CN103698282A

CN103698282A - 一种用于作物生长信息监测的调制led光源驱动电路

Info

Publication number: CN103698282A
Application number: CN201310718422.8A
Authority: CN
Inventors: 曹卫星; 倪军; 卢少林; 朱艳; 姚霞
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103698282B

Abstract

一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是包括PWM信号发生电路、多路开关控制电路、第一恒流驱动电路、第二恒流驱动电路、过温报警电路、两路LED负载阵列和逻辑与门（1），PWM信号发生电路输出端连接多路开关控制电路第一控制端、第二控制端和第三控制端，多路开光控制电路第一输入端、第二输入端接电源（E）正极，多路开关控制电路第一输出端、第二输出端分别与第一恒流驱动电路的控制端和第二恒流驱动电路的控制端连接。本发明电路具有外接元器件少、稳定性好、能耗低、驱动能力强、输出光谱信号强度可调等优点，可有效应用于基于主动光源的作物生长信息无损监测仪的光源系统。

Description

一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路

技术领域

本发明属于作物生长信息智能检测领域，特别是一种基于主动光源的用于作物生长信息监测的调制、恒流、双路LED光源驱动电路。本发明专用于农田作物生长信息的实时、快速、无损获取。具体涉及一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路。

背景技术

作物生长信息的快速、准确、无损获取，为作物生产的精确管理调控提供数据支撑，对数字农作技术的进一步发展起着关键性的作用。基于作物冠层反射光谱的作物无损监测技术是实现作物生长信息快速、准确、无损获取的重要手段。

基于作物冠层反射光谱的无损监测技术主要有基于被动光源和基于主动光源两种方式。基于被动光源方式的无损监测方法具有结构简单、操作方便等优点，但由于其采用日光作为光源,监测结果容易受环境因素影响，具有监测可靠性差、稳定性差等缺点；基于主动光源方式的无损监测方法具有监测结果可靠性好、稳定性好、监测结果不受环境因素影响、具有全天候监测等优点。基于调制光源的无损监测技术是现有基于主动光源方式的无损监测方法主要实现方式。中国专利201210554515.7公开了一种基于主动光源的便携式作物生长信息监测仪的装置，提出了采用LED光谱调制技术对作物生长信息进行实时监测的方法，但未见其关于调制光源驱动电路设计的相关报道；中国专利201310180901.9公开了一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法，提出了一种LED光源装置的结构，但未见其关于光源驱动电路的相关报道。

调制光源驱动电路的设计是基于调制光源的作物生长信息无损监测装置的关键技术。在基于调制光源的作物生长信息无损监测装置的设计中，特定中心波长LED发射光光谱信号的稳定性好坏直接决定整个监测装置的监测精度和准确性，不能采用简单的恒压光源驱动电路。需要设计一款驱动能力强、恒流控制、稳定性好的调制LED光源驱动电路，为后级作物冠层反射光谱的获取提供稳定的入射光谱信号。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种稳定性好、恒流控制、温度监控的用于作物生长信息监测的双路调制LED光源驱动电路，为基于主动光源的作物生长信息无损监测仪的实现提供了方法，实现大田环境下低成本、高可靠性、简便操作的获取作物生长信息。

本发明的技术方案如下：

一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是包括PWM信号发生电路、多路开关控制电路、第一恒流驱动电路、第二恒流驱动电路、过温报警电路、两路LED负载阵列和逻辑与门1；PWM信号发生电路输出端连接多路开关控制电路第一控制端、第二控制端和第三控制端，多路开光控制电路第一输入端、第二输入端接电源E正极，多路开关控制电路第一输出端、第二输出端分别与第一恒流驱动电路的控制端和第二恒流驱动电路的控制端连接，多路开关控制电路第三输出端连接过温报警电路输入端，两路恒流驱动电路输出端分别与两路LED负载阵列负极端连接，第一恒流驱动电路和第二恒流驱动电路的温度监控端分别通过逻辑与门1与多路开关控制电路第三输入端连接，LED负载阵列的正极端连接LED供电电源正极。

2、根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述PWM信号发生模块包括NE555芯片U1、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电位器RP1；NE555芯片U1第一引脚接地；NE555芯片U1第二引脚与第一电容C1正极端连接，同时第二引脚与第六引脚连接；NE555芯片U1第三引脚为PWM信号发生电路输出端OUT；NE555芯片U1第四引脚与第八引脚接电源E；NE555芯片U1第五引脚与第二电容一端连接；NE555芯片U1第六引脚与第一二极管D1负极端和第二二极管D2正极端连接；NE555芯片U1第七引脚与第一电位器RP1滑动端连接；第一电容C1负极端接地；第二电容C2另一端接地；第一二极管D1正极端与第一电位器RP1滑动端连接；第二二极管D2负极端与第一电位器RP1固定一端连接；第一电位器RP1另一固定端接电源E正极。

3、根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述多路开关控制电路包括第一模拟开关K1、第二模拟开关K2、第三模拟开关K3、第一电阻R1、第二电阻R2；第一模拟开关K1、第二模拟开关K2输入端接电源E正极；第三模拟开关K3输入端接恒流驱动电路温度监控端ALA；第三模拟开关K3输出端接过温保护电路输入端WIN；第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3的控制端分别连接并与PWM信号发生电路输出端OUT连接；第一模拟开关K1输出端与第一电阻R1一端连接；第二模拟开关K2输出端与第二电阻R2一端连接；第一电阻R1另一端、第二电阻R2另一端接地；第一模拟开关K1和第二模拟开关K2的输出端分别接第一恒流驱动电路和第二恒流驱动电路的控制端。

4、根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述恒流驱动电路包括第一恒流驱动电路、第二恒流驱动电路、两输入端与门电路；其中第一恒流驱动电路包括第一DD312芯片U2、第三电阻R3、第四电阻R4；第二恒流驱动电路包括第二DD312芯片U3、第五电阻R5、第六电阻R6；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第一引脚均分别接地；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第二引脚分别为第一恒流驱动电路控和第二恒流驱动电路的控制端，分别接多路开关控制电路的第一模拟开关K1和第二模拟开关K2的输出端；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第三引脚分别接第一LED负载阵列和第二LED负载阵列的负极端；第一DD312芯片U2的第五引脚与第六引脚连接并接第四电阻R4一端；第二DD312芯片U3的第五引脚与第六引脚连接并接第六电阻R6一端；第一DD312芯片U2的第七引脚与第三电阻R3一端连接，同时接逻辑与门A1的第一输入端；第二DD312芯片U2的第七引脚与第五电阻R5一端连接，同时接逻辑与门A1第二输入端；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第八引脚接电源E正极；第三电阻R3另一端、第五电阻R5另一端接电源E正极；第四电阻R4另一端、第五电阻R5另一端接地；两输入逻辑与门A1输出端与多路开关控制电路第三模拟开关K3输入端连接。

5、根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述过温报警电路包括第一PNP三极管Q1、第一蜂鸣器B1、第七电阻R7和第八电阻R8；第一PNP三极管Q1基极与第七电阻R7一端连接，同时接多路开关控制电路第三模拟开关K3输出端；第一PNP三极管Q1发射极接第一蜂鸣器B1负极端；第一PNP三极管Q1集电极接地；第一蜂鸣器B1正极端接第八电阻R8一端；第七电阻R7另一端、第八电阻R8另一端接电源E正极。

本发明的有益效果：

本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路采用555电路构成的PWM信号发生电路，具有输出频率稳定、占空比可调、外部元器件少等优点。

本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路采用模拟开关隔离PWM信号发生电路与恒流驱动电路，能有效去除PWM信号中的不稳定峰值，提高光源输出光谱的稳定性。

本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路采用集成恒流驱动芯片DD312，具有外部电路元件少，驱动能力强、稳定性好等优点。

本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路采用过温报警电路，当驱动电路温度过高时，发出警报提醒切断电源，提高整个系统的安全性。

本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路输出恒定电流调节简便，稳定性好，根据LED阵列所需驱动电流调节外接电阻R4、R6即可。

附图说明

图1为本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路的模块结构图。

图2为本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路的PWM信号发生电路原理图。

图3为本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路的多路开关控制电路原理图。

图4为本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路的恒流驱动电路原理图。

图5为本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路的过温报警电路原理图。

图6为本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路的LED阵列布局图。

具体实施方式

以下结合具体实施方案，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，包括PWM信号发生电路、多路开关控制电路、第一恒流驱动电路、第二恒流驱动电路、过温报警电路、两路LED负载阵列和逻辑与门1；PWM信号发生电路输出端连接多路开关控制电路第一控制端、第二控制端和第三控制端，多路开光控制电路第一输入端、第二输入端接电源E正极，多路开关控制电路第一输出端、第二输出端分别与第一恒流驱动电路的控制端和第二恒流驱动电路的控制端连接，多路开关控制电路第三输出端连接过温报警电路输入端，两路恒流驱动电路输出端分别与两路LED负载阵列负极端连接，第一恒流驱动电路和第二恒流驱动电路的温度监控端分别通过逻辑与门1与多路开关控制电路第三输入端连接，LED负载阵列的正极端连接LED供电电源正极。

如图2所示，所述PWM信号发生模块包括NE555芯片U1、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电位器RP1；NE555芯片U1第一引脚接地；NE555芯片U1第二引脚与第一电容C1正极端连接，同时第二引脚与第六引脚连接；NE555芯片U1第三引脚为PWM信号发生电路输出端OUT；NE555芯片U1第四引脚与第八引脚接电源E；NE555芯片U1第五引脚与第二电容一端连接；NE555芯片U1第六引脚与第一二极管D1负极端和第二二极管D2正极端连接；NE555芯片U1第七引脚与第一电位器RP1滑动端连接；第一电容C1负极端接地；第二电容C2另一端接地；第一二极管D1正极端与第一电位器RP1滑动端连接；第二二极管D2负极端与第一电位器RP1固定一端连接；第一电位器RP1另一固定端接电源E正极。第一电容C1选用0.1uF的电解电容；第二电容C2选用0.1uF的陶瓷电容；第一二极管D1、第二二极管D2选用IN4148；第一电位器RP1选用10KΩ电位器。

如图3所示，所述多路开关控制电路包括第一模拟开关K1、第二模拟开关K2、第三模拟开关K3、第一电阻R1、第二电阻R2；第一模拟开关K1、第二模拟开关K2输入端接电源E正极；第三模拟开关K3输入端接恒流驱动电路温度监控端ALA；第三模拟开关K3输出端接过温保护电路输入端WIN；第一模拟开关K1、第二模拟开关K2和第三模拟开关K3的控制端分别连接并与PWM信号发生电路输出端OUT连接；第一模拟开关K1输出端与第一电阻R1一端连接；第二模拟开关K2输出端与第二电阻R2一端连接；第一电阻R1另一端、第二电阻R2另一端接地；第一模拟开关K1和第二模拟开关K2的输出端分别接第一恒流驱动电路和第二恒流驱动电路的控制端，第一恒流驱动电路和第二恒流驱动电路分别为730nm-con恒流驱动电路和810nm-con恒流驱动电路。

多路控制电路的模拟开关选用四路集成模拟开关CD4066U2；第一电阻R1为100KΩ；第二电阻R2为100KΩ。

如图4所示，所述恒流驱动电路包括第一恒流驱动电路、第二恒流驱动电路、两输入端与门电路；其中第一恒流驱动电路包括第一DD312芯片U2、第三电阻R3、第四电阻R4；第二恒流驱动电路包括第二DD312芯片U3、第五电阻R5、第六电阻R6；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第一引脚均分别接地；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第二引脚分别为第一恒流驱动电路控和第二恒流驱动电路的控制端，分别接多路开关控制电路的第一模拟开关K1和第二模拟开关K2的输出端；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第三引脚分别接第一LED负载阵列和第二LED负载阵列的负极端；第一DD312芯片U2的第五引脚与第六引脚连接并接第四电阻R4一端；第二DD312芯片U3的第五引脚与第六引脚连接并接第六电阻R6一端；第一DD312芯片U2的第七引脚与第三电阻R3一端连接，同时接逻辑与门A1的第一输入端；第二DD312芯片U2的第七引脚与第五电阻R5一端连接，同时接逻辑与门A1第二输入端；第一DD312芯片U2和第二DD312芯片U3各自的第八引脚接电源E正极；第三电阻R3另一端、第五电阻R5另一端接电源E正极；第四电阻R4另一端、第五电阻R5另一端接地；两输入逻辑与门A1输出端与多路开关控制电路第三模拟开关K3输入端连接。

所述逻辑与门A1选用四路集成逻辑与门芯片74LS08；第三电阻R3为10KΩ；第五电阻R5为10KΩ。

如图5所示，所述过温报警电路包括第一PNP三极管Q1、第一蜂鸣器B1、第七电阻R7和第八电阻R8；第一PNP三极管Q1基极与第七电阻R7一端连接，同时接多路开关控制电路第三模拟开关K3输出端；第一PNP三极管Q1发射极接第一蜂鸣器B1负极端；第一PNP三极管Q1集电极接地；第一蜂鸣器B1正极端接第八电阻R8一端；第七电阻R7另一端、第八电阻R8另一端接电源E正极。

第一PNP三极管Q1选用9012;第一蜂鸣器B1选用微型蜂鸣器；第七电阻R7为10KΩ；第八电阻R8为1KΩ。

如图6所示，所述LED负载阵列包括中心波长为730nm和中心波长为810nm两种LED阵列，两种阵列的结构相同，均为3行4列结构。其中730nm LED阵列负极端接第一恒流驱动电路输出端730nm-out；810nm LED阵列负极端接第二恒流驱动电路输出端810nm-out；LED负载阵列正极端接LED供电电源正极端V-led。730nm LED阵列和810nm LED阵列都采用3只LED串联,再4列并联的结构；选用730nm LED额定电压为2V，额定电流为20mA；选用810nm LED额定电压为2V,额定电流为50mA。

根据上述横流驱动电路和LED负载阵列结构，第四电阻R4为6Ω；第六电阻R6为2Ω。

本发明电路的工作原理如下：由NE555为核心芯片构成的PWM信号发生电路，根据电容C1、电容C2，二极管D1、二极管D2和电位器RP1，产生频率固定为1KHz，占空比可调的PWM信号。PWM信号发生电路产生的PWM信号不能直接驱动DD312芯片，需要通过模拟开关输出能驱动DD312芯片的PWM信号，控制DD312芯片输出端恒定电流的有和无，从而实现光谱信号的调制。两路恒流驱动电路的DD312芯片温度监控端通过与门连接到模拟开关输出电路，当有一路或两路驱动电路DD312芯片温度过高，模拟开关控制过温报警电路发出1KHz鸣叫，实现驱动电路过温监控。根据外接LED阵列串联LED的数量，确定LED驱动电源的电压值；根据外接LED阵列并联LED的数量，确定恒流驱动电路的电阻R4和电阻R6的值。

本发明电路具有外接元器件少、稳定性好、能耗低、驱动能力强、输出光谱信号强度可调等优点，可有效应用于基于主动光源的作物生长信息无损监测仪的光源系统。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims

1.一种用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是包括PWM信号发生电路、多路开关控制电路、第一恒流驱动电路、第二恒流驱动电路、过温报警电路、两路LED负载阵列和逻辑与门（1）；PWM信号发生电路输出端连接多路开关控制电路第一控制端、第二控制端和第三控制端，多路开光控制电路第一输入端、第二输入端接电源（E）正极，多路开关控制电路第一输出端、第二输出端分别与第一恒流驱动电路的控制端和第二恒流驱动电路的控制端连接，多路开关控制电路第三输出端连接过温报警电路输入端，两路恒流驱动电路输出端分别与两路LED负载阵列负极端连接，第一恒流驱动电路和第二恒流驱动电路的温度监控端分别通过逻辑与门（1）与多路开关控制电路第三输入端连接，LED负载阵列的正极端连接LED供电电源正极。

2.根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述PWM信号发生模块包括NE555芯片（U1）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）和第一电位器（RP1）；NE555芯片（U1）第一引脚接地；NE555芯片（U1）第二引脚与第一电容（C1）正极端连接，同时第二引脚与第六引脚连接；NE555芯片（U1）第三引脚为PWM信号发生电路输出端（OUT）；NE555芯片（U1）第四引脚与第八引脚接电源（E）；NE555芯片（U1）第五引脚与第二电容一端连接；NE555芯片（U1）第六引脚与第一二极管（D1）负极端和第二二极管（D2）正极端连接；NE555芯片（U1）第七引脚与第一电位器（RP1）滑动端连接；第一电容C1负极端接地；第二电容C2另一端接地；第一二极管（D1）正极端与第一电位器（RP1）滑动端连接；第二二极管（D2）负极端与第一电位器（RP1）固定一端连接；第一电位器（RP1）另一固定端接电源（E）正极。

3.根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述多路开关控制电路包括第一模拟开关（K1）、第二模拟开关（K2）、第三模拟开关（K3）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）；第一模拟开关（K1）、第二模拟开关K2输入端接电源（E）正极；第三模拟开关（K3）输入端接恒流驱动电路温度监控端（ALA）；第三模拟开关（K3）输出端接过温保护电路输入端WIN；第一模拟开关（K1）、第二模拟开关（K2）和第三模拟开关（K3）的控制端分别连接并与PWM信号发生电路输出端OUT连接；第一模拟开关（K1）输出端与第一电阻（R1）一端连接；第二模拟开关（K2）输出端与第二电阻（R2）一端连接；第一电阻（R1）另一端、第二电阻（R2）另一端接地；第一模拟开关（K1）和第二模拟开关（K2）的输出端分别接第一恒流驱动电路和第二恒流驱动电路的控制端。

4.根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述恒流驱动电路包括第一恒流驱动电路、第二恒流驱动电路、两输入端与门电路；其中第一恒流驱动电路包括第一DD312芯片（U2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）；第二恒流驱动电路包括第二DD312芯片（U3）、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）；第一DD312芯片（U2）和第二DD312芯片（U3）各自的第一引脚均分别接地；第一DD312芯片（U2）和第二DD312芯片（U3）各自的第二引脚分别为第一恒流驱动电路控和第二恒流驱动电路的控制端，分别接多路开关控制电路的第一模拟开关（K1）和第二模拟开关（K2）的输出端；第一DD312芯片（U2）和第二DD312芯片（U3）各自的第三引脚分别接第一LED负载阵列和第二LED负载阵列的负极端；第一DD312芯片（U2）的第五引脚与第六引脚连接并接第四电阻（R4）一端；第二DD312芯片（U3）的第五引脚与第六引脚连接并接第六电阻（R6）一端；第一DD312芯片（U2）的第七引脚与第三电阻（R3）一端连接，同时接逻辑与门（A1）的第一输入端；第二DD312芯片（U2）的第七引脚与第五电阻（R5）一端连接，同时接逻辑与门（A1）第二输入端；第一DD312芯片（U2）和第二DD312芯片（U3）各自的第八引脚接电源（E）正极；第三电阻（R3）另一端、第五电阻（R5）另一端接电源（E）正极；第四电阻（R4）另一端、第五电阻（R5）另一端接地；两输入逻辑与门（A1）输出端与多路开关控制电路第三模拟开关（K3）输入端连接。

5.根据权利要求1所述的用于作物生长信息监测的调制LED光源驱动电路，其特征是所述过温报警电路包括第一PNP三极管（Q1）、第一蜂鸣器（B1）、第七电阻（R7）和第八电阻（R8）；第一PNP三极管（Q1）基极与第七电阻（R7）一端连接，同时接多路开关控制电路第三模拟开关（K3）输出端；第一PNP三极管（Q1）发射极接第一蜂鸣器（B1）负极端；第一PNP三极管（Q1）集电极接地；第一蜂鸣器（B1）正极端接第八电阻（R8）一端；第七电阻（R7）另一端、第八电阻（R8）另一端接电源（E）正极。