專利名稱：大功率led隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大功率LED隧道燈技術領域，具體涉及一種大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法和裝置。
背景技術：
目前，大功率的發(fā)光二極管(LED)正由于其壽命長、耗電少、光效高、易于控制和綠色環(huán)保等特點，正逐步應用于隧道照明等領域，贏得了廣泛的市場。但是在實際的大功率隧道燈中發(fā)現(xiàn)，隨著LED燃點時間的增加和散熱設計不良等因素的存在，它的光輸出會逐步的下降，也就是所謂的光衰。使得隧道燈在使用一段時間后路面照度下降，可能不符合照明需要。因此對于室外照明燈具來說，當光衰達到30%時，燈具就不能繼續(xù)使用了。但這時候LED并沒有損壞，只是光輸出減少，這樣實際上是造成了 LED隧道燈壽命的縮短。
因此一般廠家都會在壽命的初期就使用較大的電流來驅動LED,使得在壽命晚期時能夠維持一個較為合適的照度。但是一方面這個早期較大的電流造成了多余的光通輸出，浪費了能量；另一方面，早期較大的電流會造成大功率LED光衰的進一步加大，壽命縮短。
而對于隧道燈來說，由于它們安裝在隧道內，更換和維修相當不方便，并且需要二十四小時燃點，因此需要燈自身有盡可能長的壽命和光輸出穩(wěn)定性。而上述LED的光衰問題會大大限制隧道燈的壽命和光穩(wěn)定，必須得到解決。
這些成了大功率LED隧道燈進一步推廣使用的關鍵。
本發(fā)明針對現(xiàn)有LED隧道燈在壽命期內采取的靜態(tài)控制策略帶來的諸多問題，設計提供一種實現(xiàn)大功率LED隧道燈長壽命可維持光強的控制方法和裝置，能對光衰做出及時動態(tài)的補償。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法和裝置。
本發(fā)明采用閉環(huán)數(shù)字控制方法，對LED輸出的光信號進行檢測和反饋，并根據(jù)信號和預定值的偏差情況調節(jié)功率輸出，在整個壽命期內維持LED的輸出光強，同時可以延長LED隧道燈的使用壽命。本發(fā)明提出的大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法，步驟為
(1) 接通電源，對主控制單元進行初始化，設定光電探頭的采樣時間、初始光通、光衰壽命閾值和光衰調節(jié)閾值；
(2) 主控制單元進入待機狀態(tài)，直至進入設定光電探頭的采樣時間；
(3) 利用光電探頭進行N次采樣，N的數(shù)量可根據(jù)具體情況而定，將光信號轉化為電信號，釆集白光LED陣列輸出的光強信號數(shù)值；
(4) 主控制單元對采集到的光強信號通過放大器進行放大，并由A/D轉換器件進行A/D轉換，轉換得到的數(shù)據(jù)存儲于主控制單元內；
(5) 采樣結束后，主控制單元將步驟(4)得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，將測得數(shù)據(jù)中受到外部影響的數(shù)據(jù)濾去，求出平均光強，所得平均光強數(shù)據(jù)和步驟(l)中設定的初始光通進行比較，得到光衰大小，并和預設的光衰調節(jié)閾值進行比較，當?shù)玫降墓馑ゴ笮”阮A設的光衰調節(jié)閾值小時，主控制單元不改變輸出功率；反之，則進入下一級信號判斷步驟；
(6) 當主控制單元測得光衰超過光衰調節(jié)閾值時，先比較現(xiàn)有光衰與近期的光衰數(shù)據(jù)，如果變化較大，主控制單元進入異常狀態(tài)，由主控制單元進行自檢，判斷是否發(fā)生燈損壞，或是探頭損壞等情況，導致傳回的信號異常；如果沒有異常，則結合此時的輸出電流和光衰來判斷燈壽命是否到期；對于燈壽命的判斷，最主要是依靠對LED輸出光強的衰減情況和供給電流的大小的判斷。當電流上升到事前預定的最大值，而輸出光強還是衰減到了原來的70%，即光衰壽命閾值為30%時，燈壽命就已經(jīng)到期；如果壽命到期或是異常得到確認，則信息存儲于主控制單元內，主控制單元發(fā)出警示信號；
(7) 主控制單元結合光衰和設定電流值，調大功率輸出，直到光衰得到補償；返回步驟(2)，待機等待。
本發(fā)明中，步驟(l)所述的主控制單元初始化，包含接通電源后關鍵參數(shù)的設置，中斷、定時器和輸入輸出腳等硬件的設定；具體如下
(1) 主控制單元啟動，設定系統(tǒng)硬件中斷向量地址，設定軟件程序的起始點；
(2) 主控制單元初始化，系統(tǒng)寄存器及輸出入腳的初始化，打開中斷和定時器，定義引腳的輸入輸出狀況確定；
(3) 設定主控制單元控制參數(shù)，包含光電探頭的采樣時間、光衰調節(jié)閾值和光衰壽命閾值。
本發(fā)明中，步驟(l)中所述光電探頭的采樣時間一般以午夜十二點為界限，這由外部的實時時鐘產(chǎn)生中斷，如果到達午夜十二點，則進入規(guī)定的工作流程，否則繼續(xù)待機。
本發(fā)明中，步驟(7)中所述調大功率輸出，可以是調節(jié)電流輸出的頻率、調節(jié)電流的沖寬度、直接調節(jié)電流值或是前期調節(jié)電流的脈沖寬度，后期直接調節(jié)電流值等。
本發(fā)明提出的大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制裝置，該裝置由白光 LED陣列22、遮光器23、光電探頭24、放大器25、 A/D轉換器件26、主控制單元27 (包 含數(shù)字濾波)，LED驅動模塊28、直流電源29和燈具外殼30組成，光電探頭24上接有遮 光器23，接受的LED的光輸入，光電探頭24將輸出的電信號接到放大器25的輸入腳； 放大器25將電信號放大后輸出到A/D轉換器件26， A/D轉換器件26進行模數(shù)轉換，A/D 轉換器件26通過信號線連接主控制單元27的輸入腳；主控制單元27讀入信號，主控制 單元27的I/O輸出口連接LED驅動模塊28;直流電源29的V+, V-線分別接到LED驅動 模塊28; LED驅動模塊28的輸出線連接接到白光LED陣列22兩端，供給功率。 本發(fā)明中，白光LED陣列22固定于燈具外殼30下方。
本發(fā)明中，光電探頭24釆用可遮雜散光的結構，如喇叭形，筒形等；并安裝于燈內合 適的位置，盡量減少外界光對探頭的干擾。 本發(fā)明的有益效果在于
1. 采用檢測燈具的光輸出方法，根據(jù)檢測到的光強信號，調節(jié)供給隧道燈的功率， 在使用期內維持燈的光輸出穩(wěn)定。從而補償LED由于各種原因造成的光衰，保證隧道燈始 終能提供一個滿意的照度。
2. 利用光電探頭定期定時檢測燈具的輸出光強，以保證對輸出光強變化的及時有效 響應，裝置能根據(jù)得到的信號判斷探頭是否損壞。
3. 光電探頭采用一定的光學結構，盡量阻擋外界環(huán)境光，并對采集的光信號進行數(shù) 字濾波，得到實際的LED光輸出信號，進行存儲。
4. 采集到的信號反饋回控制電路，控制單元檢測這些信號，計算光衰的大小，當光 衰超過一定閾值時，按一定比例增大輸入的功率，用以補償LED由于光衰而造成的光輸出 下降。這個比例是結合光衰的大小和LED輸出光通和輸入電流關系得出的。裝置并能對信 號異常進行判斷和示警。
本方法采用數(shù)字控制，結構簡單，成本低，較易于實現(xiàn)，能夠保證LED隧道燈的長壽 命穩(wěn)定工作，降低了維護和替換成本。


圖1是本發(fā)明控制方法步驟。
圖2是本發(fā)明的具體流程圖。
圖3是維持LED光強輸出的控制系統(tǒng)示意圖。
圖4是安裝光電探頭的燈具截面示意圖。圖5是調制電流輸出脈沖寬度增加的示意圖，其中(A)為初始狀態(tài)，(B)為脈沖寬 度增加后。
圖6是調制電流輸出頻率增加的示意圖，其中(A)為初始狀態(tài)，(B)為脈沖頻率增 加后。
圖7是直接調制電流輸出值增加的示意圖，其中(A)為初始狀態(tài)，(B)為電流值增 加后。
圖8是LED輸出光通和輸入電流的關系圖(選自Cree的說明書)。
圖中標號22是白光LED陣列，23是遮光器，24是光電探頭，25是放大器，26是
AD轉換，27是主控制單元(包含數(shù)字濾波)，28是LED驅動模塊，29是直流電源，30
是隧道燈的燈具外殼。
具體實施例方式
在以下給出的詳細說明和較佳實施例中，可以對本發(fā)明更全面了解，這些說明和附圖 并不僅限于特定實施例，而只是起到解釋和理解的作用。
如圖1所示，是本發(fā)明控制方法步驟，該方法主要包含以下的步驟
1. 系統(tǒng)初始化，包括接通直流電源后參數(shù)的設置，中斷、定時器和輸入輸出腳等硬 件的設定；
2.間隔等待步驟，主控制單元進入待機狀態(tài)，直至下一次預設光電探頭采樣時間的 到來。
3. 光強采樣步驟，利用光電探頭進行次采樣，將光信號轉化為電信號，采集當時燈 輸出的光強數(shù)值。
4. 信號轉換、存儲步驟，主控制單元對采集的信號進行放大和A/D轉換，并將轉換 得到的數(shù)據(jù)進行存儲。
5. 光衰計算、閾值比較步驟，主控制單元將步驟4得到的信號進行數(shù)字濾波，然后 和初始光通比較得到光衰大小，并和預設的光衰調節(jié)閾值和光衰壽命進行比較，確定是否 控制后部功率輸出改變和壽命是否到期。
6. 后級控制信號產(chǎn)生步驟，如果步驟5中光衰超過光衰調節(jié)閾值，主控制單元根據(jù) 預設的方法產(chǎn)生控制信號，調節(jié)后級驅動的功率輸出。
如圖2所示，是本發(fā)明方法的具體流程示意圖，該流程包括
1.主控制單元啟動，設定主控制單元硬件中斷向量地址，設定光電探頭的采樣時間、 光衰調節(jié)閾值和光衰壽命閾值。
2. 主控制單元初始化，主控制單元緩存器及輸出入腳的初始化，打開中斷和定時器，定義引腳的輸入輸出狀況確定。
3. 主控制單元設定實時時鐘、定時器、中斷、釆樣數(shù)目等的初始值，并在初次點亮 時記錄初始光通。
4. 待機，在平時如果沒有突發(fā)事件和規(guī)定任務的話，進入待機狀態(tài)，節(jié)省功耗。
5. 判斷時間是否到午夜，這由外部的實時時鐘進行判斷，如果到達午夜十二點，則進 入規(guī)定的工作流程6。
6. 時間條件滿足，則主控制單元控制光電探頭進行光強采樣，將光信號轉化為電信號， 并進行放大等前期處理。
7. 采樣結束后，主控制單元控制模數(shù)轉換器將電信號轉化為數(shù)字信號。
8. 主控制單元將數(shù)字信號存儲起來，媒介是flash等掉電不丟失的存儲器。
9. 主控制單元會一次采集N個數(shù)據(jù)，以防止單次采樣帶來的誤差。在這個步驟，判 斷己釆樣次數(shù)，如果不滿足，返回工作流程6繼續(xù)執(zhí)行。
10. 采樣完成后，主控制單元一次讀出所有數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波操作，將測得信號中 受到外部影響的信號去掉。求出平均光強數(shù)據(jù)，也將其存儲。
11. 將光強信號讀出，和預設的光強比較，得出光衰的大小，并存儲。
12. 當?shù)玫降墓馑ケ阮A設的光衰調節(jié)閾值小時，主控制單元不改變輸出的功率；反之， 則進入后級的信號判斷工作流程13。
13. 主控制單元在光衰超過光衰調節(jié)閾值時，先比較現(xiàn)有光衰與近期的光衰數(shù)據(jù)，如 果變化很大，主控制單元進入異常狀態(tài)，由主控制單元進行自檢，判斷是否發(fā)生燈損壞， 或是探頭損壞等情況，導致傳回的信號異常。如果沒有異常，則結合此時的輸出電流和光 衰來判斷燈壽命是否到期。如果壽命到期或是異常得到確認，則進入工作流程14，反之進 入工作流程15。
14. 如果壽命到期或是異常產(chǎn)生，那么向上位機發(fā)出警示信號。
15. 主控制單元結合光衰和內定的函數(shù)，調大功率輸出，直到光衰得到補償。這一步 完成后，進入工作流程4，待機等待。
圖3所示的是這個控制裝置的整個系統(tǒng)框圖，圖4系統(tǒng)探頭安裝位置的示意圖。如圖 所示，本發(fā)明主要包括了采集控制模塊和電源驅動模塊。其中第一部分用于釆集和處理 LED輸出的光強數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應的控制信號；第二部分根據(jù)控制模塊產(chǎn)生的信號來進行 相應的電流輸出，調節(jié)LED的光通輸出。
具體地，采集和控制裝置包含遮光器23、光電探頭24、放大器25、 A/D轉換器件26、
主控制單元27。遮光器23用于遮擋外界環(huán)境光的輸入，之后內部的光電探頭24檢測LED輸出的光，這部分安裝在圖4中燈具外殼30的內下方。這里的光電探頭24可以是光電二 極管、光電池或光敏電阻等能起到光電轉換作用的器件。信號經(jīng)過運算放大器25 —定比 例的放大后，由A/D轉換器件26將模擬信號轉化為數(shù)字信號，再由主控制單元27處理這 些信號，進行數(shù)字濾波，進一步去除外界的入射光，比如駛來汽車前大燈的直射光等。然 后將這個信號和預先設定的值比較得出光衰大小，先進行光衰和前期數(shù)據(jù)的比較，如果變 化很大，進入異常狀態(tài)，判斷異常原因；接著進行壽命判斷，主要是結合現(xiàn)在的輸出電流 和光衰大小，如果異常確認或是壽命到期，則向上位機發(fā)出警示信號。如果正常，系統(tǒng)結 合光衰和LED的發(fā)光特性圖8中，得到給電源驅動模塊的控制信號。
其中，電源驅動模塊包括三部分LED驅動模塊28、直流電源29、白光LED陣列22。 LED驅動器28由接受主控制單元27輸出的信號，相應改變一定比例的輸出電流，從而改 變輸出功率。這些改變的方式可以是圖5、圖6或圖7，從而調節(jié)隧道燈中LED陣列22 的光輸出，對燈具的光衰做出補償。 實施實例
在本實例圖4中，在隧道燈的出光口處，安裝有四個光電探頭，探頭上安裝有喇叭形 遮光器， 一方面遮蔽外界的環(huán)境光，另一方面收集盡可能多LED的光。探頭定期于深夜十 二點進行采樣， 一般一次采集多組信號。后續(xù)的電路將光信號轉化為電信號，這個電信號 經(jīng)過運算放大器的放大和后續(xù)A/D轉換器件的轉換，變成數(shù)字信號，輸入到控制單元。控 制單元這里是一個MCU，它將得到的信號和之前剛測到的信號的平均進行比較，如果發(fā) 現(xiàn)有著突然變化的信號，自動將這個信號舍棄。這種數(shù)字濾波的方法可以將偶然入射到探 頭的信號去掉，保證不會收到錯誤的信號。這之后將測得的光強數(shù)據(jù)保存于存儲設施中， 這里是flash,這些數(shù)據(jù)在掉電后也不會丟失。
另外，考慮到四個探頭中可能發(fā)生的損壞情況，設計了探頭損壞應對措施，即在四個 檢測到的信號值中，如果有一個探頭的值明顯超過設定的最大閾值，并持續(xù)一段時間，那 么系統(tǒng)就會判定這個探頭損壞，此后舍棄這個探頭傳來的信號。如果探頭損壞了兩個以上 時，為了保證不會引起錯誤的控制，我們自動將燈的輸出功率調制到額定值。
主控制單元將光強信號和預先設定的光強值比較，得到光衰值大小。當這個光衰值超 過允許的光衰調節(jié)閾值(5%)時，才會以一定比例改變給后級的功率控制信號，進而改變 隧道燈的光輸出。這個比例是綜合了光衰和LED光輸出隨著電流變化的曲線圖8所定下的。 這里設定閾值一方面減少了不必要的頻繁調節(jié)，造成閃爍；另一方面由于這個閾值的存在， 不會出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。但是如果光衰變化值很大，則進入異常狀態(tài)，判斷是否由于燈損壞 或是探頭損壞等情況造成的，如果異常得到確認，裝置向上位機發(fā)出信號來警示管理者。LED驅動模塊接受到了控制信號后，決定提供給LED的電流大小和方式。在這里有兩 個考慮l.大功率LED的光效受溫度的影響很大，如果在大電流下的情況下溫度會上升， 使得光效下降，并使壽命縮短，盡量降低輸出的峰值電流；2.白光LED的色坐標會隨著輸 入電流的大小改變而造成偏移，因此盡量減少調節(jié)峰值電流的變化。在示例中結合了脈沖 寬度調制和直接調制電流的方法，在早期使用脈沖寬度調節(jié)，減少色坐標偏移。后期使用 直接電流調制，因為這時候如果繼續(xù)使用脈沖寬度調制，那么這個脈沖電流的峰值會很高， 影響光效和LED的壽命。因此最后使用的方案是前期使用電流峰值是350mA的脈沖寬度 調制(圖5)，當占空比等于100%后，改用直接調節(jié)電流值的方法(圖7)。
最后是燈壽命終結的判斷，燈具不可能一直提高電流來補償光衰，隨著大功率LED的 光效的下降，為了維持光輸出，會消耗很多的能源。因此在主控制單元中設定了電流上升 的最大閾值，如30%，如果在此閾值下LED的光輸出還是下降到了初始的70% (即光衰 壽命閾值為30%)，就判定為燈壽命的終結。控制單元向上級發(fā)出警示信號，提示更換。
權利要求
1、一種大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法，其特征在于具體步驟為(1)接通電源，對主控制單元進行初始化，設定光電探頭的采樣時間、初始光通、光衰調節(jié)閾值和光衰壽命閾值；(2)主控制單元進入待機狀態(tài)，直至進入設定光電探頭的采樣時間；(3)利用光電探頭進行N次采樣，將光信號轉化為電信號，采集白光LED陣列輸出的光強數(shù)值；(4)主控制單元對采集到的光強信號通過放大器進行放大，并由A/D轉換器件進行A/D轉換，轉換得到的數(shù)據(jù)存儲于主控制單元內；(5)采樣結束后，主控制單元將步驟(4)得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，將測得信號中受到外部影響的信號濾去，求出平均光強數(shù)據(jù)，所得平均光強數(shù)據(jù)和步驟(1)中設定的初始光通進行比較，得到光衰大小，并和預設的光衰調節(jié)閾值進行比較，當?shù)玫降墓馑ゴ笮”阮A設的光衰調節(jié)閾值小時，主控制單元不改變輸出功率；反之，則進入下一級信號判斷步驟；(6)當主控制單元測得光衰超過光衰調節(jié)閾值時，先比較現(xiàn)有光衰與近期的光衰數(shù)據(jù)，如果變化較大，主控制單元進入異常狀態(tài)，由主控制單元進行自檢，判斷是否發(fā)生燈損壞，或是探頭損壞情況，導致傳回的信號異常；如果沒有異常，則結合此時的輸出電流和光衰來判斷燈壽命是否到期；如果燈壽命到期或是異常得到確認，則信息存儲于主控制單元內，主控制單元發(fā)出警示信號；(7)主控制單元結合光衰和設定電流值，調節(jié)功率輸出，直到光衰得到補償；返回步驟(2)，待機等待。
2、 根據(jù)權利要求1所述的大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法，其 特征在于步驟(l)所述主控制單元初始化，包含接通電源后關鍵參數(shù)的設置，中斷、定時器 和輸入輸出腳等硬件的設定；具體如下(1) 主控制單元啟動，設定系統(tǒng)硬件中斷向量地址，設定軟件程序的起始點；(2) 主控制單元初始化，系統(tǒng)寄存器及輸出入腳的初始化，打開中斷和定時器，定義 引腳的輸入輸出狀況確定；(3) 設定主控制單元控制參數(shù)，包含光電探頭的采樣時間、光衰調節(jié)閾值和光衰壽命 閾值。
3、 根據(jù)權利要求1所述的大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法，其特征在于步驟(l)中所述光電探頭的釆樣時間以午夜十二點為界限，這由外部的實時時鐘產(chǎn) 生中斷。
4、 根據(jù)權利要求1所述的大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法，其 特征在于步驟(7)中所述調大功率輸出，是調節(jié)電流輸出的頻率、調節(jié)電流的脈沖寬度、直 接調節(jié)電流值或是前期調節(jié)電流的脈沖寬度，后期直接調節(jié)電流值。
5、 一種大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制裝置，由白光LED陣列(22)、 遮光器(23)、光電探頭(24)、放大器(25)、 A/D轉換器件(26)、主控制單元(27)， LED驅動 模塊(28)、直流電源(29)和燈具外貧30)組成，其特征在于光電探頭P4)上接有遮光器(23)， 接受的LED的光輸入，光電探頭(24灘輸出的電信號接到放大器(25)的輸入腳；放大器(25) 將電信號放大后輸出到A/D轉換器件(26), A/D轉換器件(26)進行模數(shù)轉換，A/D轉換器 件(26)通過信號線連接主控制單元(27)的輸入腳；主控制單元(27)讀入信號，主控制單元(27) 的I/O輸出口連接LED驅動模塊(28);直流電源(29)的V+， V-線分別接到LED驅動模塊(28); LED驅動模塊(28)的輸出線連接接到白光LED陣列(22)兩端。
6、 根據(jù)權利要求5所述的大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制裝置，其 特征在于白光LED陣列(22)固定于燈具外殼(30)下方。
7、 根據(jù)權利要求5所述的大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制裝置，其 特征在于光電探頭(24)采用遮雜散光的結構，為喇叭形或筒形。
全文摘要
本發(fā)明屬于大功率LED隧道燈技術領域，具體涉及一種大功率LED隧道燈實現(xiàn)長壽命可維持光強的控制方法和裝置。本發(fā)明采用閉環(huán)數(shù)字控制，在整個壽命期內維持LED的輸出光強，補償其光衰，從而保證隧道燈在使用期間維持一個滿意的照度，同時可以延長LED隧道燈的使用壽命。具體為裝置對LED輸出的光信號進行檢測、放大和轉換，對信號進行濾波和判斷，去除錯誤信號。進而根據(jù)計算得到的光衰大小，控制調節(jié)燈的光輸出。該發(fā)明也包含了燈壽命終了的判斷方法，并于壽命終期向上位系統(tǒng)發(fā)出警示信號。
文檔編號H05B37/02GK101478851SQ20091004501
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權日2009年1月8日
發(fā)明者劉木清, 忞 岑, 磊 江, 蔣曉波, 凱 韓 申請人:復旦大學