一种光谱柔性可调的LED光源系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光谱柔性可调的LED (Light-Emitting Diode,发光二极管)光源系统，属于光 生物学技术仪器领域，专用于植物光生物学、动物(人体)光生物学、微生物光生物学以及生物光 信号传导机制的科学研究。二、 技术背景光谱参数，包括波长、光密度(Photon Flux Density),光周期和工作频率，对生物的生长发育 产生关键作用。长期研究结果己经清楚地表明光谱影响生物的生长、控制生物的发育转变。但是迄 今为止，在相关的科学实验中，由于无法通过现有的实验仪器和手段获得光谱柔性可调的光源，研 究者仍不能精细地调控和设定实验过程所需要的光谱参数，这制约着光生物学的精确定量研究和深 入开展。在目前的光生物学科研实验中，白炽灯、荧光灯和金属卤素灯等传统照明光源被普遍采用，但 传统光源的波长和光密度分布是固定的，且波长范围很宽，实验研究所需的特定波长的光谱只能采 用滤光器衰减后得到，常用的滤光器包括多层醋酸盐胶片滤光片和彩色塑料制品等。这种方法存在 如下缺陷(1)所获波长的光密度和光周期不能精确定量调控；(2)无法精量调制多种特定波长的 光谱组合，只能获得某一波长光谱；(3)无法动态调制多波长、不同光密度、不同工作频率和不同 光周期组合的光谱参数。与传统照明光源相比，LED因其具有波宽窄(半宽为10-15 nm)、波长类型丰富、可选择性和 可调控性好的特点，十分适合用于光生物学研究领域。Jao RC等(Applied-Engineering-in-Agriculture， 2003)报导了 2种波长组合的LED光源；Folta KM等(BMC Plant Biology, 2005)报导了 3种波 长组合的LED光源。采用上述2种光源，只能获得2种或3种组合光谱，仍不能满足光生物学的研 究对多光谱和多辐射能参数组合的各种需求。光生物学研究对多光谱动态柔性可调的实验用光源有迫切的需求，这种光源在揭示光谱的生物 效应、光信号传导机制、以及生物体内不同光感受系统之间相互作用等方面的研究中能发挥重要作 用。基于这一技术背景和科研需求，专利技术了 一种光谱柔性可调的LED光源系统。采用该光源， 能够对近紫外、紫、紫蓝、蓝、绿、黄绿、黄、橙、亮红、深红、远红和近红外等实施任意波长的 精确组合调制，能够对各种波长的光密度、光周期、工作频率实施定量调制，得到实验研究所需的 各种调制光谱，以满足光生物学的科研需求。三、
技术实现思路
(一)技术问题 本专利技术的目的在于为光生物学研究提供一种光谱柔性可调的LED光源,解决传统光源不能提供 多光谱参数组合以及不能精确定量调制光谱参数等方面的问题，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 多光谱参数组合的光源。(二)技术方案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，由若千个单元模块构建成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；依据光谱柔性组合与调控方法编写系统软件，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、1/0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/0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，以KEIL C V750a为开发语言环境，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丄1)频率调控子程序采用C语言编写，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1000 HZ后重新从100 HZ开始循环递增；2丄2)光周期调控子程序采用C语言编写，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语言编写，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+ C12 + C12 + C2 + C12 + C12 + C12 +CI2+C12 + C12 + C12 + C12 = 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<formula>formula see original document page 6</formula>(1)式中Ut为驱动电流，V为串联支路的电压值，G为可编程电流增益，Rea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 = [(l+2xHC)/3] 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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ＫＥＩＬＣＶ７５０ａ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...

【技术特征摘要】
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/0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KEILCV750a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1000 HZ后重新从100 HZ开始循环递增；2丄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...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志刚，焦学磊，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]