CN102374510A - 一种辐射光谱稳定的led光源及其控制装置 - Google Patents

Abstract

一种辐射光谱稳定的LED光源包括LED芯片、铝基板、铝散热片、温度传感器、半导体制冷片和风扇，将LED芯片焊接在LED铝基板上，用导热硅胶将铝基板与铝散热片紧密相贴，在铝散热片上打孔，将温度传感器塞入孔内，引出温度传感器导线后用导热硅胶将孔密封，用导热硅胶将铝散热片的另一面贴在半导体制冷片上，半导体制冷片的另一面再与另一个装有风扇的铝散热片相贴；LED光源控制装置以单片机为控制核心，采用了半导体制冷片作为控温元件，半导体制冷片的工作电流由电流负反馈构成的恒流源电路提供，恒流源输出电流大小由单片机进行PID运算后的结果控制D/A转换器输出的电压来控制。本发明用于开放光路污染气体光谱探测系统中，为测量系统的浓度反演提供稳定光谱。

Description

一种辐射光谱稳定的LED光源及其控制装置

技术领域

本发明涉及一种LED光源及其控制装置，更具体地说是一种适于用于开放光路污染气体光谱探测系统中使用的辐射光谱稳定的LED光源及其控制装置。

背景技术

开放光路污染气体光谱探测技术是利用吸收分子在紫外到可见波段的特征吸收来研究大气层(平流层、对流层)中痕量气体成分的一种光学方法，通过长光程吸收可以测量到浓度很低的气体成分。这种气体浓度探测技术可以用自然光作为光源，例如太阳光、月光和星光，也可以利用人工光源作光源，典型的光源是氙弧灯。氙弧灯是宽带的热光源，波段覆盖紫外、可见到近红外，不仅光强大，而且发光点小，特别适于耦合到光学系统。然而，氙弧灯也有不足之处，主要有：(1)氙弧灯不仅发出连续的热光谱，还发出一些离散原子吸收线，在气体浓度反演时会引入干扰；(2)氙弧灯是热光源，只有很小一部分转化为光被利用，大部分被转化为热而浪费掉。为了获得足够的光度，一般功耗需要数百瓦；(3)维护费用高。氙弧灯典型寿命为200-3000小时，连续工作寿命只有几到十几周；(4)氙气电离需要20KV到30KV的高压，这样会带来潜在的冲击波，影响其它电子设备的正常工作；(5)灯泡里面充满高压气体，灯的爆炸时有发生，如果处理不当，有一定危险性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种辐射光谱稳定的LED光源及其控制装置，采用LED芯片作为发光器件，可以降低功耗、缩小光源体积，而且使用寿命长、安全可靠；配套的控制装置实现LED恒流供电和恒温工作，保证LED光源辐射出稳定的光谱，以便进行正确的气体浓度反演。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种辐射光谱稳定的LED光源，所述的LED光源由LED芯片、铝基板、铝散热片、温度传感器、半导体制冷片和风扇等部件构成，光源具体的组装过程为：将LED芯片焊接在LED铝基板上，用导热硅胶将铝基板与铝散热片紧密相贴，在铝散热片上打一小孔，将温度传感器塞入孔内，引出温度传感器导线后用导热硅胶将孔密封。用导热硅胶将铝散热片的另一面贴在半导体制冷片上，半导体制冷片的另一面再与另一个装有风扇的铝散热片相贴，同样也用导热硅胶固定。

一种辐射光谱稳定的LED光源控制装置，包括单片机C8051F021、LED恒流源及限流保护电路、半导体制冷片恒流源及限流保护电路、温度采集电路、电源变换电路、RS-232通信接口电路、EEPROM存储电路、LCD显示电路、键盘接口电路、时钟电路以及复位电路；单片机，负责整个系统的控制功能，协调各个部分工作，完成温度采样、温度控制PID运算；PID算法运算是计算LED光源设定温度与实际温度的差值，作为PID算法的比例项；计算差值的累加和，作为PID算法的积分项；计算上次差值与本次差值的差值，作为PID算法的微分项，比例项、积分项、微分项乘上各自的系数后相加作为PID算法结果，单片机根据PID算法运算结果控制D/A转换器输出的模拟电压，来控制半导体制冷片恒流源输出电流值，从而控制LED光源温度；

LED恒流源及限流保护电路，用于提供辐射光谱稳定的LED光源在0～2500mA范围内恒定的工作电流，所述LED恒流源带有限流保护电路，当辐射光谱稳定的LED光源输出的电流由于某种原因而超过设定范围时，LED恒流源输出电流值会限制在给定上限，从而保护辐射光谱稳定的LED光源因过流而损坏；LED恒流源输出电流值的大小可以设定，由单片机控制其中的D/A转换器输出的模拟电压来控制；

半导体制冷片恒流源及限流保护电路，用于提供辐射光谱稳定的LED光源中半导体制冷片0～5000mA的工作电流，所述半导体制冷片恒流源还有限流保护电路，半导体制冷片恒流源输出电流值的大小是由单片机进行温度控制PID运算后来决定的，根据PID运算结果单片机控制其中的D/A转换器输出模拟电压来控制；

温度采集电路，用于将LED光源温度、环境温度转换成电压信号供单片机采样；

电源变换电路，用于将输入的12V直流电压源变换成3.3V、5V和±12V，分别给单片机及其外围电路供电；

RS-232通信接口电路，用于实现将LED光源温度数据上传到监控计算机上，以便后台处理；

EEPROM存储电路，用于存储系统上次关机时的LED工作电流和工作温度，系统每次重启时，LED默认的工作电流和工作温度都以上次为准，也可通过按键进行修改；

LCD显示电路，用于LED光源控制装置的参数，包括显示LED恒流源输出电流设定值和实际值、LED温度设定值和实际值，以及环境温度值；

键盘接口电路，用于连接5个操作按键，以供单片机识别；

时钟电路，产生22.1184MHz脉冲信号，用作单片机的工作时钟；

复位电路，用于保证LED光源控制装置启动时能正常复位，从而使其从一个确定的状态开始运行；

所述单片机上电启动时，首先通过总线接口访问EEPROM存储器，从中读取上次系统工作时的LED电流设定值和温度设定值，再根据LED电流设定值控制其D/A转换器输出相应的电压，从而控制输出相应的电流；然后单片机通过其A/D转换器分别采集LED光源的实际温度和环境温度，计算LED光源设定温度与实际温度的偏差，作为PID算法的输入，并结合环境温度值更新PID算法输出，根据PID输出控制其D/A转换器输出相应的电压，从而控制输出相应的电流；同时，单片机还通过键盘接口电路监控5个按键K1～K5，并结合LCD显示电路，完成LED光源工作电流和工作温度的设定操作。

本发明与已有技术相比的优点在于：

(1)本发明LED芯片作为发光器件，通过与其它部件的连接，可以降低功耗、缩小光源体积，安全可靠，非常适用于便携式光谱测量系统。而且由于光源的LED材料是半导体，工作电压低，不会对人身安全造成威胁，而且使用寿命长，不需要维护。

(2)本发明的LED光源属于冷光源，发光效率高，功耗低。辐射光谱中没有离散原子吸收线，不会对气体浓度反演造成干扰。

(3)本发明LED光源供电装置无需上千伏的高压，不会对其它电子电路产生冲击和电磁辐射。

(4)本发明LED光源控制装置实现了LED恒流供电和恒温工作，保证LED光源辐射出稳定的光谱，以便进行正确的气体浓度反演。

(5)本发明LED光源控制装置驱动LED电流的大小在给定范围内可任意设定，因此光源的发光强度是可调的，这为系统的测量与调试带来了很大的方便。

附图说明

图1为本发明的辐射光谱稳定的LED光源组成框图；

图2为本发明的辐射光谱稳定的LED光源控制装置电路组成框图；

图3a、图3b和图3c为本发明的辐射光谱稳定的LED光源控制装置电路原理图；

图4为本发明的单片机实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明辐射光谱稳定的LED光源组成包括矩形LED芯片、LED铝基板、铝散热片、温度传感器Pt1000、半导体制冷片和风扇；光源具体的组装过程为：将LED芯片焊接在LED铝基板上，用导热硅胶将铝基板与铝散热片紧密相贴，在铝散热片上打一小孔，将温度传感器塞入孔内，引出温度传感器导线后用导热硅胶将孔密封。用导热硅胶将铝散热片的另一面贴在半导体制冷片上，半导体制冷片的另一面再与另一个装有风扇的铝散热片相贴，同样也用导热硅胶固定。

如图2所示，本发明辐射光谱稳定的LED光源控制装置电路组成包括单片机C8051F021、LED恒流源及限流保护电路、半导体制冷片恒流源及限流保护电路、温度采集电路、电源变换电路、RS-232通信接口电路、EEPROM存储电路、LCD显示电路、键盘接口电路、时钟电路以及复位电路，其中：

单片机C8051F021负责整个系统的控制功能，协调各个部分工作。单片机使用其内部集成的多通道A/D转换器，对温度采集电路输出的电压信号进行A/D转换，转换后的数字量经修正后得到温度值。单片机计算LED光源设定温度与实际温度的差值，作为PID算法的比例项；计算差值的累加和，作为PID算法的积分项；计算上次差值与本次差值的差值，作为PID算法的微分项，比例项、积分项、微分项乘上各自的系数后相加作为PID算法结果，单片机根据PID运算结果控制D/A转换器DAC0输出的模拟电压，来控制半导体制冷片恒流源输出电流值，从而控制LED光源温度。

LED恒流源及限流保护电路用于提供LED在0～2500mA范围内恒定的工作电流，而且该恒流源具有限流保护功能，当恒流源输出的电流由于某种原因而超过给定范围时，输出电流值会限制在给定上限，从而保护LED因过流而损坏。该恒流源输出电流值的大小由按键设定，根据按键设定结果控制D/A转换器DAC1输出的模拟电压，来控制该恒流源输出电流值；

半导体制冷片恒流源及限流保护电路用于提供半导体制冷片0～5000mA的工作电流，该恒流源同样具有限流保护功能。与LED恒流源不同，半导体制冷片恒流源输出电流值的大小是由单片机C8051F021进行温度控制PID运算后来决定的，PID运算结果控制D/A转换器DAC0输出的模拟电压，来控制该恒流源输出电流值；

温度采集电路用于将LED温度、环境温度转换成电压信号供单片机C8051F021采样；

电源变换电路用于将系统输入的12V直流电压源变换成3.3V、5V和±12V，分别给单片机及其外围电路以及运算放大器供电；

RS-232通信接口电路用于实现将LED温度数据上传到监控计算机上，以便后台处理；

EEPROM存储电路用于存储系统上次关机时的LED工作电流和工作温度，系统每次重启时，LED默认的工作电流和工作温度都以上次为准，也可通过按键进行修改；

LCD显示电路用于显示系统参数，显示内容包括LED恒流源输出电流设定值和实际值、LED温度设定值和实际值，以及环境温度值等；

键盘接口电路用于连接系统的5个操作按键，以供单片机C8051F021识别；

时钟电路产生22.1184MHz脉冲信号，用作单片机C8051F021的工作时钟；

复位电路用于保证LED光源控制装置启动时能正常复位，从而使其从一个确定的状态开始运行。

如图4所示，本单片机C8051F021负责整个系统的控制功能，协调各个部分工作。系统上电或复位时，首先进行初始化操作，主要包括C8051F021工作时钟、I/O接口、A/D、D/A、IIC接口以及LCD显示等初始化操作。系统初始化之后，单片机从EEPROM中读取上次系统关机时的LED工作电流和工作温度，根据LED工作电流并启动DAC1进行D/A转换，使LED恒流源输出所需的电流，点亮LED。接下来进入恒温循环控制环节，将LED设定温度与实际温度的差值作为PID算法的输入，PID算法的输出作为DAC0待转换的数字量，更新的DAC0输出将改变半导体制冷片的制冷效果，从而影响LED光源的实际温度，然后再次进行PID算法运算，重复上述过程，最终使LED光源温度控制在设定值附近。在整个温度循环控制过程中，若有按键按下，则进行按键处理。

具体实施中的电路结构如图3a，3b，3c所示，包括：

将光源LED的正极接端子J2的1脚，负极接J2的2脚；半导体制冷片的正极接端子J1的1脚，负极接J1的2脚；在LED光源上安装的温度传感器的两个接线端接到端子J7上；LED光源上的风扇电源线接到端子J9或J10；将用于测环境温度的温度传感器PT1000的两个接线端接到端子J13上。

C8051F021单片机U8上电启动时，首先通过P0.2、P0.3引脚的IIC总线接口访问EEPROM存储器U9，从中读取上次系统工作时的LED电流设定值和温度设定值，接下来根据LED电流设定值控制其引脚DAC1输出相应的电压，此电压信号连接到运算放大器U2A的2脚，从而控制端子J2输出相应的电流。然后，U8通过其A/D通道AIN0.4和AIN0.5分别采集LED实际温度和环境温度，计算LED设定温度与实际温度的偏差，作为PID算法的输入，并结合环境温度值更新PID算法输出，根据PID输出控制U8引脚DAC0输出相应的电压，从而控制端子J1输出相应的电流。同时，U8还监控系统的5个按键K1～K5，并结合LCD显示器件SO12864-13A(J6)，完成LED工作电流和工作温度的设定操作。

LED恒流源电路由运算放大器U2A、电阻R13、R14、MOS管Q2、康铜丝电阻R8、电位器W3、电阻R9、运算放大器U2B等组成，这些器件构成一个电流负反馈电路，电流从端子J2输出，电流方向为J2的1脚流向2脚。一旦单片机U8给U2A的2脚电压不变，J2输出的电流就保持恒定；LED限流保护电路由运算放大器U2C、电阻R32、R33、电位器W6、电压基准源Q7、电阻R34和三极管Q8组成。当端子J2输出的电流大于2500mA时，运算放大器U2B的5脚输入电压会高于0.25V，经U2B和U2C放大后使Q7的1脚和2脚之间的电压高于2.5V，这时R34两端就会有电流流过，Q8饱和导通，使得MOS管Q2的栅极G2电位钳在12V左右，因此Q2截止。而当J2输出电流低于2500mA时，Q8截止，Q2又可以正常工作。运算放大器U2B的7脚输出经电位器W4和电阻R12分压后，送入单片机U8的A/D通道AIN0.1，供U8采样，便可知道端子J2实际输出电流的大小。

半导体制冷片恒流源电路由运算放大器U1A、电阻R6、R7、MOS管Q1、康铜丝电阻R1、电位器W1、电阻R2、运算放大器U1B等组成，这些器件构成一个电流负反馈电路，电流从端子J1输出，电流方向为J1的1脚流向2脚。半导体制冷片限流保护电路由运算放大器U1C、电阻R29、R30、电位器W5、电压基准源Q5、电阻R31和三极管Q6组成。当端子J1输出的电流大于5000mA时，运算放大器U1B的5脚输入电压会高于0.5V，经U1B和U1C放大后使Q5的1脚和2脚之间的电压高于2.5V，这时R31两端就会有电流流过，Q6饱和导通，使得MOS管Q1的栅极G1电位钳在12V左右，因此Q1截止。而当J1输出电流低于5000mA时，Q6截止，Q1又可以正常工作。运算放大器U1B的7脚输出经电位器W2和电阻R5分压后，送入单片机U8的A/D通道AIN0.0，供U8采样，便可知道端子J1实际输出电流的大小。

温度采集电路有两组，一组用于LED温度采集，另一组用于环境温度采集。两组电路结构与参数完全一样。LED温度采集电路由电压基准源Q4、电容C53和R19构成的2.5V基准电压源电路、电阻R20、R21、R22和J7(Pt1000)构成的桥式电路、电阻R23、R24、R25、R26和运算放大器U11A构成的差分放大电路、R27、C54、R28、C31构成的低通滤波电路以及电压跟随器U11B组成。LED温度信号通过桥式电路变成电压信号，经差分放大并低通滤波后，再经电压跟随器输出后送入单片机U8的AIN0.4引脚进行A/D转换；环境温度采集电路由电压基准源Q9、电容C48和R37构成的2.5V基准电压源电路、电阻R38、R39、R40和J13(Pt1000)构成的桥式电路、电阻R41、R42、R43、R44和运算放大器U12A构成的差分放大电路、R45、C 51、R46、C52构成的低通滤波电路以及电压跟随器U12B组成。LED温度信号通过桥式电路变成电压信号，经差分放大并低通滤波后，再经电压跟随器输出后送入单片机U8的AIN0.5引脚进行A/D转换。

电源变换电路有五组。DC/DC变换器U3、电容C43、C44组成12V转±12V电路，电源输出给运算放大器供电；DC/DC变换器U4、电容C45、C46组成12V转5V电路，电源输出给5V数字电路供电；DC/DC变换器U5、电容C47组成5V转5V电路，电源输出给5V模拟电路供电；低压差三端稳压器U6、电容C13、C14、C15、C16组成5V转3.3V电路，输出电源给3.3V数字电路供电，发光二极管D1和电阻RS1构成该路电源工作指示电路；低压差三端稳压器U7、电容C13、C18、C19、C20组成5V转3.3V电路，输出电源给3.3V模拟电路供电，发光二极管D2和电阻RS2构成该路电源工作指示电路。

RS-232通信接口电路由电平转换芯片U10、电容C9、C10、C11、C12、串口接头J4组成。

EEPROM存储电路由EEPROM存储器芯片AT24C02即U9组成，单片机U8通过其IIC总线引脚P0.3(SCL)和P0.2(SDA)对U9进行访问，用于存储LED工作电流和温度值。

LCD显示电路由排阻RR1、电阻rr4、及LCD显示屏SO12864-13A(J6)组成。采用串行数据方式对LCD进行控制，单片机U8的引脚P3.0用于产生LCD的CLK、引脚P3.1用于产生串行数据、引脚P3.2用于选中LCD、引脚P3.3用于产生LCD的复位信号、引脚P3.4用于产生LCD的数据/命令寄存器选择信号。

键盘接口电路由排阻RR2、RR3、以及系统的5个按键K1～K5组成。当按键断开时，连接相应按键的连线上的电平状态为高电平，当按键闭合时，连接相应按键的连线上的电平状态为低电平，这些高或低电平信号进入U8的P2.0～P2.4引脚，供U8读取。

时钟电路由电容C29、C30、晶体振荡器OS1组成，该电路与单片机U8的内部振荡电路相连，产生22.1184MHz脉冲信号，作为U8的工作时钟。

复位电路由按键K0、电阻R35、R36和电容C34组成。R35和C34构成上电复位，K0和R36构成手动复位。

此外，2.5V电压基准芯片LM336(Q3)、电阻R16、电容C24、C25构成2.5V基准电压输出输出，2.5V输出电压作为单片机U8的A/D转换器和D/A转换器的参考电压。

系统按键操作举例如下：

1、硬件复位

按下按键K0，此时单片机U8重新启动，即从初始状态重新运行程序，当系统出现死机情况或运行不正常时，可以使用按键K0。

2、LED工作参数设定

利用按键K1、K2、K3、K4和LCD显示菜单相结合，实现LED工作参数的设定。

(1)LED工作电流设定

按下参数设置键K1直到光标在LED电流值设定处闪烁，根据光标的位置选择设置电流值的千、百、十、个位的一位，然后通过参数增加键K2或参数减少键K3来进行所选择位的增加或减少，设定好后按确认/返回键K4，确认所设定的LED电流大小并返回到工作画面，这时光标消失，LED就以新的电流大小开始工作。在设定的过程中也可按取消/返回键K5，则此次设定无效，LED工作电流保持不变，LCD回到工作画面，光标消失。

(2)LED工作温度设定

按下参数设置键K1直到光标在LED温度值设定处闪烁，根据光标的位置选择设置温度值的十、个位的一位，然后通过参数增加键K2或参数减少键K3来进行所选择位的增加或减少，设定好后按确认/返回键K4，确认所设定的LED温度大小并返回到工作画面，这时光标消失。在设定的过程中也可按取消/返回键K5，则此次设定无效，LED工作温度保持不变，LCD回到工作画面，光标消失。

Claims (4)

1.一种辐射光谱稳定的LED光源，其特征在于：所述的LED光源由LED芯片、铝基板、铝散热片、温度传感器、半导体制冷片和风扇构成；LED芯片焊接在LED铝基板上，用导热硅胶将铝基板与铝散热片紧密相贴，在铝散热片上打孔，将温度传感器塞入孔内，引出温度传感器导线后用导热硅胶将孔密封；用导热硅胶将铝散热片的另一面贴在半导体制冷片上，半导体制冷片的另一面再与另一个装有风扇的铝散热片相贴，然后再用导热硅胶固定。

2.一种辐射光谱稳定的LED光源控制装置，其特征在于包括：辐射光谱稳定的LED光源、单片机、LED恒流源及限流保护电路、半导体制冷片恒流源及限流保护电路、温度采集电路、电源变换电路、RS-232通信接口电路、EEPROM存储电路、LCD显示电路、键盘接口电路、时钟电路以及复位电路；其中：

单片机，负责整个系统的控制功能，协调各个部分工作，完成温度采样、温度控制PID算法运算，根据PID算法运算结果控制D/A转换器输出的模拟电压，来控制半导体制冷片恒流源输出电流值，从而控制LED光源温度；

LED恒流源及限流保护电路，用于提供辐射光谱稳定的LED光源在0～2500mA范围内恒定的工作电流，所述LED恒流源带有限流保护电路，当辐射光谱稳定的LED光源输出的电流由于某种原因而超过设定范围时，LED恒流源输出电流值会限制在给定上限，从而保护辐射光谱稳定的LED光源因过流而损坏；LED恒流源输出电流值的大小可以设定，由单片机控制其中的D/A转换器输出的模拟电压来控制；

半导体制冷片恒流源及限流保护电路，用于提供辐射光谱稳定的LED光源中半导体制冷片0～5000mA的工作电流，所述半导体制冷片恒流源还有限流保护电路，半导体制冷片恒流源输出电流值的大小是由单片机进行温度控制PID运算后来决定的，根据PID运算结果单片机控制其中的D/A转换器输出模拟电压来控制；

温度采集电路，用于将LED光源温度、环境温度转换成电压信号供单片机采样；

电源变换电路，用于将输入的12V直流电压源变换成3.3V、5V和±12V，分别给单片机及其外围电路供电；

RS-232通信接口电路，用于实现将LED光源温度数据上传到监控计算机上，以便后台处理；

EEPROM存储电路，用于存储系统上次关机时的LED工作电流和工作温度，系统每次重启时，LED默认的工作电流和工作温度都以上次为准，也可通过按键进行修改；

LCD显示电路，用于LED光源控制装置的参数，包括显示LED恒流源输出电流设定值和实际值、LED温度设定值和实际值，以及环境温度值；

键盘接口电路，用于连接5个操作按键，以供单片机识别；

时钟电路，产生22.1184MHz脉冲信号，用作单片机的工作时钟；

复位电路，用于保证LED光源控制装置启动时能正常复位，从而使其从一个确定的状态开始运行；

所述单片机上电启动时，首先通过总线接口访问EEPROM存储器，从中读取上次系统工作时的LED电流设定值和温度设定值，再根据LED电流设定值控制其D/A转换器输出相应的电压，从而控制输出相应的电流；然后单片机通过其A/D转换器分别采集LED光源的实际温度和环境温度，计算LED光源设定温度与实际温度的偏差，作为PID算法的输入，并结合环境温度值更新PID算法输出，根据PID输出控制其D/A转换器输出相应的电压，从而控制输出相应的电流；同时，单片机还通过键盘接口电路监控5个按键K1～K5，并结合LCD显示电路，完成LED光源工作电流和工作温度的设定操作。

3.根据权利要求2所述的辐射光谱稳定的LED光源控制装置，其特征在于：所述PID算法是将LED光源设定温度与实际温度的差值作为PID算法的比例项，差值的累加作为PID算法的积分项，上次差值与本次差值的差值作为PID算法的微分项，比例项、积分项、微分项乘上各自的系数后相加就是PID算法结果。

4.根据权利要求2所述的辐射光谱稳定的LED光源控制装置，其特征在于：所述LED恒流源采用电流负反馈电路。

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