专利名称：：一种光谱柔性可调的led光源系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种光谱柔性可调的LED(Light-EmittingDiode,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(PhotonFluxDensity),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10-15nm)、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。JaoRC等(Applied-Engineering-in-Agriculture，2003)报导了2种波长组合的LED光源；FoltaKM等(BMCPlantBiology,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，发明了"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、
发明内容(一)技术问题本发明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KEILCV750a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1000HZ后重新从100HZ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>formulaseeoriginaldocumentpage6</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]x(l+D/32)/3](2)式中，D=CCOX25+CC1X24+CC2X23+CC3X22+CC4X21+CC5X20。HC、CCO、CC1、CC2、CC3、CC4、CC5的取值为0禾Q1,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l为电流调整码；表1电流调整码<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>此外，通过脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,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至U100%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语言编写，按S4键调该子程序，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语言编写，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语言编写，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、ll种光周期和lO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4095X128X11X10=57657600;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。(三)有益效果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，"光谱柔性可调的LED光源系统"能够精细地调控和设定实验过程所需要的光谱参数，形成一系列符合实验要求的光源，是系统开展光生物学定量研究的重要支撑。与传统照明光源相比，本发明"光谱柔性可调的LED光源系统"具有如下有益效果1、传统光源的波长和光密度不可调，波动大，不能满足实验对光谱多样性的需求。本发明光源系统采用LED，其优点是波长窄、分布稳定、波长类型丰富、可选择性和可调控性好，符合光生物学领域的实验要求。2、本光源系统能够对波长、光密度、光周期和工作频率这4种参数中任意一个参量实施精确、定量的设定和调控。3、本发明光源系统能够对波长、光密度、光周期和工作频率这4种参数实施不同控制量的组合，形成一系列符合实验要求的复合光源。4、本发明光源系统能够形成57657600种系列光源，为光生物学实验提供了充分的选择。5、采用本发明光源系统，科研实验设计者能够依据实验需要，自己动手设置、组合、调整光谱参数，在第一时间里形成最能满足实验设计思路的最优光源，确保科研人员创造性的实现和主观能动性的发挥。四图1光谱柔性可调的LED光源系统总体结构示意图。图2LED阵列基板单元原理图。图3LED恒流驱动电路。图4单片机电路原理图。图51/o接口驱动电路。图6按键电路。图7显示接口电路。图8系统设置参数存贮电路。图9系统软件流程图五具体实施方式(一)构建光源系统的硬件与软件(1)根据图2和图3的原理图，设计相对应的电路，并制作电路板。将图3所示的LED恒流驱动电路直接设计制作在图2所示的阵列基板上,并将图2中的OUT0—OUT15与图3中的OUT0一OUT15连接。图2中，在对应于任一LED的位置(Dl—D80)上焊接带孔插接件。所有LED都将插接在这些带孔插接件上，也能很便捷地从这些带孔插接件上拔下，这种活动插拔的设计保证了任意波长和数量的LED能够方便快捷被安装在任意位置上，实现对光源系统的波长和光密度的柔性组合调控。(2)根据图4、图5、图6、图7和图8所示，设计控制器的印刷电路板，制作出控制器。(3)按照图9所示的软件系统流程图，通过KEILC51编辑、编译开发环境，采用C语言编制系统软件程序，调试成功后写入控制器中的单片机。(二)本光源系统在植物光生物学实验中的应用1、材料与方法(1)以菊花克隆苗为实验材料，切取1茎1叶，平均株高1.5cm进行生根培养实验。以MS为基本培养基，蔗糖30g丄"，琼脂浓度6.5gi;1，pH调至5.8,封口膜封口，封口膜通气孔为4孔，通气孔滤膜直径10mm，滤膜微孔0.5nm。每瓶接种5株，共计100瓶。在23士2'C温度、16h光照、70±5%相对湿度。预培养3d后放置于8种LED光源系统中，培养35d后取出，测试生物指标。2、设置8种LED光源，如表2表28种光源的光谱参数颠碧度，淑/碧度/辨w附%他jUy7o7顶—'1654—60卯055.952458—6090057.823654+4589:16090056.204654+4583:16090058.345700—6090050.126700+6542:16090052.467700+6541)160卯051.218700+6541:26090053.68(三)组合、调制并形成光源。依据实验设计表2对光谱参数的要求，调制并形成光源的具体方式如下(1)根据实验所要求的波长组合，选择对应波长的LED;(2)依据实验所要求的各波长光密度比例、最大系统光密度总量和单颗LED的光密度值,确定各波长LED的数量(某波长LED的数量=该波长的光密度比例X最大系统光密度值+单颗LED的光密度)，并均匀排列插接在LED阵列基板单元(图2)上；(3)依据实验空间，组合相应数量的LED阵列基板单元，通过数据线和电源线与控制器连接，再将控制器接通电源；(4)按S3键(图6、图9)设定并调控系统光密度总量；(5)按S1键(图6、图9)设定光源系统的工作频率；(6)按S2键(图6、图9)设定并调控光源系统的光周期；(7)按S4键，单片机记忆并锁定上述所调整确定的各种参数组合。上述参数调整设定好后，光源系统在控制器中单片机的统一协调管理下，自动按照所设定的参数工作。根据上述实施方法设置并构建好LED光源系统后，再将实验材料(如植物)移入该光源系统。在使用或光生物学实验过程中，可以根据需要，随时调节光源系统的波长组合参数、工作频率参数、光密度和光周期参数。(四)结果与分析所有实验数据重复测试3次，使用SAS8.2软件做差异显著性测验，实验结果分析如表3、表表38种光源对菊花克隆苗叶绿素含量的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表48种光源对菊花克隆苗生理指标的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注不同小写字母代表在0.05水平差异显著结论表2的数据表明，本发明"光谱柔性可调的LED光源系统"能够很好地满足光生物学实验对多种光谱参数设定的要求。表3和表4的数据表明，在900Hz、60%光周期和50-60umolnT2s—1系统光密度总量的参数组合下，与其它6种波长组合的光源相比，红光(654nm)和蓝光(458nm)组合的光源对植物克隆苗的生长最为有效。权利要求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1000HZ后重新从100HZ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<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>此外，通过脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,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至lj100。/。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、ll种光周期和lO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4095X128X11X10=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。全文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。文档编号F21S2/00GK101144573SQ20071013328公开日2008年3月19日申请日期2007年10月16日优先权日2007年10月16日发明者徐志刚,焦学磊申请人:南京农业大学