CN112408541A - 一种光功率自动调节的uvc led水体杀菌装置 - Google Patents
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Abstract
一种光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装置，涉及深紫外消毒和电子控制。设有数据采集及处理模块、电源模块、光源模块和显示及控制模块，数据采集及处理模块包括MCU、距离传感器、AD转换器、存储器，距离传感器用于采集光源距水面距离信息的模拟信号，并通过AD转换器转换成数字信号，再传输给MCU处理，MCU用于将数据存储于存储器中，MCU与电源模块连接；显示及控制模块包括蓝牙和LCD触摸显示屏，MCU采集或计算得到的实时数据通过蓝牙传输到LCD触摸显示屏上显示；LCD触摸显示屏的输出端接MCU，将接收到的触摸输入数据传输给MCU处理。自动控制、精准杀菌、节能环保、数据可视、不损坏物质，无化学残留。
Description
技术领域
本发明涉及深紫外消毒和电子控制技术领域，尤其是涉及一种光功率自动调节的UVC LED 水体杀菌装置。
背景技术
灭活新冠肺炎病毒(SARS-CoV-2)的手段可分为化学消杀手段(如乙醚、75％乙醇、含氯消 毒剂(84消毒液)、过氧乙酸、三氯甲烷等脂溶剂等),以及物理消杀手段(如UV照射或56℃加 热30min等)。虽然化学消杀的使用范围最广,但是大多数消毒药水对人体存在毒副作用。相 比于化学消杀,物理消杀中对人体的伤害相对较小,且不存在二次污染。由于加热方案会对被 消杀对象本身造成损伤,所以使用范围较窄。UV消毒技术以其消杀效果好、安全环保及无化 学残留等优势正逐渐获得人们的重视。发光二极管作为新一代光源,不含汞等有毒元素或化合 物,在紫外波段是汞灯的有效替代产品。深紫外杀菌消毒领域主要分为表面杀菌，空气杀菌和 水杀菌三个部分，目前市面上大多数深紫外杀菌产品都是以汞灯作为光源，尤其是在需要较 高功率的水杀菌领域中，但是随着《水俣公约》的生效及未来UVC LED技术成熟和价格降 低，UVC LED未来必将替代深紫外汞灯。深紫外剂量会随距光源距离变化，但在许多的产品 和发明中并未考虑到深紫外杀菌剂量的不足或溢出，这可能会导致杀菌无效或者能源浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供具有自动控制、精准杀菌、节能环保、数据可视等优点，避免人 体与光源的直接接触，保证使用时人体安全性的一种光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装 置。
所述光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装置设有数据采集及处理模块、光源模块、电 源模块和显示及控制模块；
所述数据采集及处理模块包括MCU、距离传感器、AD转换器、存储器，距离传感器用于 采集光源距水面距离信息的模拟信号，并通过AD转换器转换成数字信号，再传输给MCU处理， MCU用于将数据存储于存储器中，MCU与电源模块连接；
所述光源模块采用多芯片UVC LED阵列光源，由若干颗UVC LED芯片组成多个串联通路；
所述电源模块设多路电流源和一路电压源，所述电压源为恒压源，用于为其他各模块供 电；所述多路电流源为可变电流源，通过改变占空比来调节输出功率，用于为光源模块的多 个串联UVC LED供电；
所述显示及控制模块包括蓝牙和LCD触摸显示屏，蓝牙用于显示及控制模块与MCU的通 信，MCU采集或计算得到的实时数据通过蓝牙传输至LCD触摸显示屏上显示；LCD触摸显示屏 的输出端接MCU，将接收到的触摸输入数据传输给MCU处理。
所述UVC LED的波长可为260～280nm。
所述多路电流源均由MCU驱动控制和改变占空比，MCU根据接受到的光源距水面距离数 据来调整电源模块的输出功率，进而改变光源的光功率，用于保证水面接收到的紫外线剂量 一致。
所述光源模块分为多个串联通路与多路电流源连接，以使同一通路的UVC LED更分散， 有利于散热，减少温度的影响，同时也使光分布更均匀；多路光源交替变化，以减少各路光 源的累计输出功率方差，增加整体装置的使用寿命和可靠性。
所述距离传感器用于实时采集紫外光源距水面距离的数据，由MCU得到数据并进行处理， 当数据产生变化时根据数据调整输入电源进而改变光功率WL，根据电源输出功率WE、光电转 换率n、光功率与紫外线剂量的关系和距光源距离d与紫外剂量R的关系，有nWE＝WL＝f(R)和 R＝g(d)，得到WE和d的函数，以此函数根据光源距离水面距离变化，改变电源的输出功率， 根据保证水面接受到的紫外剂量基本不变且满足于节能有效杀菌的要求。
与现有技术比较，本发明具有如下有益效果：
1、本发明是针对水体杀菌的光功率自动调节的UVC LED装置，具有自动控制、精准杀菌、 节能环保、数据可视等优点。
2、本发明利用深紫外光杀菌，相较于其他杀菌方法，具有不损坏物质，无化学残留等优 势，具有良好的市场应用场景。
3、市场上针对水体杀菌的产品使用的深紫外光源大多是汞灯，汞灯含汞，会造成二次污 染，且有需预热、体积大等缺点，未来会逐渐被UVC LED取代，本发明使用多芯片集成的方 式实现较高功率的UVC LED阵列光源，保证其对水体杀菌的有效性，且利用多路电源驱动芯 片发光的方式，实现输入电源功率根据光源距水面距离改变而进行调整，避免深紫外剂量的 溢出或不足，保证有效杀菌的同时又实现了节能。
4、分多路控制电源去驱动光源，并在控制电源时对各路电源交替调整，不仅可以避免高 功率UVC LED阵列发热量过大，也可以减少温度升高对各路芯片造成的影响，达到提高光源 的使用寿命及可靠性的目的。
5、利用蓝牙实现MCU与显示及控制模块的通信，而通过显示及控制模块进行控制装置， 避免人体与光源的直接接触，保证装置使用时的人体安全性。
附图说明
图1为本发明实施例中杀菌装置的原理框图。
图2为本发明实施例中光源模块的光源阵列排布和分路示意图(图形形状仅为位置区分， 与芯片形状无关)。
图3为本发明实施例在蓄水箱的应用场景示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明实施例设有数据采集及处理模块1、电源模块2、光源模块3和显示 及控制模块4，所述数据采集及处理模块1包括MCU、距离传感器、AD转换器、存储器，距离传感器采集到光源距水面距离信息的模拟信号，通过AD转换器转换成数字信号，再传输给 MCU处理，MCU会将一些数据存储于存储器中，MCU与电源模块2连接；所述电源模块2分为四路电流源和一路电压源，其中电压源为恒压源，负责给各个模块(包括数据采集及处理模块 1、显示及控制模块4)供电，而四路电流源为可变电流源，主要可以改变占空比来调节输出 功率，用于给光源模块3的4路串联UVC LED供电(所述光源模块3的光源阵列排布由图2所示)，UVC LED发射波峰为275nm的紫外线光源，四路电流源都由MCU来驱动控制和改变占空比，MCU根据接受到的光源距水面距离数据来调整电源模块的输出功率，进而改变了光源的光功率，保证水面接收到的紫外线剂量一致，该剂量不过小而保证了杀菌的有效性，也不过大而导致能源的浪费，实现该装置的节能高效，在改变电源模块输出功率的时候，对四路电流源会将各路累计输出功率数据存储在数据采集及处理模块的存储器中，每次改变占空比 时，在加大占空比时总会优先选择累计输出功率最小的一路电流源，而在减小占空比时总会 优先选择累计输出功率最大的一路电流源，实现每路光源的交替变化，减少各路光源的累计 输出功率方差，增加整体装置的使用寿命和可靠性；所述显示及控制模块4包括蓝牙和LCD 触摸显示屏，蓝牙用于显示及控制模块4与MCU的通信，负责将MCU采集或计算得到的光源 距水面距离、光源输出光功率和杀菌效率等实时数据传输到LCD触摸显示屏上显示，以及LCD 触摸显示屏接收到的触摸输入数据传输给MCU处理，可以通过显示屏实现控制开关、设置光 功率或杀菌效率参数等功能，因为通过蓝牙通信，显示及控制模块4可以放置在距光源一定 距离的地方，避免人体与光源的直接接触，保证装置使用时的人体安全性。
如图2所示，本发明实施例中光源模块3是多芯片UVC LED阵列光源，由32颗UVCLED 芯片组成,分为31、32、33、34四个串联通路与四路电流源连接，由四路电流源驱动发光。 该排布可以使同一通路的UVC LED更分散，有利于散热，减少温度的影响，同时也使光分布 更均匀。
如图3所示，本发明实施例可应用于蓄水箱的杀菌，其中标记1、2、3分别为数据采集 及处理模块、电源模块、光源模块，作为主要部分实现自动调节光源功率实现节能高效杀菌， 标记4为显示及控制模块，以蓝牙连接主要部分，便于用户监测和控制输入，标记5为水位 可能发生变化的蓄水箱。
以下给出本发明的工作原理：
1)将深紫外光源阵列分为若干路由若干路电源分控；深紫外光源阵列采用具有杀菌效果 的UVC LED，可以是具有较高杀菌效率的波长在260～280nm的UVC LED；深紫外光源阵列的 最高功率满足当前杀菌环境所需最高功率，确保能满足实现有效杀菌。
2)若干路电源均为可调节输出功率的独立电源；若干路电源实现可调节的方式为改变占 空比和改变输入电流强度，通过MCU驱动和控制，MCU控制各路的继电器开关，决定该路光 源是否点亮，并且根据不同档位的选择及软件算法实现不同占空比的电流输出，实现一定精 度下输出功率的改变。
3)传感器模块实时采集紫外光源距水面距离的数据，由MCU得到数据并进行处理，当数 据产生变化时根据数据调整输入电源进而改变光功率WL，根据电源输出功率WE、光电转换率 n、光功率与紫外线剂量的关系和距光源距离d与紫外剂量R的关系，有nWE＝WL＝f(R)和R＝g(d)， 得到WE和d的函数，以此函数根据光源距离水面距离变化，改变电源的输出功率，根据保证 水面接受到的紫外剂量基本不变且满足于节能有效杀菌的要求；所述光功率的调整在所采集 数据发生变化时进行；所述电源输出功率WE根据光源距离水面距离d变化，WE和d的关系由 实验数据和计算得到，确保可以实现有效杀菌，对功率进行调节，可以达到节能的精准剂量 杀菌的目的；所述电源输出功率的调整为各路电源交替调整，避免光源的损耗聚集于某一路， 降低由温度过热对光源芯片造成的影响，达到提高光源的使用寿命及可靠性的目的。
4)显示及控制模块不与其他模块近距离放置，MCU与显示及控制模块进行通信，MCU将 光源距水面距离、UVC LED光功率、杀菌效率等数据通过数据传输电路实时传送到显示及控 制模块进行显示，且通过显示屏进行输入，实现控制开关、设置光功率或杀菌效率参数等功 能；所述MCU与显示及控制模块进行通信，是通过蓝牙电路实现一定距离的通信，避免人体 近距离接触到深紫外光源，保证该装置使用的安全性。
Claims (5)
1.一种光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装置，其特征在于设有数据采集及处理模块、光源模块、电源模块和显示及控制模块；
所述数据采集及处理模块包括MCU、距离传感器、AD转换器、存储器，距离传感器用于采集光源距水面距离信息的模拟信号，并通过AD转换器转换成数字信号，再传输给MCU处理，MCU用于将数据存储于存储器中，MCU与电源模块连接；
所述光源模块采用多芯片UVC LED阵列光源，由若干颗UVC LED芯片组成多个串联通路；
所述电源模块设多路电流源和一路电压源，所述电压源为恒压源，用于为其他各模块供电；所述多路电流源为可变电流源，通过改变占空比来调节输出功率，用于为光源模块的多个串联UVC LED供电；
所述显示及控制模块包括蓝牙和LCD触摸显示屏，蓝牙用于显示及控制模块与MCU的通信，MCU采集或计算得到的实时数据通过蓝牙传输至LCD触摸显示屏上显示；LCD触摸显示屏的输出端接MCU，将接收到的触摸输入数据传输给MCU处理。
2.如权利要求1所述一种光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装置，其特征在于所述UVC LED的波长为260～280nm。
3.如权利要求1所述一种光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装置，其特征在于所述多路电流源均由MCU驱动控制和改变占空比，MCU根据接受到的光源距水面距离数据来调整电源模块的输出功率，进而改变光源的光功率，用于保证水面接收到的紫外线剂量一致。
4.如权利要求1所述一种光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装置，其特征在于所述光源模块分为多个串联通路与多路电流源连接，以使同一通路的UVC LED更分散；多路光源交替变化，以减少各路光源的累计输出功率方差。
5.如权利要求1所述一种光功率自动调节的UVC LED水体杀菌装置，其特征在于所述距离传感器用于实时采集紫外光源距水面距离的数据，由MCU得到数据并进行处理，当数据产生变化时根据数据调整输入电源进而改变光功率WL，根据电源输出功率WE、光电转换率n、光功率与紫外线剂量的关系和距光源距离d与紫外剂量R的关系，有nWE＝WL＝f(R)和R＝g(d)，得到WE和d的函数，以此函数根据光源距离水面距离变化，改变电源的输出功率。
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