CN107990275A - 一种照度均匀的曲面led植物照明灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于包括通讯接口模块、MCU控制模块、LED驱动电路、自由曲面底板和红蓝双路LED光源；通讯接口模块接收外部输入的灯光信号；MCU控制模块将灯光信号转换为PWM调光信号；LED驱动电路接收PWM调光信号驱动红蓝双路LED光源发光；自由曲面底板作为红蓝双路LED光源的基板，根据光量子理论对每个LED光源所在位置的曲率半径进行设计。本发明提供的一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，具有高光效、照度均匀、可线性调光的优点。

Description

一种照度均匀的曲面LED植物照明灯
技术领域
本发明涉及一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，属于LED植物照明领域。
背景技术
在现代植物照明领域，光照系统是整个领域中最重要也是最昂贵的部分。随着发光二极管(LED)制造技术革新和生产成本下降，LED凭借效率高、寿命长、体积小、光谱可控以及可近距离照射等优点成为植物照明的首选光源。以LED为光源的灯具在现代农业生产中具有良好的应用与发展前景。与基于光度学和色度学的传统LED光源设计不同，LED植物照明系统需要新的理论支撑以适合植物生长需求，光量子理论是现今最适合的指导理论。LED是一种无机固态半导体器件，具有明显的发光指向性，在配光设计时可以看作朗伯光源，经过二次光学处理才能符合使用要求。但是二次配光需要通过各种反光材料、光学扩散材料制作的光学透镜或反光杯来实现，光学材料的特性极大地影响了照明器件的系统光效，光衰现象非常严重。目前二次配光的光学器件多使用聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅胶、环氧树脂等材料，其耐候性和耐高温特性比较差，是影响LED灯具寿命的主要因数，这不利于现代农业的发展。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，以实现高均匀度、高光效、组网控制的照明效果。
具体方案如下：
一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：包括通讯接口模块、MCU控制模块、LED驱动电路与红蓝双路LED光源；通讯接口模块接收外部输入的灯光信号；MCU控制模块根据PWM调光算法将外部输入的灯光信号转换为PWM调光信号；LED驱动电路驱动红蓝双路LED光源发光；根据以上特征实现可线性调光的LED植物照明灯；
所述通讯接口模块采用标准的RS485通讯接口，可实现多个植物照明灯之间的组网控制功能，达到大面积照明和远程终端控制的效果；
所述MCU控制模块采用STM32F1系列控制器，内部自带Flash存储寄存器，用于存储外部输入的灯光信号；
进一步的，一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：MCU控制模块可实现PWM调光功能，MCU控制模块输出的PWM调光信号与LED亮度成线性关系，MCU控制过程包括以下步骤：
(1)MCU控制模块通过通讯接口模块接收外部输入的灯光信号，并存储在内部Flash之中；
(2)经MCU解码，从Flash的灯光信号中得到红蓝双路LED信号值；
(3)MCU控制模块根据红蓝LED信号值计算出对应的红蓝双路PWM步进值；
(4)红蓝LED光源的伏安特性曲线为非线性曲线，为实现更好的调光效果，对红蓝双路PWM步进值进行伽马矫正，以实现灯光信号与LED亮度值之间的线性关系；
(5)LED驱动电路接收红蓝双路PWM调光信号分别控制红蓝双路LED光源；
所述PWM步进值的计算与矫正过程由PWM调光算法实现：
式中VR、VB为红蓝双色LED信号值，由8位二进制数组成，表示256种亮度值；Rt为PWM固定时长分辨率；γ为矫正系数。最终输出DR、DB为矫正后的红蓝双路PWM步进值
进一步的，一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：设计一种自由曲面底板，由光量子理论对自由曲面底板的曲率半径进行设计，通过自由曲面底板的设计，可以实现高光效、大角度的均匀出光；由几何光学、光量子理论可以确定自由曲面底板为中心对称底板，仅对底板的右半边或左半边进行设计就可以确定整个自由曲面底板的形状；所述自由曲面底板的设计包括以下步骤：
(1)确定LED光源在自由曲面底板上的排列方式得到a(a1，a2，a3，…，an)；确定植物照射区域中的测试点得到d(d1，d2，d3，…，dm)；假设不同位置的LED光源轴线方向与x轴所在方向之间的夹角为α(α1，α2，α3，…，αn)；I＝f(β)为辐射强度I与出光方向β的配光曲线；计算不同位置不同轴线方向的LED光源在不同测试点的辐射照度Emn为：
为达到高照度均匀度的要求，(3)式中的Emn满足：
式中γ为一个常数；将a(a1，a2，a3，…，an)、d(d1，d2，d3，…，dm)、f(β)代入(4)式，得到LED光源轴线方向与x轴所在方向夹角α(α1，α2，α3，…，αn)；
(2)根据α(α1，α2，α3，…，αn)计算植物照射区域中心照射光线与LED光源轴线方向之间的夹角θ(θ1，θ2，θ3，…，θn)为：
(3)根据LED光源在自由曲面底板上的排列方式a(a1，a2，a3，…，an)、照射距离b、中心照射光线与LED光源轴线方向之间的夹角θ(θ1，θ2，θ3，…，θn)，可以得到LED光源在自由曲面底板上不同位置的曲率半径r(r1，r2，r3，…，rn)为：
式中R(R1，R2，R3，…，Rn)满足：
(4)根据LED光源在不同位置的曲率半径r(r1，r2，r3，…，rn)，将底板的每个位置用光滑曲线进行连接得到自由曲面底板。
进一步的，一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：将红蓝双色LED光源直接安装在自由曲面底板上，仅对LED光源进行一次配光设计，降低灯具二次配光所需的成本，提高LED光源出光效率。
本发明提供的一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，将LED芯片直接安装在自由曲面底板表面。该灯具摒弃了传统照明常用的二次配光方法，光直接照射在受照面上，使理论出光效率可达100％。采用脉冲宽度调制(PWM)方法，可以单独控制红蓝LED光源的亮度。增加外部通讯接口，使灯具之间可建立连接形成灯具控制网，适合现代农业的发展需求。
附图说明
图1为本发明的一种照度均匀的曲面LED植物照明灯总体结构示意图，图中示例说明如下：
1-通讯接口模块 2-MCU控制模块 3.-LED驱动电路
4-蓝色LED光源 5-红色LED光源 6-自由曲面底板
图2为本发明中自由曲面底板曲率半径计算的右半边分析图；
图3为本发明中自由曲面底板曲率半径计算的右半边分析图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步。
本发明的照度均匀的曲面LED植物照明灯，包括通讯接口模块1、MCU控制模块2、LED驱动电路3与红蓝双路LED光源；如图1所示，通讯接口模块1采用标准的RS485通讯接口，根据不同的植物照明需求，上位机软件将灯光信号发送给每一个植物照明灯，由植物照明灯的通讯接口模块1进行接收；灯光信号存储在MCU控制模块2的内部Flash中，MCU控制模块2将灯光信号中的红蓝双路LED信号解压出来，并将红蓝双路LED信号转换为PWM调光信号，对PWM调光信号进行伽马矫正，使灯光信号与光源亮度满足线性比例关系。LED驱动模块3接收红蓝双路PWM调光信号分别对红蓝双路LED光源进行调节控制，从而实现LED植物照明灯的调光控制效果。
在设计自由曲面底板时，由于LED自由曲面底板相对于照射距离、照射范围要小很多，由几何光学、光量子理论的分析，可以将自由曲面底板看成平面板，且自由曲面板中心对称，在设计自由曲面底板曲率半径时，只需要分析自由曲面底板的右半边即可，如图2所示为自由曲面底板曲率半径计算过程中右半边分析图；
图2中，DA所在平面为自由曲面底板所在平面，OC所在平面为植物所在平面，b为垂直照射距离；确定LED光源在自由曲面底板上的排列方式得到a(a1，a2，a3，…，an)；确定植物照射区域中的测试点得到d(d1，d2，d3，…，dm)；假设不同位置的LED光源轴线方向与x轴所在方向之间的夹角为α(α1，α2，α3，…，αn)；辐射强度I与出光方向β之间的关系为I＝f(β)；计算不同位置不同轴线方向的LED光源在不同测试点的辐射照度Emn为：
为达到高均匀度要求，有：
式中γ为一个常数；将a(a1，a2，a3，…，an)、d(d1，d2，d3，…，dm)、f(β)代入(4)式，得到LED光源轴线方向与x轴所在方向夹角α(α1，α2，α3，…，αn)；
根据α(α1，α2，α3，…，αn)计算植物照射区域中心照射光线与LED光源轴线方向之间的夹角θ(θ1，θ2，θ3，…，θn)为：
如图3所示，根据LED光源在自由曲面底板上的排列方式a(a1，a2，a3，…，an)、照射距离b、植物照射区域中心照射光线与LED光源轴线之间的夹角θ(θ1，θ2，θ3，…，θn)，可以得到LED光源在不同位置的曲率半径r(r1，r2，r3，…，rn)为：
式中R(R1，R2，R3，…，Rn)满足：
根据LED光源在不同位置的曲率半径r(r1，r2，r3，…，rn)，将底板的每个位置用光滑曲线进行连接得到自由曲面底板。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：包括通讯接口模块、MCU控制模块、LED驱动电路和红蓝双路LED光源；通讯接口模块接收外部输入的灯光信号，MCU控制模块根据PWM调光算法将外部输入的灯光信号转换为PWM调光信号，LED驱动电路驱动红蓝双路LED光源发光。
2.根据权利要求1所述的一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：所述通讯接口模块采用标准的RS485通讯接口，实现多个植物照明灯之间的组网控制功能，达到大面积照明和远程终端控制的效果。
3.根据权利要求1所述的一种照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：所述MCU控制模块输出的PWM调光信号与LED亮度成线性关系，MCU控制过程包括以下步骤：
(1)MCU接收外部输入的灯光信号并存储在内部Flash之中；
(2)经MCU解码，从Flash的灯光信号中得到红蓝双路LED信号值；
(3)根据红蓝双路LED信号值计算出对应的红蓝双路PWM步进值；
(4)根据LED的伏安特性曲线对红蓝双路PWM步进值进行伽马矫正；
(5)输出PWM调光信号；
所述PWM步进值的计算与矫正过程由PWM调光算法实现：
式中VR、VB为红蓝双色LED信号值，由8位二进制数组成，表示256种亮度值；Rt为PWM固定时长分辨率；γ为矫正系数；DR、DB为矫正后的红蓝双路PWM步进值。
4.如权利要求1所述的照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：还包括自由曲面底板，所述自由曲面底板的设计包括以下步骤：
(1)确定LED光源在自由曲面底板上的排列方式得到a(a1，a2，a3，…，an)；确定植物照射区域中的测试点得到d(d1，d2，d3，…，dm)；假设不同位置的LED光源轴线方向与x轴所在方向之间的夹角为α(α1，α2，α3，…，αn)；I＝f(β)为辐射强度I与出光方向β的配光曲线；计算不同位置不同轴线方向的LED光源在不同测试点的辐射照度Emn为：
为达到高照度均匀度的要求，(3)式中的Emn满足：
式中γ为一个常数；将a(a1，a2，a3，…，an)、d(d1，d2，d3，…，dm)、f(β)代入(4)式，得到LED光源轴线方向与x轴所在方向的夹角α(α1，α2，α3，…，αn)；
(2)根据α(α1，α2，α3，…，αn)计算植物照射区域中心照射光线与LED光源轴线方向之间的夹角θ(θ1，θ2，θ3，…，θn)为：
(3)根据LED光源在自由曲面底板上的排列方式a(a1，a2，a3，…，an)、照射距离b、中心照射光线与LED光源轴线方向之间的夹角θ(θ1，θ2，θ3，…，θn)，可以得到LED光源在自由曲面底板上不同位置的曲率半径r(r1，r2，r3，…，rn)为：
式中R(R1，R2，R3，…，Rn)满足：
(4)根据LED光源在不同位置的曲率半径r(r1，r2，r3，…，rn)，将底板的每个位置用光滑曲线进行连接得到自由曲面底板。
5.如权利要求4所述的照度均匀的曲面LED植物照明灯，其特征在于：将所述红蓝双色LED光源直接安装在自由曲面底板上，仅对LED光源进行一次配光设计。
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