一种光谱柔性可调的LED光源系统

摘要

本发明涉及一种光谱柔性可调的LED光源系统，属于光生物学研究仪器领域。本发明光源主要由系统硬件、系统软件和光谱柔性组合与调控方法构成。LED以活动插拔的方式与LED阵列基板连接，形成单元模块并构建成LED阵列，LED阵列与LED恒流驱动电路连接，电路通过数据线及电源线与控制器连接，再与电源连接。光谱柔性组合与调控方法包括波长组合、光密度调整、光周期调控、工作频率调控。本发明解决了传统光源不能提供多光谱参数组合以及不能精确定量调制光谱参数的问题，能够依据光生物学的研究实验需求，对光谱参数实施柔性调制，定量精确地获取不同波长、不同光密度、不同光周期、不同工作频率的多光谱参数组合的系列光源。

主权项

1.一种光谱柔性可调的LED光源系统，包括系统硬件、光谱柔性组合与调控方法、以及系统软件；系统硬件主要由LED与LED阵列、LED恒流驱动电路和控制器3个部分组成，LED以活动插拔的方式与LED阵列基板连接，形成单元模块，由若干个单元模块构建成LED阵列，LED阵列与LED恒流驱动电路连接，并安排在同一块电路板上，LED恒流驱动电路通过数据线和电源线与控制器连接，控制器与电源连接；光谱柔性组合与调控方法包括波长组合、光密度调控、光周期调控、工作频率调控的多参数组合调控；系统软件依据光谱柔性组合与调控方法编写，并与系统硬件融合；其特征在于：1)系统硬件1.1)LED与LED阵列LED以活动插拔的方式与LED阵列基板连接，形成单元模块，由若干个单元模块构建成LED阵列；LED阵列与LED恒流驱动电路连接；在阵列基板上，不同波长和不同数量的LED能够被任意组合，形成符合要求的光源，具有相应的光密度和复合波长；1.2)LED恒流驱动电路LED恒流驱动电路安排在LED阵列基板上，由驱动芯片、可调电阻和串行数据接口JP1相互连接构成，驱动芯片的引脚分别与LED阵列基板单元的同名串联支路连接，并保持输出通道的恒流特性和驱动电流的一致性，最高输出电流值由可调电阻调整确定；1.3)控制器控制器用于控制LED恒流驱动电路，主要由单片机电路、I/O接口驱动电路、按键电路、显示接口电路和数据存储电路组成；单片机中写有软件程序，用于调控并设定LED的驱动电流、工作频率和脉冲宽度，以满足对光谱柔性调整的需求；单片机电路通过I/O接口驱动电路和串行数据接口JP1连接LED恒流驱动电路，按键电路、显示接口电路和数据存储电路均与单片机连接；2)系统软件系统软件固化在控制器的单片机内，在KEIL C V750a开发语言环境中用C语言编程，采用模块化程序设计，主要包括键盘扫描模块、显示模块、LED驱动控制模块：2.1)键盘扫描模块：用于选择S1、S2、S3、S4这4个功能键，实现人机交互；当按下某个功能键后，该模块完成键的识别，并通过调用功能函数方式调用与该功能键相对应的子程序：频率调控子程序、光周期调控子程序、光密度调控子程序、系统参数保存子程序，来实现相应的参数设定与调控；2.1.1)频率调控子程序：采用C语言编程，按S1键调用该子程序，调控并设定系统工作频率参数：共有从100HZ到1000HZ间的10种频率调节，每按一次递增100HZ，至1000HZ后重新从100HZ开始循环递增；2.1.2)光周期调控子程序：采用C语言编程，按S2键调用该子程序，调控并设定光周期参数：通过脉冲宽度调制PWM实现，11种PWM参数对应于11种光周期调节，通过按键设定并调控光周期；2.1.3)光密度调控子程序：采用C语言编程，按S3键调用该子程序，调控并设定光密度参数：包括任一波长LED的光密度调控、各波长LED之间的光密度比例调控和系统光密度的总量调控，通过采用以下2种方法实现：方法一，波长柔性组合通过活动插拔型连接设计方法实现；对于紫外、紫、紫蓝、蓝、绿、黄绿、黄、橙、亮红、深红、远红和近红外这12种波长的LED，总计有4095种多波长组合形成的光源，即：$C_{12}^1+C_{12}^2+C_{12}^3+C_{12}^4+C_{12}^5+C_{12}^6+C_{12}^7+C_{12}^8+C_{12}^9+C_{12}^{10}+C_{12}^{11}+C_{12}^{12}=4095$ 任一波长的光密度与该波长LED数量成正比，通过增减LED的数量的方法调控最大光密度值，对于多波长组合的LED光源系统，通过调节各波长LED的数量比例，实现对各波长LED之间的光密度比例的调控；或方法二，光密度与驱动电流成正比，在LED数量和比例确定后，进一步通过调控驱动电流的方法实现对系统光密度的总量调控，采用软件程序调控电流增益，实现对驱动电流的调控，其原理如下：$I_{\mathrm{out}}=\left(\frac{1.4175\times V\times G}{R_{\mathrm{ext}}}\right)\times 15---\left(1\right)$ 式中：Iout为驱动电流，V为串联支路的电压值，G为可编程电流增益，Rext为可调电阻；调定Rext的阻值后，最大驱动电流得以确定，在此基础上，通过程序调节电流增益G，从而得到不同的驱动电流，编程时，电流增益G由电流调整码{HC，CC(0:5)}确定：G＝[(1+2×HC)/3]×[(1+D/32)/3] (2)式中，D＝CC0×25+CC1×24+CC2×23+CC3×22+CC4×21+CC5×20。HC、CC0、CC1、CC2、CC3、CC4、CC5的取值为0和1，缺省值设为1，可获得128(27)种组合参数，对应于128种驱动电流和光密度参数调整值，表1为电流调整码；表1电流调整码Bit0 Bit1 Bit2 Bit3 Bit4 Bit5 Bit6 Bit7含义-- HC CC0 CC1 CC2 CC3 CC4 CC5缺省值-- 1 1 1 1 1 1 1此外，通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)的方法实现对系统光密度的总量调控，系统软件共设有从0到100％间的11种PWM参数，光密度与参数大小成正比，PWM参数由按键设定，每按一次递增10％，至100％后重新从10％开始循环递增；2.1.4)系统参数保存子程序：采用C语言编程，按S4键调用该子程序，与系统设置参数存贮电路匹配，用该子程序保存所设置的参数；2.2)显示模块：采用C语言编程，与显示接口电路匹配，用于同步显示已得到调控设定的各种参数，即工作频率、光周期和光密度参数；2.3)LED驱动控制模块：采用C语言编程，通过函数调用方式，获取已经得到设置的工作频率参数、光周期参数、光密度参数，与LED恒流驱动电路匹配协调，保证光源系统按照所设定的工作频率、光周期和光密度工作；2.4)多参数组合调控：分别对波长、光密度、光周期和工作频率这4种光谱参数实施不同控制量的组合，以获取所需复合光源：即通过对4095种波长、128种系统光密度总量、11种光周期和10种工作频率实施多参数组合调控，总计可以得到57657600种不同光谱参数的系列复合光源，即4095×128×11×10＝57657600；各模块程序写入控制器的单片机中，通过控制器控制LED恒流驱动电路，进而控制LED阵列，使整个光源系统按照已经设定的各种参数协调工作。