CN214070215U - 一种基于pwm的大功率led温度智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，包括智能控温系统和远程操控系统，智能控温系统以STM32微处理器为核心，采用PWM调节半导体制冷器两端的电流以实现对半导体制冷器制冷的调节，进而实现对LED温度的控制，远程操控系统则显示环境状态信息和LED状态信息以及对温度控制的预警指示，总体实现了温度的设定、测量、显示与智能温度控制。

Description

一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种大功率LED照明设备的温度控制技术领域，具体涉及一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统。

背景技术

LED作为第四代光源，具有低功耗、高亮度、长寿命、节能环保等优势，已经被广泛应用于各种指示、显示、背光以及照明系统中。但是大功率LED在照明中存在着很多问题，其中最难解决的就是大功率LED的散热问题。如果LED 的工作温度超过了芯片的承载温度，将会使LED的发光效率快速降低，产生明显的光衰，并且对LED造成永久性破坏。

目前，在实际应用中，LED的散热方式仍然以被动散热为主。然而，被动散热所采用的散热体体积大而且笨重，散热效率不高，导致散热问题制约着LED，尤其是大功率LED的发展和应用。所以说，大功率LED路灯的发光温度会直接影响到其寿命和使用性能，散热这个问题若不解决好，大功率LED路灯的大面积推广必然受到影响。

实用新型内容

针对此，本实用新型提供了一种基于PWM(pulse width modulation，脉冲宽度调制)的大功率LED半导体制冷温度智能控制系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，包括智能控温系统和远程操控系统，其特征在于：所述的智能控温系统包括主控模块、半导体制冷器、状态检测模块、信息收集模块、驱动模块、无线通信模块和供电模块，其中主控模块为单片机，状态检测模块包括检测温湿度传感器、环境光传感器、电压传感器和电流传感器，信息收集模块包括光照度传感器和温度传感器，驱动模块为驱动电路，无线通信模块为STM32F103C8T6单片机，供电模块为锂电池；所述远程操控系统包括上位机、微控制器、无线通讯模块、电源模块、执行模块，其中微控制器为STM32F103C8T6单片机，无线通讯模块为WIFI模块，电源模块为锂电池，上位机为电脑，执行模块是LED发光二极管。所述智能控温系统中状态检测模块、信号收集模块、无线通信模块、供电模块分别于主控模块相连接，其中，状态检测模块与信号收集模块的传感器与主控模块STM32F103C8T6单片机的I/O口相连，无线通信模块与主控模块的串口端相连，驱动模块与主控模块的STM32F103C8T6单片机I/O口相连，驱动模块与半导体制冷器相连接，供电模块与主控模块STM32F103C8T6单片机的VDD端口相连；所述远程操控系统上位机、通讯模块、电源模块、执行模块分别于微控制器STM32F103C8T6单片机连接，其中，无线通讯模块与微控制器STM32F103C8T6单片机的串口通信端相连，LED执行模块与微控制器STM32F103C8T6单片机的I/O口相连，上位机与微控制器STM32F103C8T6单片机通过串口通信端相连，电源模块与微控制器 STM32F103C8T6单片机的VDD端口相连。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：智能控温系统的主控模块STM32F103C8T6单片机通过信号收集模块实时采集LED状态数据，通过温度数据并与预设温度进行差值处理，通过模糊PID算法让单片机输出不同占空比的PWM信号作为驱动电路的控制信号，通过调节半导体制冷器两端的电流大小来实现对半导体制冷器制冷功率的多级调节，从而将LED基板温度控制在设定值，同时主控模块会将当前的LED状态信息以及状态检测模块收集到的环境信息通过无线通信模块发送到远程操控系统，远程操控系统的微控制器通过无线通讯模块接收智能控温系统的信息，以及通过上位机进行显示，实现对系统监测和数据采集的目的。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述智能控温系统的主控模块采用STM32F103C8T6微控制器，状态检测模块的温湿度传感器使用的型号是DHT11，环境光传感器采用OPT3002传感器，电压传感器采用霍尔电压传感器，电流传感器采用霍尔电流传感器，信号收集模块的光照度传感器OPT3007,温度传感器采用PT100传感器；无线通信模块采用ESP8266 串口WIFI模块；其中状态检测模块和信号收集模块分别检测环境状态和LED 的状态，收集的数据信息发送给主控模块，经STM32F103C8T6微控制器进行数据处理分析，并且将采集的数据信息上传至远程操控系统。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述智能控温系统的半导体制冷器与驱动模块，驱动电路选用PT4115作为驱动电路的核心器件；制冷片选择TEC1-12703，一是它的制冷能力满足散热的要求；二是它与LED基板的尺寸应尽量匹配，使基板散热更加均匀；在控制电路输出端分别串联接入一级、二级、三级制冷片，实现不同级数的智能温度控制；

进一步地，智能控温系统采用数字模糊PID控制算法来确定PWM信号的占空比，可以实时修改模糊PID控制的三个参数，使得系统对于环境温度的变化能够迅速作出反应，当环境温度高于或低于所设定的温度时，PWM信号的占空比应该比较高，当温度低于所设的温度值时，PWM信号的占空比应该比较低，以此实现一定范围内温度的精准控制。STM32F103C8T6微控制器接收数据采集模块所检测的数据，分析判断是否超出阈值，根据所设定的阈值，主控模块发出信号控制PWM信号调节驱动电路的电流，从而实现智能温度控制；

进一步地，智能控温系统采用PWM模式驱动半导体制冷片。通过改变PWM 的占空比来控制制冷片的工作时间，从而控制制冷片的制冷效率。采用制冷片制冷时，可以通过调节PWM占空比，即调节制冷片驱动电流，直接调节制冷片稳定时的冷端温度，将冷端温度控制在某个适当的值。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述远程操控系统的微控制器和通讯模块分别采用STM32F103C8T6和ESP8266 串口WIFI模块，无线通讯模块接收智能控温系统的环境状态信息和LED的状态信息，并将数据上传至微控制器；

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述的智能控温系统和远程操控系统中的供电模块和电源模块均采用3.3V的锂电池；

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述远程操控系统的执行模块主要是LED发光二极管，通讯模块接收智能控温系统的环境状态信息和LED的状态信息，并将数据上传至微控制器，经过微控制器分析处理，在上位机上显示，若智能控温系统的环境状态信息和LED的状态信息一切正常，则LED显示绿色，若信息超越设定阈值，LED闪烁红灯；

进一步地，实时监测LED的温度，根据温度的变化来调整LED功率的驱动参数；

进一步地，实时监测LED运行环境的照度，根据环境照度大小来调整LED 功率的驱动参数；

与现有的LED温控检测系统相比，本实用新型的优益效果是：

1.采用半导体制冷器对LED基板进行热管理，便于调控并且制冷速度快；此外，采用多级制冷片进行制冷，使得制冷的精度和速度都得到很大幅度的提升；在使用制冷片制冷时，可以通过调节PWM波占空比，通过调节制冷片驱动电流，直接调节制冷片稳定时的冷端温度，将冷端温度控制在某个适当的值，这样既可以达到降温制冷的目的，又可以防止冷端结霜导致LED失效，还可以降低制冷的功耗；另外，采用模糊PID控制算法来确定PWM信号的占空比，使得系统对于环境温度的变化能够迅速作出反应，可以实现一定范围内温度的精准控制，使得整个温控系统动上升时间快、动态跟踪品质好和稳态精度高，也让LED充分发挥其发光效率，这种基于PWM的模块化半导体制冷温度控制系统能够实现较高的制冷效率，完全满足大功率LED散热的需要。由于这种控温系统简单、灵活，只要根据实际情况进行合理的硬件配置，不但可以用于大功率LED的散热，还可以用于其他功率器件及应用场合(如CPU、激光器、红外线探测器探头、各种需要在低温下工作的设备等)的温度控制；

2.本实用新型通过状态检测模块和信号收集模块分别收集了环境的状态和大功率LED的状态数据信息，将这些数据信息传输到主控模块进行分析处理，根据温度的变化和LED运行环境来智能调整PWM波,进而调节大功率LED功率的驱动参数，实现智能温度控制；同时根据主控制器将这些数据信息通过无线通讯模块送至远程操控系统中的上位机显示；若智能控温系统的环境状态信息和 LED的状态信息一切正常，则LED显示绿色，若信息超越设定阈值，led闪烁红灯；远程操控系统中的上位机的环境状态和LED的状态数据显示，让LED的全程工作状态一目了然；该实用新型所解决的大功率LED的温度控制，解决了大功率LED的散热问题，实现了远程实时显示预警、温度控制，真正意义上做到大功率LED温度的智能控制。

附图说明

图1为一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统的原理图。

图2为一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明：

如图1所示：所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，包括智能控温系统和远程操控系统，所述智能控温系统包括主控模块、半导体制冷器、状态检测模块、信号收集模块、驱动模块、无线通信模块和供电模块；所述状态检测模块包括检测温湿度传感器、环境光传感器、电压传感器和电流传感器；所述的信号收集模块包括光照度传感器和温度传感器；所述远程操控系统包括上位机、微控制器、无线通讯模块、电源模块和执行模块。

所述智能控温系统中的状态检测模块、信号收集模块、无线通信模块、供电模块分别于主控模块相连接，其中，状态检测模块与信号收集模块的传感器与主控模块单片机STM32F103C8T6单片机的I/O口相连接，无线通信模块与主控模块STM32F103C8T6单片机的串口端相连，驱动模块与主控模块STM32F103C8T6单片机的I/O口相连，半导体制冷器与驱动模块相连，供电模块与主控模块STM32F103C8T6单片机的VDD端口相连；所述远程操控系统上位机、通讯模块、电源模块、执行模块分别于微控制器连接，其中，无线通讯模块与微控制器单片机的串口端相连，LED执行模块与微控制器STM32F103C8T6单片机的I/O口相连，电源模块与微控制器STM32F103C8T6单片机的VDD端口相连，上位机与微控制器STM32F103C8T6单片机通过串口通信端相连。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统中的智能控温系统主控模块通过信号收集模块实时采集LED状态数据，通过温度数据并与预设温度进行差值处理，采集的温度与预设温度的差值通过模糊PID算法，通过主控模块单片机输出不同占空比的PWM信号作为驱动电路的控制信号，通过调节半导体制冷器两端的电流大小来实现对半导体制冷器制冷功率的多级调节，从而将LED基板温度控制在设定值，同时主控模块会将当前的LED状态信息以及状态检测模块收集到的环境信息通过无线通信模块发送到远程操控系统，远程操控系统的微控制器通过无线通讯模块接收智能控温系统的信息，以及通过上位机进行显示，实现对系统监测和数据采集的目的。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统中的智能控温系统以STM32F103C8T6作为主控模块的核心，由3.3V的锂电池作为供电模块进行供电，由状态检测模块中的温湿度传感器、环境光传感器、电压传感器和电流传感器检测环境状态，信号收集模块采集LED光照度和温度数据信息，当收集到的LED的温度和光照度运行环境数据超过所设定的阈值时主控制器执行模糊 PID算法，根据模糊PID输出的误差增量调整PWM占空比，输出不同占空比的 PWM波，进而调控恒流驱动电路，输出一定大小的稳定电流，驱动半导体制冷片的制冷功率，以实现智能对LED温度的控制。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统中的智能控温系统，在进行智能温度控制时，根据设定温度、光照度值与当前温度、光照的差值，选择各个不同模式进行温度单级或者多级控制。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统中的智能控温系统的控制算法采用模糊PID控制算法来确定PWM信号的占空比；当环境温度和光照度高于或低于所设定的数值时，PWM信号的占空比应该比较高，当温度低于所设的温度值时，PWM信号的占空比应该比较低；通过实时修改模糊PID控制的三个参数，使得系统对于环境温度的变化能够迅速作出反应，实现一定范围内温度的精准控制；

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统中的智能控温系统的控制方法采用PWM模式驱动半导体制冷片。通过改变PWM的占空比来控制制冷片的工作时间，从而控制制冷片的制冷效率。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统中的智能控温系统在实现智能控温的同时，将智能控温系统状态检测模块和LED信号收集模块中所收集到的各状态数据信息通过无线通信模块传输给远程操控系统进行处理和设定。

所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统中的远程操控系统以微处理器STM32为核心，整个系统由3.3V锂电池供电，通过无线通讯模块接受到由智能控温系统中的各个状态信息，并且在上位机上显示，当温度或者光强度出现异常时，智能控温系统进行智能控温的同时，远程操控系统的执行模块即 LED灯会闪烁红光，若一切正常，则显示绿色。

如图2所示，本实用新型一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统的具体工作流程是：

1.系统开始工作时，首先启动各微处理器和主控模块，然后会进行智能控温系统和远程操控系统的初始化，包括STM32单片机各个I/O口接口的输入输出模式以及中断控制和定时器的初始化；

2.智能控温系统开始调用环境状态检测模块和LED信息收集模块各个测量子程序，在主控模块进行处理后，利用无线通信模块传输给远程操控系统；远程操控系统中的无线通讯模块接收到信息后，在上位机上实时显示LED温度值T1和光照度L1以及其他环境状态值；同时，我们可以设定环境状态模块的各个值的上限值以及下限值以及LED信息收集模块的温度上限值T2和下限值T3、光照度的上限值L2和下限值L3；

3.智能控温系统的主控模块开始分析环境状态信息和LED信息收集模块采集到的数据；若LED信息采集模块当前采集的温度值T1<所设温度下限值T3或者当前光照度值L1<所设光照度下限值L3时，智能控温系统开始执行制冷工作模式 1，即启动一级制冷片开始温度控制；若LED信息采集模块当前采集的温度值T1<所设温度上限值T2或者当前光照度值L1<所设光照度上限L2值时，智能控温系统开始执行制冷工作模式2，即启动两级制冷片开始温度控制；否则的话则启动三级制冷片开始温度控制；具体地通过主控制器执行模糊PID算法，根据模糊PID输出的误差增量调整PWM占空比，输出不同占空比的PWM波，进而调控恒流驱动电路，输出一定大小的稳定电流，驱动半导体制冷片的制冷功率，选择单级或者多级制冷片进行工作，实现智能对大功率LED温度的智能控制；同时，远程操控系统的执行模块的LED红灯开始闪烁，给工作人员一个预警；4.温度的检测与反馈是实时进行的，直到大功率LED的温度和光照度开始正常且稳定，这时程序结束，系统停止工作。

综上所述，本实用新型提供的所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，采用半导体制冷器进行热管理，同时采用模糊PID控制算法来确定PWM信号的占空比，使得整个温控系统动上升时间快，稳态精度高，有效的让LED基板温度稳定在一定范围内；远程操控系统实现了对环境状态信息和 LED状态信息的实时监测以及远程显示预警；一种基于PWM的大功率LED温度控制系统系统对于环境温度和光照度的变化能够迅速作出反应，可以实现一定范围内温度的精准控制，实现了远程显示预警、智能温度控制，完全满足大功率LED散热的需要，避免了LED热损坏，有效延长了LED寿命，真正意义上做到大功率LED温度的智能控制。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，包括智能控温系统和远程操控系统，其特征在于：所述的智能控温系统包括主控模块、半导体制冷器、状态检测模块、信息收集模块、驱动模块、无线通信模块和供电模块，其中主控模块为STM32F103C8T6单片机，状态检测模块包括检测温湿度传感器、环境光传感器、电压传感器和电流传感器，信息收集模块包括光照度传感器和温度传感器，驱动模块为驱动电路，无线通信模块为WIFI模块，供电模块为锂电池；所述远程操控系统包括上位机、微控制器、无线通讯模块、电源模块、执行模块，其中微控制器为STM32F103C8T6单片机，无线通讯模块为WIFI模块，电源模块为锂电池，上位机为电脑，执行模块是LED发光二极管；主控模块通过信号收集模块实时采集LED状态数据，通过温度数据并与预设温度进行差值处理，通过模糊PID算法让主控模块单片机输出不同占空比的PWM信号作为驱动电路的控制信号，通过调节半导体制冷器两端的电流大小来实现对半导体制冷器制冷功率的多级调节，从而将LED基板温度控制在设定值，同时主控模块会将当前的LED状态信息以及状态检测模块收集到的环境信息通过无线通信模块发送出去，远程操控系统的微控制器通过无线通讯模块接收智能控温系统的信息，以及通过上位机进行显示，实现对系统监测和数据采集的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述智能控温系统中状态检测模块、信息收集模块、无线通信模块、供电模块分别与主控模块STM32F103C8T6单片机相连接，其中，状态检测模块与信号收集模块的传感器与主控模块STM32F103C8T6单片机的I/O口相连，无线通信模块与主控模块STM32F103C8T6单片机的串口端相连，驱动模块与主控模块STM32F103C8T6单片机的I/O口相连，半导体制冷器与驱动模块相连，供电模块与主控模块STM32F103C8T6单片机的VDD端口相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述远程操控系统上位机、通讯模块、电源模块、执行模块分别于微控制器STM32F103C8T6单片机相连接，其中，无线通讯模块与微控制器STM32F103C8T6单片机的串口端相连，LED执行模块与微控制器STM32F103C8T6单片机的I/O口相连，上位机与微控制器STM32F103C8T6单片机通过串口通信端相连，电源模块与微控制器STM32F103C8T6单片机的VDD 端口相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述智能控温系统的主控模块采用STM32F103C8T6微控制器，状态检测模块的温湿度传感器使用的型号是DHT11，环境光传感器采用OPT3002传感器，电压传感器采用霍尔电压传感器，电流传感器采用霍尔电流传感器，信息收集模块的光照度传感器OPT3007,温度传感器采用PT100传感器；无线通信模块采用ESP8266串口WIFI模块；其中状态检测模块和信息收集模块分别检测环境状态和LED的状态，并将收集的信息发送给主控模块，经STM32F103C8T6微控制器进行数据处理分析，并且将采集的数据上传至远程操控系统。

5.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述智能控温系统的半导体制冷器与驱动模块，驱动电路选用PT4115作为驱动电路的核心器件；制冷片选择TEC1-12703；在控制电路输出端分别串联接入一级、二级、三级制冷片，实现不同级数温度控制。

6.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：智能温控系统采用模糊PID控制算法来确定PWM信息的占空比，可以实时修改模糊PID控制的三个参数；STM32F103C8T6微控制器接收数据采集模块所检测的数据，分析判断是否超出阈值，根据所设定的阈值，主控制器发出信号控制PWM信息调节驱动电路的电流，从而实现智能温度控制。

7.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述远程操控系统的微控制器和通讯模块分别采用STM32F103C8T6和ESP8266串口WIFI模块，通讯模块接收智能控温系统的环境状态信息和LED的状态信息，并将数据上传至微控制器。

8.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述的智能控温系统和远程操控系统中的供电模块和电源模块均采用3.3V的锂电池。

9.根据权利要求1所述的一种基于PWM的大功率LED温度智能控制系统，其特征在于：所述远程操控系统的执行模块是LED发光二极管。

Images