制单元控制光电探头进行光强采样，将光信号转化为电信号，并进行放大等前期处理。

7.采样结束后，主控制单元控制模数转换器将电信号转化为数字信号。

8.主控制单元将数字信号存储起来，媒介是flash等掉电不丢失的存储器。

9.主控制单元会一次采集N个数据，以防止单次采样带来的误差。在这个步骤，判断已采样次数，如果不满足，返回工作流程6继续执行。

10.采样完成后，主控制单元一次读出所有数据，进行数字滤波操作，将测得信号中受到外部影响的信号去掉。求出平均光强数据，也将其存储。

11.将光强信号读出，和预设的光强比较，得出光衰的大小，并存储。

12.当得到的光衰比预设的光衰调节阈值小时，主控制单元不改变输出的功率；反之，则进入后级的信号判断工作流程13。

13.主控制单元在光衰超过光衰调节阈值时，先比较现有光衰与近期的光衰数据，如果变化很大，主控制单元进入异常状态，由主控制单元进行自检，判断是否发生灯损坏，或是探头损坏等情况，导致传回的信号异常。如果没有异常，则结合此时的输出电流和光衰来判断灯寿命是否到期。如果寿命到期或是异常得到确认，则进入工作流程14，反之进入工作流程15。

14.如果寿命到期或是异常产生，那么向上位机发出警示信号。

15.主控制单元结合光衰和内定的函数，调大功率输出，直到光衰得到补偿。这一步完成后，进入工作流程4，待机等待。

图3所示的是这个控制装置的整个系统框图，图4系统探头安装位置的示意图。如图所示，本发明主要包括了采集控制模块和电源驱动模块。其中第一部分用于采集和处理LED输出的光强数据，并产生相应的控制信号；第二部分根据控制模块产生的信号来进行相应的电流输出，调节LED的光通输出。

具体地，采集和控制装置包含遮光器23、光电探头24、放大器25、A/D转换器件26、主控制单元27。遮光器23用于遮挡外界环境光的输入，之后内部的光电探头24检测LED输出的光，这部分安装在图4中灯具外壳30的内下方。这里的光电探头24可以是光电二极管、光电池或光敏电阻等能起到光电转换作用的器件。信号经过运算放大器25一定比例的放大后，由A/D转换器件26将模拟信号转化为数字信号，再由主控制单元27处理这些信号，进行数字滤波，进一步去除外界的入射光，比如驶来汽车前大灯的直射光等。然后将这个信号和预先设定的值比较得出光衰大小，先进行光衰和前期数据的比较，如果变化很大，进入异常状态，判断异常原因；接着进行寿命判断，主要是结合现在的输出电流和光衰大小，如果异常确认或是寿命到期，则向上位机发出警示信号。如果正常，系统结合光衰和LED的发光特性图8中，得到给电源驱动模块的控制信号。

电源驱动模块包括三部分：LED驱动模块28、直流电源29、白光LED阵列22。LED驱动器28由接受主控制单元27输出的信号，相应改变一定比例的输出电流，从而改变输出功率。这些改变的方式可以是图5、图6或图7，从而调节路灯中LED阵列22的光输出，对灯具的光衰做出补偿。

实施实例：

在本实例图4中，在路灯的出光口处，安装有四个光电探头，探头上安装有喇叭形遮光器，一方面遮蔽外界的环境光，另一方面收集尽可能多LED的光。探头定期于深夜十二点进行采样，一般一次采集多组信号。后续的电路将光信号转化为电信号，这个电信号经过运算放大器的放大和后续A/D转换器件的转换，变成数字信号，输入到控制单元。控制单元这里是一个MCU，它将得到的信号和之前刚测到的信号的平均进行比较，如果发现有着突然变化的信号，自动将这个信号舍弃。这种数字滤波的方法可以将偶然入射到探头的信号去掉，保证不会收到错误的信号。这之后将测得的光强数据保存于存储设施中，这里是flash，这些数据在掉电后也不会丢失。

另外，考虑到四个探头中可能发生的损坏情况，设计了探头损坏应对措施，即在四个检测到的信号值中，如果有一个探头的值明显超过设定的最大阈值，并持续一段时间，那么系统就会判定这个探头损坏，此后舍弃这个探头传来的信号。如果探头损坏了两个以上时，为了保证不会引起错误的控制，我们自动将灯的输出功率调制到额定值。

主控制单元将光强信号和预先设定的光强值比较，得到光衰值大小。当这个光衰值超过我们允许的光衰调节阈值(5％)时，才会以一定比例改变给后级的功率控制信号，进而改变路灯的光输出。这个比例是综合了光衰和LED光输出随着电流变化的曲线图8所定下的。这里设定阈值一方面减少了不必要的频繁调节，造成闪烁；另一方面由于这个阈值的存在，不会出现振荡。但是如果光衰变化值很大，则进入异常状态，判断是否由于灯损坏或是探头损坏等情况造成的，如果异常得到确认，装置向上位机发出信号来警示管理者。

LED驱动模块接受到了控制信号后，决定提供给LED的电流大小和方式。在这里有两个考虑：1.大功率LED的光效受温度的影响很大，如果在大电流下的情况下温度会上升，使得光效下降，并使寿命缩短，尽量降低输出的峰值电流；2.白光LED的色坐标会随着输入电流的大小改变而造成偏移，因此尽量减少调节峰值电流的变化。在示例中结合了脉冲宽度调制和直接调制电流的方法，在早期使用脉冲宽度调节，减少色坐标偏移。后期使用直接电流调制，因为这时候如果继续使用脉冲宽度调制，那么这个脉冲电流的峰值会很高，影响光效和LED的寿命。因此最后使用的方案是前期使用电流峰值是350mA的脉冲宽度调制(图5)，当占空比等于100％后，改用直接调节电流值的方法(图7)。

最后是灯寿命终结的判断，灯具不可能一直提高电流来补偿光衰，随着大功率LED的光效的下降，为了维持光输出，会消耗很多的能源。因此在主控制单元中设定了电流上升的最大阈值，如30％，如果在此阈值下LED的光输出还是下降到了初始的70％(即光衰寿命阈值为30％)，就判定为灯寿命的终结。控制单元向上级发出警示信号，提示更换。

Claims (4)

1.一种大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法，其特征在于具体步骤为：

(1)接通发光二极管路灯电源，对主控制单元进行初始化，设定光电探头的采样时间、初始光通、光衰调节阈值和光衰寿命阈值；

(2)主控制单元进入待机状态，直至进入设定光电探头的采样时间；

(3)利用光电探头进行N次采样，将光信号转化为电信号，采集白光LED阵列输出的光强数值；

(4)主控制单元对采集到的光强信号通过放大器进行放大，并由A/D转换器件进行A/D转换，转换得到的数据存储于主控制单元内；

(5)采样结束后，主控制单元将步骤(4)得到的数据进行数字滤波，将测得信号中受到外部影响的信号滤去，求出平均光强数据，所得平均光强数据和步骤(1)中设定的初始光通进行比较，得到光衰大小，并和预设的光衰调节阈值进行比较，当得到的光衰大小比预设的光衰调节阈值小时，主控制单元不改变输出功率；反之，则进入下一级信号判断步骤；

(6)当主控制单元测得光衰超过光衰调节阈值时，先比较现有光衰与近期的光衰数据，如果变化较大，主控制单元进入异常状态，由主控制单元进行自检，判断是否发生灯损坏，或是探头损坏情况，导致传回的信号异常；如果没有异常，则结合此时的输出电流和光衰来判断灯寿命是否到期；如果灯寿命到期或是异常得到确认，则信息存储于主控制单元内，主控制单元发出警示信号；

(7)主控制单元结合光衰和设定电流值，调节功率输出，直到光衰得到补偿；返回步骤(2)，待机等待。

2.根据权利要求1所述的大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法，其特征在于步骤(1)所述主控制单元初始化，包含接通电源后关键参数的设置，中断、定时器和输入输出脚硬件的设定；具体如下：

(1)主控制单元启动，设定系统硬件中断向量地址，设定软件程序的起始点；

(2)主控制单元初始化，主控制单元缓存器及输入输出脚的初始化，打开中断和定时器，定义引脚的输入输出状况确定；

(3)设定主控制单元控制参数，包含光电探头的采样时间、光衰调节阈值和光衰寿命阈值。

3.根据权利要求1所述的大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法，其特征在于步骤(1)中所述光电探头的采样时间以午夜十二点为界限，这由外部的实时时钟产生中断。

4.根据权利要求1所述的大功率发光二极管路灯实现长寿命可维持光强的控制方法，其特征在于步骤(7)中所述调节功率输出，是调节电流输出的频率、调节电流的脉冲宽度、直接调节电流值或是前期调节电流的脉冲宽度，后期直接调节电流值。

Images