CN103702484A - 一种集控式led灯组调光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集控式LED灯组调光系统，管理计算机通过主控板向LED灯组上的驱动板发出调光指令；在驱动板上，驱动MCU收到调光指令后发送给脉宽调制及检测模块，脉宽调制及检测模块将所述调光指令转换成PWM信号，并基于所述PWM信号对LED驱动模块上的电子开关的打开时间占空比进行控制以生成PWM驱动信号，发送给发光板。本发明所述系统替代专门的恒流源模块，实现对LED亮度的精确控制，方便的实现对单灯亮度的调节，能显著降低LED照明系统产品设计生产以及用户的使用成本，具有光能利用率高、节能减排等功能；不仅能应用于光学引导装置中，可以推广到其它大型LED照明系统智能化控制等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光电控制技术领域，尤其涉及一种集控式LED（Light EmittingDiode，发光二极管）灯组调光系统。
背景技术
在现有的光学引导装置中，常使用卤钨灯作为光源，虽然其发光强度大，但由于卤钨灯发出的光为白炽光，而光学引导装置需要使用单色光，这就需要增加滤光片进行滤光，然后再耦合进传光纤束中从发光面出光；在整个发光系统的设计中90%以上的能量都以热和其他波段的光的形式耗费；由于卤钨灯工作时功率大，能耗高，同时要保证其发光强度，因此使用寿命较短，维护成本很高；另外，采用卤钨灯作为光源时通常直径都大于100mm，需要设计较大的透镜系统把光耦合进传输光纤，并且卤钨灯发光平行性较差，不利于光束整形。因此，采用卤钨灯加上滤光片的方式，在光能效率和滤光片带宽设计两个方面很难均衡。
目前，LED发光技术越来越广泛的使用，LED具有单色性好、光电转换效率高等优点，但是，在大功率LED芯片驱动中，由于LED发光效率与电压不是线性关系，在对光照度值要求较高的场所一般采用专门的恒流源进行驱动，造成了设计复杂且制造成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种集控式LED灯组调光系统，采用普通外部电源给LED供电的情况下，精确、灵活的调整LED的点亮效果。
本发明采用的技术方案是，所述集控式LED灯组调光系统，包括：管理计算机、主控板和若干LED灯组，其中，LED灯组包括：驱动板及与其连接的发光板，驱动板包括：驱动MCU（Micro Controller Unit，微控制单元）、脉宽调制及检测模块、LED驱动模块，LED驱动模块包括：连接在外部电源与发光板之间的电子开关；
管理计算机通过主控板向LED灯组上的驱动板发出调光指令；
在驱动板上，驱动MCU收到调光指令后发送给脉宽调制及检测模块，脉宽调制及检测模块将所述调光指令转换成PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）信号，并基于所述PWM信号对LED驱动模块上的电子开关的打开时间占空比进行控制以生成PWM驱动信号，发送给发光板。
进一步的，管理计算机与主控板之间以及主控板与LED灯组之间通过RS485全双工串行接口通信；发光板上包含由LED串联形成的LED链路。
进一步的，所述发光板针对收到的PWM驱动信号，向驱动板的脉宽调制及检测模块发送PWM回路信号，脉宽调制及检测模块基于PWM回路信号检测出所述发光板上LED链路的状态；
主控板依次向各LED灯组下发状态查询指令，当某一LED灯组的驱动板收到查询指令后，驱动板上的驱动MCU将所述查询指令发送给脉宽调制及检测模块，脉宽调制及检测模块收到所述查询指令后，将所述LED灯组各发光板上LED链路的状态反馈给主控板。
进一步的，当各发光板上的LED链路的数量相同时，在自动调整工作模式下，主控板基于预先设定的一致性亮度需求，在LED灯组上某发光板的部分LED链路出现故障时，通过向LED灯组上的驱动板发出调光指令，将该LED灯组上其余发光板的相应LED链路关闭；在人工调整工作模式下，在LED灯组上某发光板的部分LED链路出现故障时，由用户在管理计算机上进行控制，通过主控板向驱动板发送调光指令，将该LED灯组上其余发光板的相应LED链路关闭。
进一步的，所述调光指令的类型包括：用于控制各LED链路亮度的亮度调整指令、用于控制各LED链路开启或者关闭的链路控制指令、用于控制各LED链路闪烁频率的闪烁频率控制指令。
进一步的，所述脉宽调制及检测模块包括：PWM产生模块、与门、和状态检测模块，其中，
PWM产生模块基于所述亮度调整指令生成初始PWM信号；
初始PWM信号、所述链路控制指令以及所述闪烁频率控制指令通过与门处理后输出PWM信号；
状态检测模块，用于基于PWM回路信号检测出所述发光板上LED链路的状态。
进一步的，所述LED驱动模块，还包括：用于驱动电子开关的电子开关驱动电路。
进一步的，所述电子开关为功率场效应管，所述电子开关驱动电路为功率场效应管驱动电路。
采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：
本发明所述集控式LED灯组调光系统，替代专门的恒流源模块，实现对LED亮度的精确控制，方便的实现对单灯亮度的调节，能显著降低LED照明系统产品设计生产以及用户的使用成本，具有光能利用率高、节能减排等功能；不仅能应用于光学引导装置中，可以推广到其它大型LED照明系统智能化控制等领域。
附图说明
图1为本发明实施例的集控式LED灯组调光系统组成示意图；
图2为本发明实施例管理计算机的具体组成示意图；
图3为本发明实施例的主控板的具体组成示意图；
图4为本发明实施例的LED灯组上的驱动板的具体组成示意图；
图5为本发明实施例的LED驱动模块的具体组成示意图；
图6为本发明实施例的发光板的具体组成连接示意图；
图7为本发明实施例的脉宽调制及检测模块的具体组成示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明实施例的一种集控式LED灯组调光系统，如图1所示，包括以下组成部分：管理计算机、主控板和n个LED灯组，其中，LED灯组包括：m个驱动板及与其对应连接的m个发光板，m、n≥1，m和n的数量可以根据需要灵活设置。
图2为管理计算机的具体组成示意图，如图2所示，管理计算机包括：亮度调整模块、闪烁频率调整模块、链路控制模块、状态监控显示模块和通信接口模块，这些模块的具体功能如下：
亮度调整模块用于根据用户的需要产生亮度调整指令，用于调整LED灯组的亮度，根据不同的灯组数量配置相应的亮度调整按钮及输入框，调整亮度时既可以按亮度增减按钮调光也可以直接在输入框中输入需要的亮度等级。
闪烁频率调整模块用于产生闪烁频率控制指令，用于调整LED灯组的闪烁频率，根据不同的灯组数量配置相应的闪烁频率输入框，调整闪烁频率时可以直接在输入框中输入需要的闪烁频率值。
链路控制模块用于产生链路控制指令，用于控制LED灯组发光板的链路的亮灭，通过选择按钮可直接控制链路打开或链路关闭。
状态监控显示模块用于显示LED灯组通过主控板上报的LED链路状态、以及监视整个系统的工作状态，当系统中某一组成模块或功能单元出现故障时，在相应的诊断框中标红显示，正常时以绿框的形式显示。
通信接口模块为RS485全双工串行接口，管理计算机通过通信接口模块实现与主控板的通信。
图3为主控板的具体组成示意图，如图3所示，主控板包括：主控MCU、通信接口模块和串口扩展芯片，本实施例中，主控板需要通过串口扩展芯片与多个LED灯组的驱动板进行通信，若只与一个LED灯组通信，则不需要用到串口扩展芯片。
图4为LED灯组上的驱动板的具体组成示意图，如图4所示，驱动板包括：驱动MCU、脉宽调制及检测模块、LED驱动模块以及与主控板进行通信的通信接口模块，LED驱动模块包括：连接在外部电源与发光板之间的电子开关、电子开关的驱动电路，LED驱动模块的具体组成如图5所示。
外部电源经过限流电阻和电子开关为LED供电，由于单个LED正常工作时压降为2.5V左右，4只LED串联后总压降为10V，再加上限流电阻及电子开关的压降，故外部电源选择12V直流电源，通过调整限流电阻的压降，将LED两端电压调整到一个合适的值。LED的亮度由电子开关来控制，电子开关工作在周期性打开关断状态，电子开关打开时，LED上有正向电流流过，LED发光，反之，LED不工作。当电子开关的开关频率达到一定值时，比如1kHZ或更高，人眼视觉上LED处于连续光工作状态，电子开关打开时间的占空比越大，LED亮度越高，这样，就可以通过调整电子开关工作的占空比来调节LED的发光亮度。这里，优选的，电子开关为功率场效应管，则电子开关驱动电路为功率场效应管驱动电路。之所以选用功率场效应管作为电子开关，因为功率场效应管的打开时间可以达到几个纳秒，PWM信号可以相对不失真的控制LED工作。由于PWM信号为TTL电平，无法直接驱动功率场效应管，本领域公知的，增加一级驱动电路，从而实现PWM信号对LED亮度的调节。
图6为发光板的具体组成连接示意图，发光板上包含由LED串联形成的LED链路。在本实施例中，是以3条链路、每条链路上串联4个LED为例绘制的发光板组成连接情况，发光板上LED链路的数量以及每条链路上的LED数量可以根据需要进行灵活调整。
管理计算机与主控板之间以及主控板与LED灯组之间通过RS485全双工串行接口通信。
基于以上介绍的集控式LED灯组调光系统的各组成部分，下面介绍一下其工作过程：
管理计算机通过主控板向LED灯组上的驱动板发出调光指令；
在驱动板上，驱动MCU收到调光指令后发送给脉宽调制及检测模块，脉宽调制及检测模块将所述调光指令转换成PWM信号，并基于该PWM信号对LED驱动模块上的电子开关的打开时间占空比进行控制以生成PWM驱动信号，发送给发光板，用于改变发光板上LED的点亮效果。
发光板针对收到的PWM驱动信号，向驱动板的脉宽调制及检测模块发送PWM回路信号，脉宽调制及检测模块基于PWM回路信号检测出所述发光板上LED链路的状态。
主控板依次向各LED灯组下发状态查询指令，当某一LED灯组的驱动板收到状态查询指令后，驱动板上的驱动MCU将所述状态查询指令发送给脉宽调制及检测模块，脉宽调制及检测模块收到所述状态查询指令后，将所述LED灯组各发光板上LED链路的状态反馈给主控板。
当各发光板上的LED链路的数量相同时，在自动调整工作模式下，主控板基于预先设定的一致性亮度需求，在LED灯组上某发光板的部分LED链路出现故障时，通过向LED灯组上的驱动板发出调光指令，将该LED灯组上其余发光板的相应LED链路关闭。在人工调整工作模式下，在LED灯组上某发光板的部分LED链路出现故障时，由用户在管理计算机上进行控制，通过主控板向驱动板发送调光指令，将该LED灯组上其余发光板的相应LED链路关闭。
所述调光指令的类型包括：用于控制各LED链路亮度的亮度调整指令、用于控制各LED链路开启或者关闭的链路控制指令、用于控制各LED链路闪烁频率的闪烁频率控制指令。每次下发的调光指令至少包括所述亮度调整指令，除此之外还可以包括所述链路控制指令和/或闪烁频率控制指令。
图7为脉宽调制及检测模块的具体组成示意图，如图7所示，脉宽调制及检测模块包括：PWM产生模块、与门、和状态检测模块，其中，
PWM产生模块基于所述亮度调整指令生成初始PWM信号；
初始PWM信号、所述链路控制指令以及所述闪烁频率控制指令通过与门处理后输出PWM信号，即所述链路控制指令以及所述闪烁频率控制指令对初始PWM信号进行调制后输出最终用于控制电子开关的PWM信号。
状态检测模块，用于基于PWM回路信号检测出所述发光板上LED链路的状态，基于主控板发来的状态查询指令反馈LED链路的状态信息。
本发明实施例的关键创新在点至少包括：量化LED亮度调整值，通过PWM脉宽调制及检测模块实现高精度的亮度控制。以软件控制的形式实现LED灯组内部对应链路的串行连接，保证发光板出光亮度的一致性。
与现有的技术比较，本发明的优点是：
1.调光方便，可任意调整LED灯组的亮度、频率、链路等。
2.以软串联的形式代替传统惯用的硬件串联的方法，维护使用方便。
3.信息化程度高，系统可扩展能力强。
4.可靠性高、使用寿命长，降低了维护使用成本。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (8)
1.一种集控式发光二极管LED灯组调光系统，其特征在于，包括：管理计算机、主控板和若干LED灯组，其中，LED灯组包括：驱动板及与其连接的发光板，驱动板包括：驱动微控制单元MCU、脉宽调制及检测模块、LED驱动模块，LED驱动模块包括：连接在外部电源与发光板之间的电子开关；
管理计算机通过主控板向LED灯组上的驱动板发出调光指令；
在驱动板上，驱动MCU收到调光指令后发送给脉宽调制及检测模块，脉宽调制及检测模块将所述调光指令转换成脉宽调制PWM信号，并基于所述PWM信号对LED驱动模块上的电子开关的打开时间占空比进行控制以生成PWM驱动信号，发送给发光板。
2.根据权利要求1所述的集控式LED灯组调光系统，其特征在于，管理计算机与主控板之间以及主控板与LED灯组之间通过RS485全双工串行接口通信；发光板上包含由LED串联形成的LED链路。
3.根据权利要求2所述的集控式LED灯组调光系统，其特征在于，所述发光板针对收到的PWM驱动信号，向驱动板的脉宽调制及检测模块发送PWM回路信号，脉宽调制及检测模块基于PWM回路信号检测出所述发光板上LED链路的状态；
主控板依次向各LED灯组下发状态查询指令，当某一LED灯组的驱动板收到查询指令后，驱动板上的驱动MCU将所述查询指令发送给脉宽调制及检测模块，脉宽调制及检测模块收到所述查询指令后，将所述LED灯组各发光板上LED链路的状态反馈给主控板。
4.根据权利要求2所述的集控式LED灯组调光系统，其特征在于，当各发光板上的LED链路的数量相同时，在自动调整工作模式下，主控板基于预先设定的一致性亮度需求，在LED灯组上某发光板的部分LED链路出现故障时，通过向LED灯组上的驱动板发出调光指令，将该LED灯组上其余发光板的相应LED链路关闭；在人工调整工作模式下，在LED灯组上某发光板的部分LED链路出现故障时，由用户在管理计算机上进行控制，通过主控板向驱动板发送调光指令，将该LED灯组上其余发光板的相应LED链路关闭。
5.根据权利要求3所述的集控式LED灯组调光系统，其特征在于，所述调光指令的类型包括：用于控制各LED链路亮度的亮度调整指令、用于控制各LED链路开启或者关闭的链路控制指令、用于控制各LED链路闪烁频率的闪烁频率控制指令。
6.根据权利要求5所述的集控式LED灯组调光系统，其特征在于，所述脉宽调制及检测模块包括：PWM产生模块、与门、和状态检测模块，其中，
PWM产生模块基于所述亮度调整指令生成初始PWM信号；
初始PWM信号、所述链路控制指令以及所述闪烁频率控制指令通过与门处理后输出PWM信号；
状态检测模块，用于基于PWM回路信号检测出所述发光板上LED链路的状态。
7.根据权利要求1所述的集控式LED灯组调光系统，其特征在于，所述LED驱动模块，还包括：用于驱动电子开关的电子开关驱动电路。
8.根据权利要求8所述的集控式LED灯组调光系统，其特征在于，所述电子开关为功率场效应管，所述电子开关驱动电路为功率场效应管驱动电路。
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