CN102014565A - 一种大功率照白光led的智能控制器及控制方法 - Google Patents

一种大功率照白光led的智能控制器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率白光LED的智能控制器及控制方法,涉及照明电子技术领域。智能控制器包括检测单元和控制单元,检测单元与控制单元连接,控制单元与大功率白光LED的驱动电路相连。控制方法如下:智能控制器初始化;环境光传感器、温度传感器采集环境温度、照度信息并发送给控制单元;控制单元实时接收外部环境的温度、照度信息,将接收到的信息根据设定的模糊控制程序进行处理,并依处理结果控制大功率白光LED的工作状态。本发明实现了大功率白光LED随外部环境变化智能调节其亮度,适应不同环境的需要,减少大功率白光LED的能量损耗,控制其工作温度,提高大功率白光LED照明设备的工作稳定性和灵活性,延长其使用寿命。

Description

一种大功率照白光LED的智能控制器及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及照明电子技术领域,尤其是涉及大功率白光LED的智能控制方法及装置。
背景技术
[0002] 大功率、高照度LED的出现为照明领域开辟了新的道路,使固态白色照明光源 的制造成为可能。与常规光源相比,LED器件是冷光源,具有很长的寿命与很小的功 耗。其次,LED器件还具有体积小,坚固耐用,工作电压低,响应快等优点。统计表 明,近年来,大功率照明LED产品的应用市场一直保持着40%以上的增长率。随着技术 的进步以及白色照明光源项目的启动,LED的应用会迎来一个更广阔的发展空间。
[0003] 目前大功率LED在照明领域应用的主要问题是由于其发光效率比较低,大约 70%的输入功率要转化为了热能,在工作过程中会产生大量的热,使管芯结温迅速上 升,热阻变大。输入功率越高,发热效应越大。温度的升高将导致器件的漏电流增加, 性能指标变化,半导体材料缺陷增长,金属电极电迁移等等,严重影响LED的工作性能 和使用寿命。甚至使功率LED失效。因此,减少发热,降低功耗对于LED在照明领域 的进一步发展至关重要。
[0004] LED照明设备的照度和输入功率成正比,在许多情况下大功率LED照明设备不 需要达到额定最大功率,其照度即可满足照明要求,而且随着外部环境温度的下降,大 功率LED达到额定最大照度时对应的电流值也会发生变化,逐渐减小。一般用于照明的 大功率LED设备只有照灭两种状态,只要开启就会工作在额定最大功率,不会随着外部 环境的变化改变其照度,这就造成了能量的浪费。同时输入功率又与LED的温度成正 比,持续工作在额定最大功率必然造成LED照明设备长期处于高温工作状态。
[0005] 所以,在本发明的实现过程中,发明人发现了当前现有技术中存在的以下问 题:现有大功率LED照明设备不能随着外部环境的变化改变工作状态,造成了能量的浪 费;持续工作在额定最大功率必然造成LED照明设备长期处于高温工作状态,严重影响 设备的使用寿命。
[0006] 现今,FPGA (现场可编程门阵列)在复杂逻辑电路以及数字信号处理领域中 扮演着越来越重要的角色,而基于FPGA的SOPC (可编程片上系统)用可编程逻辑技术 把整个系统放到一块硅片上,具有低功耗,低成本,高性能,安全可靠等诸多优点。同 时,放入硅片中的系统可裁减、可扩充、可升级、设计方式灵活,并具备软硬件在系统 可编程的功能,使得SOPC成为嵌入式系统发展的新趋势,尤其是在智能控制领域,近 年来更是得到了广泛使用。
[0007] 相对于传统的驱动电路控制器中普遍使用的单片机,SOPC在灵活性、可靠性、 性能等多个方面均具有明显的优势,所以发明人在本发明的实现过程中决定采用基于 FPGA的SOPC来进行控制器的设计。
4发明内容
[0008] 针对上述现有技术中存在的缺陷或不足,本发明的目的在于,提供一种大功率 白光LED的智能控制器及其控制方法,使用本发明的大功率白光LED的智能控制器及其 控制方法,能够减少能量损耗,控制工作温度,提高大功率白光LED照明设备的工作稳 定性和灵活性,延长其使用寿命。
[0009] 为了达到上述目的,本发明采用如下技术解决方案:
一种大功率白光LED的智能控制器,其特征在于:由检测单元和控制单元组成。
[0010] 所述检测单元用以采集外部环境数据,并将所获得的数据信号传送给控制单 元;检测单元包括环境光传感器和温度传感器。
[0011] 所述控制单元用以接收检测单元传送的数据信号,并根据接收到的数据信号控 制驱动电路的电流输出,进而控制大功率白光LED的工作状态;控制单元选择FPGA芯 片,FPGA芯片中载有NIOS软核和PWM发生器,并设置NIOS软核和PWM发生器的 输入输出接口;
所述环境光传感器和温度传感器的输出端分别与FPGA芯片上设置的NIOS软核的输 入接口相连,所述NIOS软核的输出端和PWM发生器相连;所述PWM发生器的输出端 在FPGA芯片上对应的接口与大功率白光LED通过驱动电路相连。
[0012] FPGA芯片用来接收检测单元发送的信号,将接收到的信号代入NIOS软核进行 处理;NIOS软核用以搭载模糊控制程序以及传感器和驱动电路的驱动程序,NIOS软核 根据信号处理结果调整PWM发生器输出的占空比,控制PWM发生器产生PWM信号; PWM发生器用以在NIOS软核的控制下产生PWM信号,并将其发送给大功率白光LED 的驱动电路,改变输出电流的大小,进而调整大功率白光LED的工作状态。
[0013] 进一步的,所述驱动电路为恒压驱动电路。
[0014] 所述环境光传感器选用TSL2561,所述温度传感器选用DS18B20。
[0015] 一种大功率白光LED的智能控制器的控制方法,其特征在于,具体包括如下步 骤:
步骤1 :智能控制器启动,初始化;
步骤2:检测单元的环境光传感器按照规定的采样周期采集外部环境照度信息,同 时,温度传感器按照规定的采样周期采集外部环境温度信息,环境光传感器和温度传感 器分别将采集到的外部环境的照度信息和温度信息发送给控制单元;
步骤3:控制单元在规定的采样周期接收外部环境的温度、照度信息,将接收到的 温度、照度信息进行处理,并依照处理结果控制大功率白光LED的工作状态。
[0016] 所述步骤3进一步包括如下步骤:
步骤31: FPGA芯片接收环境光传感器、温度传感器发来的外部环境的温度、照度 信号,并将将接收到的信号代入NIOS软核进行处理;
步骤32: NIOS软核根据设定的模糊控制程序对信号处理,并根据处理结果调整 PWM发生器的输出的占空比,控制PWM发生器产生PWM信号;
步骤33 : PWM发生器在NIOS软核的控制下产生PWM信号,并将其发送给大功率 白光LED驱动电路,改变输出电流的大小,或者直接关闭驱动电路的输出,停止向大功 率白光LED供电;步骤34 :驱动电路根据接收到的PWM信号按照设定的采样周期改变输出电流的大 小,从而调整大功率白光LED输出功率的大小,以此调整大功率白光LED的工作状态。
[0017] 步骤3中所述模糊控制程序为技术程序,由模糊算子,隶属函数,模糊规则, 解模糊算法构成,每一个输入输出值经由隶属函数与一个模糊算子对应,输入值代入设 定的模糊规则推理得到与其对应的输出值的模糊子集,再经由解模糊算法得到对应的输 出值。
[0018] 所述模糊算子的个数依照所述模糊控制方法的精度需要的不同由低到高分为3 个:负,不变,正;或分为5个:负大,负小,不变,正小,正大;或分为7个;负 大,负中,负小,不变,正小,正中,正大。
[0019] 所述隶属函数为B样条隶属函数或高斯隶属函数。
[0020] 所述模糊规则是根据设定的输入输出值的等级数、模糊算子的个数,依照所述 控制器的使用要求设定的与输入输出值对应的模糊算子的对应关系。
[0021] 所述解模糊算法为重心法。
[0022] 步骤3中所述模糊控制程序为技术程序,用以设定系统初值及对系统进行模糊 控制,包括如下内容:
A、分别对外部环境温度、照度设定标准值,温度标准值为25°C,照度标准值为 IOOLx ;
B、设定一个采样周期为10-60分钟;
C、将驱动电路输出电流的变化量分为5-13个等级;
D、将大功率白光LED达到额定最大照度时的电流值的变化量分为5-13个等级;
E:将所述环境光传感器所得的照度与照度标准值的差值,以及照度在采样周期的变 化量的大小分别分为5-13个等级,两者等级数相同,等级越大则所述控制器对外部环境 照度变化的敏感度越高;将上述二值作为输入代入所述模糊控制程序,得到驱动电路输 出电流的变化量作为所述模糊控制程序的输出值。
[0023] F:将所述温度传感器所得的温度与温度标准值的差值,以及温度在采样周期 的变化量的大小分为5-13个等级,两者等级数相同,等级越大则所述控制器对外部环境 温度变化的敏感度越高;将上述二值作为输入代入所述模糊控制程序,得到大功率白光 LED达到额定最大照度时的电流值的变化量作为所述模糊控制程序的输出值。
[0024] 本发明实现了大功率白光LED随外部环境变化智能调节其亮度,适应不同环境 的需要,减少大功率白光LED的能量损耗,控制其工作温度,提高大功率白光LED照明 设备的工作稳定性和灵活性,延长了其使用寿命,使LED在照明领域的优势得以充分体 现。
附图说明
[0025] 图1为本发明的智能控制器的结构示意图; 图2为本发明的控制方法的流程示意图。
[0026] 图3为控制单元控制驱动电路调整大功率白光LED状态的流程示意图。
[0027] 以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的解释说明。具体实施方式
[0028] 如图1所示,本发明的大功率白光LED的智能控制器,包括检测单元和控制单 元两部分。
[0029] 所述检测单元用以采集外部环境数据,并将所获得的数据信号传送给控制单 元;检测单元包括环境光传感器和温度传感器。
[0030] 所述控制单元用以接收检测单元传送的数据信号,并根据接收到的数据信号控 制驱动电路的电流输出,进而控制大功率白光LED的工作状态;控制单元选择FPGA芯 片,FPGA芯片中载有NIOS软核和PWM发生器,并设置了 NIOS软核和PWM发生器 对应的输入输出接口;
所述环境光传感器和温度传感器的输出端分别与FPGA芯片上设置的NIOS软核的输 入接口相连,所述NIOS软核的输出端和PWM发生器相连;所述PWM发生器的输出端 在FPGA芯片上对应的接口与大功率白光LED通过驱动电路相连;
所述驱动电路采用常见的PWM控制式开关驱动电路,其结构主要由输入整流滤波部 分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分构成。此种驱动电路输 出稳定,电能转化效率高,并具有完善的保护措施,属于高可靠性LED驱动电路。
[0031] 所述环境光传感器选用TAOS公司的TSL2561,所述温度传感器选用DS18B20。
[0032] FPGA芯片用来接收检测单元发送的信号,将接收到的信号代入NIOS软核进行 处理;NIOS软核用以搭载模糊控制程序以及传感器和驱动电路的驱动程序,NIOS软核 根据信号处理结果调整PWM发生器输出的占空比,控制PWM发生器产生PWM信号; PWM发生器用以在NIOS软核的控制下产生PWM信号,并将其发送给大功率白光LED 驱动电路,改变输出电流的大小,进而调整大功率白光LED的工作状态。
[0033] 现有的大功率LED控制器仅仅采用环境光传感器或仅仅采用温度传感器来检测 外部环境的变化;而本发明的智能控制器采用两种传感器检测外部环境的变化,综合温 度和照度数据调整大功率白光LED的工作状态,增强了大功率白光LED的环境适用性, 减少能量损耗,同时有效控制其工作温度,延长了 LED的使用寿命。
[0034] 实际应用中,本发明的智能控制器可以设置在恒压驱动电路上,也可以设计成 独立的功能实体与恒压驱动电路连接,然后将恒压驱动电路与大功率白光LED相连接成 为一个整体。
[0035] 如图2所示,本发明的大功率白光LED的智能控制器的控制方法,具体包括如 下步骤:
步骤1 :智能控制器启动,初始化;
步骤2:检测单元的环境光传感器按照规定的采样周期采集外部环境照度信息,同 时,温度传感器按照规定的采样周期采集外部环境温度信息,环境光传感器和温度传感 器分别将采集到的外部环境的照度信息和温度信息发送给控制单元;
步骤3:控制单元在规定的采样周期接收外部环境的温度、照度信息,将接收到的 温度、照度信息进行处理,并依照处理结果控制大功率白光LED的工作状态。
[0036] 如图3所示,步骤3进一步包括如下步骤:
步骤31、控制单元的FPGA芯片接收环境光传感器、温度传感器发来的外部环境的 温度、照度信号,并将将接收到的信号代入NIOS软核进行处理。
7[0037] 步骤32、NIOS软核根据设定的模糊控制程序对信号处理,并根据处理结果调整 PWM发生器的输出的占空比,控制PWM发生器产生PWM信号;
步骤33、PWM发生器在NIOS软核的控制下产生PWM信号,并将其发送给大功率 白光LED驱动电路,改变输出电流的大小,或者直接关闭驱动电路的输出,停止向大功 率白光LED供电。
[0038] 步骤34、驱动电路根据接收到的PWM信号按照设定的采样周期改变输出电流 的大小,从而调整大功率白光LED输出功率的大小,以此调整大功率白光LED的工作状 态。
[0039] NIOS软核中搭载的模糊控制程序为技术程序,由模糊算子,隶属函数,模糊规 则,解模糊算法构成,每一个输入输出值经由隶属函数与一个模糊算子对应,输入值代 入设定的模糊规则推理得到与其对应的输出值的模糊子集,再经由解模糊算法得到对应 的输出值。
[0040] 所述模糊算子的个数依照所述模糊控制程序精度需要的不同由低到高分为3 个:负,不变,正;或分为5个:负大,负小,不变,正小,正大;或分为7个;负 大,负中,负小,不变,正小,正中,正大。所述隶属函数为B样条隶属函数或高斯隶 属函数。所述模糊规则是根据设定的输入输出值的等级数、模糊算子的个数,依照所述 控制器的使用要求设定的与输入输出值对应的模糊算子的对应关系。所述解模糊算法为 重心法。
[0041] NIOS软核中设定的模糊控制程序为技术程序,用以设定系统初值及对系统进行 模糊控制,包括如下内容::
A、分别对外部环境温度、照度设定标准值,温度标准值为大功率白光LED性能测 试中通常使用的标准温度:25V,照度标准值为lOOLx,略高于人类正常阅读所需最低 照度;各项数值视使用环境而定。
[0042] B、设定一个采样周期为10-60分钟,采样周期根据所述控制器对外部环境变化 的反应速度来设定,设定的采样周期越短,反应速度越快;
C、将驱动电路输出电流的变化量分为5-13个等级;
D、将大功率白光LED达到额定最大照度时的电流值的变化量分为5-13个等级;
E:将所述环境光传感器所得的照度与照度标准值的差值,以及照度在采样周期的变 化量的大小分别分为5-13个等级,两者等级数相同,等级越大则所述控制器对外部环境 照度变化的敏感度越高;将上述二值作为输入代入所述模糊控制程序,得到驱动电路输 出电流的变化量作为所述模糊控制程序的输出值。
[0043] F:将所述温度传感器所得的温度与温度标准值的差值,以及温度在采样周期 的变化量的大小分为5-13个等级,两者等级数相同,等级越大则所述控制器对外部环境 温度变化的敏感度越高;将上述二值作为输入代入所述模糊控制程序,得到大功率白光 LED达到额定最大照度时的电流值的变化量作为所述模糊控制程序的输出值。
[0044] 以上各项等级根据智能控制器对环境敏感程度的需要来设定。将以上各设定值 以及控制方法编写成计算机程序载入所述NIOS软核,该计算机程序载入NIOS软核后, 如不需要更改,可持续使用,不会随控制器的工作状态改变而被清除,若要更改所述程 序,可在修改后重新加载即可。[0045] 综上所述,本发明实施方式可以对大功率白光LED实现智能控制,能够减少能 量损耗,控制其工作温度,提高大功率LED照明设备的工作稳定性和灵活性,减缓大功 率白光LED照度的衰减,延长使用寿命。
[0046] 以上所述,仅为本发明较具体的实施方案,但本发明的保护范围并不局限于 此,任何熟悉本技术相关领域的专业人员在本发明实施的技术范围内,可轻易想到的变 化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种大功率白光LED的智能控制器,其特征在于:该智能控制器由检测单元和控 制单元组成,其中:所述检测单元用以采集外部环境数据,并将所获得的数据信号传送给控制单元;检 测单元包括环境光传感器和温度传感器;所述控制单元用以接收检测单元传送的数据信号,并根据接收到的数据信号控制驱 动电路的电流输出,进而控制大功率白光LED的工作状态;控制单元选择FPGA芯片, FPGA芯片中载有NIOS软核和PWM发生器,并设置NIOS软核和PWM发生器的输入输 出接口 ;所述环境光传感器和温度传感器的输出端分别与FPGA芯片上设置的NIOS软核的输 入接口相连,所述NIOS软核的输出端和PWM发生器相连;所述PWM发生器的输出端 在FPGA芯片上对应的接口与大功率白光LED通过驱动电路相连;FPGA芯片用来接收检测单元发送的信号,将接收到的信号代入NIOS软核进行处 理;NIOS软核用以搭载模糊控制程序以及传感器和驱动电路的驱动程序,NIOS软核根 据信号处理结果调整PWM发生器输出的占空比,控制PWM发生器产生PWM信号; PWM发生器用以在NIOS软核的控制下产生PWM信号,并将其发送给大功率白光LED 的驱动电路,改变输出电流的大小,进而调整大功率白光LED的工作状态。
2.如权利要求1所述的大功率白光LED的智能控制器,其特征在于,所述驱动电路 为恒压驱动电路。
3.如权利要求1所述的大功率白光LED的智能控制器,其特征在于,所述环境光传 感器选用TSL2561。
4.如权利要求1所述的大功率白光LED的智能控制器,其特征在于,所述温度传感 器选用DS18B20。
5.权利要求1所述的大功率白光LED的智能控制器的控制方法,其特征在于,具体 包括如下步骤:步骤1 :智能控制器启动,初始化;步骤2:检测单元的环境光传感器按照规定的采样周期采集外部环境照度信息,同 时,温度传感器按照规定的采样周期采集外部环境温度信息,环境光传感器和温度传感 器分别将采集到的外部环境的照度信息和温度信息发送给控制单元;步骤3:控制单元在规定的采样周期接收外部环境的温度、照度信息,将接收到的 温度、照度信息进行处理,并依照处理结果控制大功率白光LED的工作状态。
6.如权利要求5所述的控制方法,其特征在于,所述步骤3进一步包括如下步骤:步骤31: FPGA芯片接收环境光传感器、温度传感器发来的外部环境的温度、照度信号,并将接收到的信号代入NIOS软核进行处理;步骤32: NIOS软核根据设定的模糊控制程序对信号进行处理,并根据处理结果调整 PWM发生器的输出的占空比,控制PWM发生器产生PWM信号;步骤33: PWM发生器在NIOS软核的控制下产生PWM信号,并将其发送给大功率 白光LED驱动电路,改变输出电流的大小,或者直接关闭驱动电路的输出,停止向大功 率白光LED供电;步骤34、驱动电路根据接收到的PWM信号按照设定的采样周期改变输出电流的大小,从而调整大功率白光LED输出功率的大小,以此调整大功率白光LED的工作状态。
7.如权利要求6所述的控制方法,其特征在于,步骤3中所述的模糊控制程序为技术 程序,该技术程序由模糊算子,隶属函数,模糊规则,解模糊算法构成,每一个输入输 出值经由隶属函数与一个模糊算子对应,输入值代入设定的模糊规则推理得到与其对应 的输出值的模糊子集,再经由解模糊算法得到对应的输出值;其中:所述模糊算子的个数依照所述模糊控制程序精度需要的不同由低到高分为3个: 负,不变,正;或分为5个:负大,负小,不变,正小,正大;或分为7个;负大,负 中,负小,不变,正小,正中,正大;所述隶属函数为B样条隶属函数或高斯隶属函数;所述模糊规则是根据设定的输入输出值的等级数、模糊算子的个数,依照所述控制 器的使用要求设定的与输入输出值对应的模糊算子的对应关系;所述解模糊算法采用重心法。
8.如权利要求7所述的控制方法,其特征在于,所述模糊控制程序用以设定系统初值 及对系统进行模糊控制,包括如下内容:A、分别对外部环境温度、照度设定标准值,温度标准值为25°C,照度标准值为 IOOLx ;B、设定一个采样周期为10-60分钟;C、将驱动电路输出电流的变化量分为5-13个等级;D、将大功率白光LED达到额定最大照度时的电流值的变化量分为5-13个等级;E:将所述环境光传感器所得的照度与照度标准值的差值,以及照度在采样周期的变 化量的大小分别分为5-13个等级,两者等级数相同,等级越大则所述控制器对外部环境 照度变化的敏感度越高;将上述二值作为输入代入所述模糊控制程序,得到驱动电路输 出电流的变化量作为所述模糊控制程序的输出值;F:将所述温度传感器所得的温度与温度标准值的差值,以及温度在采样周期的变化 量的大小分为5-13个等级,两者等级数相同,等级越大则所述控制器对外部环境温度变 化的敏感度越高;将上述二值作为输入代入所述模糊控制程序,得到大功率白光LED达 到额定最大照度时的电流值的变化量作为所述模糊控制程序的输出值。
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