一种led舞台灯温度自适应控制系统及控制方法

一种led舞台灯温度自适应控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明涉及舞台灯技术领域，更具体地，涉及一种LED舞台灯温度自适应控制系统及控制方法。一种LED舞台灯温度自适应控制系统，其中，包括温度采集模块、温度传感控制模块、A/D转换模块、MCU控制模块、供电电源模块、LED驱动模块、保护模块、补偿模块、风扇控制模块和冷却风扇，所述温度传感控制模块、A/D转换模块、供电电源模块、LED驱动模块、保护模块、补偿模块和风扇控制模块均与所述MCU控制模块电连接，所述温度采集模块、A/D转换模块与所述温度传感控制模块电连接，所述保护模块与所述LED驱动模块电连接，所述冷却风扇与所述风扇控制模块电连接。本发明通过控制系统、控制方法和结构设计的相互配合，使得LED灯具具有良好的控温效果。
【专利说明】
一种LED舞台灯温度自适应控制系统及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及舞台灯技术领域，更具体地，涉及一种LED舞台灯温度自适应控制系统 及控制方法。
【背景技术】
[0002] LED光源的舞台灯具有节能、寿命长、环保、响应速度快和容易调整等特点，其理论 耗能是白炽灯的10%，荧光灯的50%，寿命是荧光灯的10倍。同时，LED白光光源无紫外光、红 外光等辐射，采用树脂硅胶封装，具有结构坚固可回收利用等优点。此外，因为光色多、单色 性好、发热小等特点，LED光源深受舞台照明行业青睐，目前已被广泛应用于大型舞台、歌剧 院、体育场馆等演出现场。
[0003] 舞台照明多采用大功率LED光源，当环境温度高于安全工作点温度时，LED内部的 正向电流就会超出安全区，使LED寿命大为降低甚至损坏;且其峰值波长、辐射通量、色温等 光谱特性也会受到温度极大影响，降低发光质量;LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过 固相转变温度(通常为125°C)，封装材料会向橡胶状转变并热膨胀系数骤升，从而导致LED 开路和失效，影响LED舞台灯的正常使用及缩短LED的使用寿命。

【发明内容】

[0004] 本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种LED舞台灯温度自适 应控制系统及控制方法。本发明结构简单，使用方便，通过控制系统和控制方法的相互配 合，使得LED灯具具有良好的控温效果。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种LED舞台灯温度自适应控制 系统，其中，包括温度采集模块、温度传感控制模块、A/D转换模块、MCU控制模块、供电电源 模块、LED驱动模块、保护模块、补偿模块、风扇控制模块和冷却风扇，所述温度传感控制模 块、A/D转换模块、供电电源模块、LED驱动模块、保护模块、补偿模块和风扇控制模块均与所 述MCU控制模块电连接，所述温度采集模块、A/D转换模块与所述温度传感控制模块电连接， 所述保护模块与所述LED驱动模块电连接，所述冷却风扇与所述风扇控制模块电连接，所述 温度采集模块设在舞台灯光源处。LED舞台灯温度自适应控制系统完成初始化后，温度采集 模块开始采集舞台灯光源处的温度值，然后通过温度传感控制模块将采集到的温度值数据 传给A/D转换模块进行数据转换，随后MCU控制模块开始读取A/D转换模块上转换后的数据， 根据读取的温度值进行判定，选择相对应的处理方式，包括冷却风扇是否运行，冷却风扇运 行时转速的快慢，LED光源功率是否保持恒定，以及是否启动保护模块等。需要指出的是，一 旦启动保护模块，整个系统将停止运行，必须要等待温度冷却后才可手动启动系统。
[0006] 进一步的，所述MCU控制模块的主控制芯片采用32位MCU STM32F051，其运行频率 为72M，运行速度提高使温度曲线更加平滑，波动小。
[0007] 进一步的，所述风扇控制模块包括依次电连接的风扇驱动电路、电源电路、风扇转 速检测电路以及风扇故障检测电路，所述风扇驱动电路、电源电路、风扇转速检测电路以及 风扇故障检测电路均由所述MCU控制模块的主控制芯片控制。
[0008] 进一步的，所述温度采集模块包括若干个并联的热敏电阻，所述若干个并联的热 敏电阻沿舞台灯LED光源安装面的径向排布在LED光源之间。MCU控制模块通过温度传感控 制模块控制所述若干个热敏电阻轮换选通，检测LED光源安装面不同位置的温度，并将热敏 电阻采集的温度模拟数据送入A/D转换模块，A/D转换模块将温度值转换成数字信号输入 MCU控制模块，完成一次采集过程，LED光源安装面的中心位置即LED光源越集中的地方温度 越高，越靠近圆周边缘则温度越低。
[0009] 本发明还提供一种基于上述LED舞台灯温度自适应控制系统的控制方法，其中，包 括以下步骤： 51. 所述供电电源模块给LED舞台灯温度自适应控制系统供电； 52. 在所述MCU控制模块中设置3个温度阈值，分别为最小温度值Ta、中间温度值Tb和 最大温度值Tc，以及1个温度极限值Tm; 53. 在系统运行时间内，所述MCU控制模块通过所述温度传感控制模块控制所述温度 采集模块每间隔一段固定时间采集一次舞台灯光源处的温度值Tr的数据； 54. 所述温度采集模块（1)将采集到的舞台灯光源处的温度值Tr的数据传给所述MCU 控制模块(4); 55. 所述MCU控制模块接收到温度值Tr的数据后，将温度值Tr与设定的温度阈值进行 比较，根据比较结果采取以下不同控制策略： 若Tr< Ta，光源处的温度小于最小值，不需冷却，LED光源功率保持额定值，保护模块不 工作； 若Ta< Tr<Tb，光源处的温度在最小值与中间值之间，LED温度优良，MCU控制模块向 风扇控制模块发送控制信号，由风扇控制模块控制冷却风扇的转速为慢速，LED光源功率保 持额定值，保护模块不工作； 若Tb < Tr <Tc，光源处的温度在中间值与最大值间，LED温度良好，Μ⑶控制模块向风 扇控制模块发送控制信号，由风扇控制模块控制冷却风扇的转速为高速，LED光源功率为额 定值，保护模块不工作； 若Tc<Tr<Tm，光源处的温度超过安全工作温度，LED温度较差，MCU控制模块向风扇控 制模块发送控制信号，由风扇控制模块控制冷却风扇的转速为高速，MCU控制模块根据温升 调低LED光源的输出功率，LED驱动模块进入温度补偿区，通过补偿模块，使输出峰值电流与 平均值电流随之减小，降低LED光源功率;此时，保护模块不工作； 若Tm<Tr，MCU控制模块启动保护模块，关断LED驱动模块的输出，达到保护目的。
[0010] 进一步的，所述步骤S5中，当Tc <Tr <Tm时，Μ⑶控制模块降低LED光源功率后，需 要与新的温度数据重新对比，直到光源处的温度在安全范围内才会调整系统工作状态，恢 复LED光源到额定功率运行。
[0011] 进一步的，所述步骤S3中，所述温度采集模块在每间隔一段固定时间后采集舞台 灯光源处的温度值Tr的数据时，均连续采集三次，取三次的平均值为温度值Tr的数据，这是 为了保持系统运作效率和数据的准确性；由于不同环境不同功率的LED，对温度检测的实时 要求不同，所以所述间隔一段固定时间的数值可以调整。
[0012] 进一步的，所述步骤S4中，温度采集模块将采集到的舞台灯光源处的温度值Tr的 数据先传输给所述温度传感控制模块，然后温度传感控制模块将该温度值Tr的数据传给所 述A/D转换模块进行数据转换，最后A/D转换模块将转换后的数据传给所述MCU控制模块。 MCU控制模块读取A/D转换模块将转换后的数据后，根据LED功率和温度曲线关系图，决定 LED光源的电流驱动端的驱动电流，从而控制LED光源的功率;如果温度偏高，就将LED光源 降低功率，同时打开冷却风扇，温度就会降低，根据韦伯费希纳定律，此时降低LED光源功率 即降低亮度，并不会造成太大影响。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果： 本发明的LED舞台灯温度自适应控制系统及控制方法，针对不同工况，对LED灯具中的 各个阶段的温度进行综合控制，使舞台灯LED的模块温度控制更有效率，同时也降低了舞台 灯运行噪声，并且延长了 LED的模块的寿命，通过在多个产品中的使用，效果良好、成本增加 不多，具有良好的实用价值。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明LED舞台灯温度自适应控制系统原理框图。
[0015] 图2是本发明中风扇控制模块的原理框图。
[0016] 图3是本发明LED舞台灯温度自适应控制系统的控制方法流程图。
[0017] 图4是LED功率和温度曲线关系图。
【具体实施方式】
[0018] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例，附 图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说， 附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性 说明，不能理解为对本专利的限制。
[0019] 如图1所示，一种LED舞台灯温度自适应控制系统，其中，包括温度采集模块1、温度 传感控制模块2、A/D转换模块3、MCU控制模块4、供电电源模块5、LED驱动模块6、保护模块7、 补偿模块8、风扇控制模块9和冷却风扇10,所述温度传感控制模块2、A/D转换模块3、供电电 源模块5、LED驱动模块6、保护模块7、补偿模块8和风扇控制模块9均与所述MCU控制模块4电 连接，所述温度采集模块1、A/D转换模块3与所述温度传感控制模块2电连接，所述保护模块 7与所述LED驱动模块6电连接，所述冷却风扇10与所述风扇控制模块9电连接，所述温度采 集模块1设在舞台灯光源处。LED舞台灯温度自适应控制系统完成初始化后，温度采集模块1 开始采集舞台灯光源处的温度值，然后通过温度传感控制模块2将采集到的温度值数据传 给A/D转换模块3进行数据转换，随后MCU控制模块4开始读取A/D转换模块3上转换后的数 据，根据读取的温度值进行判定，选择相对应的处理方式，包括冷却风扇10是否运行，冷却 风扇10运行时转速的快慢，LED光源功率是否保持恒定，以及是否启动保护模块7等。需要指 出的是，一旦启动保护模块7,整个系统将停止运行，必须要等待温度冷却后才可手动启动 系统。
[0020] 本实施例中，所述MCU控制模块4的主控制芯片采用32位MCU STM32R)51，其运行频 率为72M，运行速度提高使温度曲线更加平滑，波动小。
[0021] 如图2所示，所述风扇控制模块9包括依次电连接的风扇驱动电路91、电源电路92、 风扇转速检测电路93以及风扇故障检测电路94,所述风扇驱动电路91、电源电路92、风扇转 速检测电路93以及风扇故障检测电路94均由所述MCU控制模块4的主控制芯片控制。
[0022] 本实施例中，所述温度采集模块1包括3个并联的热敏电阻，所述3个并联的热敏电 阻沿舞台灯LED光源安装面的径向排布在LED光源之间。MCU控制模块4通过温度传感控制模 块2控制所述3个热敏电阻轮换选通，检测LED光源安装面不同位置的温度，并将热敏电阻采 集的温度模拟数据送入A/D转换模块3，A/D转换模块3将温度值转换成数字信号输入MCU控 制模块4，完成一次采集过程，LED光源安装面的中心位置即LED光源越集中的地方温度越 高，越靠近圆周边缘则温度越低。
[0023] 本实施例中上述LED舞台灯温度自适应控制系统的控制方法，如图3所示，包括以 下步骤： 51. 所述供电电源模块5给LED舞台灯温度自适应控制系统供电； 52. 在所述MCU控制模块4中设置3个温度阈值，分别为最小温度值Ta、中间温度值Tb和 最大温度值Tc，以及1个温度极限值Tm; 53. 在系统运行时间内，所述MCU控制模块4通过所述温度传感控制模块2控制所述温 度采集模块1每间隔一段固定时间采集一次舞台灯光源处的温度值Tr的数据； 54. 所述温度采集模块1将采集到的舞台灯光源处的温度值Tr的数据传给所述MCU控 制丰吴块4; 55. 所述MCU控制模块4接收到温度值Tr的数据后，将温度值Tr与设定的温度阈值进行 比较，根据比较结果采取以下不同控制策略： 若Tr<Ta，光源处的温度小于最小值，不需冷却，LED光源功率保持额定值，保护模块7 不工作； 若Ta< Tr<Tb，光源处的温度在最小值与中间值之间，LED温度优良，Μ⑶控制模块4 向风扇控制模块9发送控制信号，由风扇控制模块9控制冷却风扇10的转速为慢速，LED光源 功率保持额定值，保护模块7不工作； 若Tb< Tr<Tc，光源处的温度在中间值与最大值间，LED温度良好，MCU控制模块4向风 扇控制模块9发送控制信号，由风扇控制模块9控制冷却风扇10的转速为高速，LED光源功率 为额定值，保护模块7不工作； 若Tc<Tr<Tm，光源处的温度超过安全工作温度，LED温度较差，Μ⑶控制模块4向风扇 控制模块9发送控制信号，由风扇控制模块9控制冷却风扇10的转速为高速，MCU控制模块4 根据温升调低LED光源的输出功率，LED驱动模块6进入温度补偿区，通过补偿模块8，使输出 峰值电流与平均值电流随之减小，降低LED光源功率。此时，保护模块7不工作； 若Tm<Tr，MCU控制模块4启动保护模块7，关断LED驱动模块6的输出，达到保护目的。 [0024] 所述步骤S5中，当Tc<Tr<Tm时，Μ⑶控制模块4降低LED光源功率后，需要与新的 温度数据重新对比，直到光源处的温度在安全范围内才会调整系统工作状态，恢复LED光源 到额定功率运行。
[0025]所述步骤S3中，所述温度采集模块1在每间隔一段固定时间后采集舞台灯光源处 的温度值Tr的数据时，均连续采集三次，取三次的平均值为温度值Tr的数据，这是为了保持 系统运作效率和数据的准确性；由于不同环境不同功率的LED，对温度检测的实时要求不 同，所以所述间隔一段固定时间的数值可以调整。
[0026] 所述步骤S4中，温度采集模块1将采集到的舞台灯光源处的温度值Tr的数据先传 输给所述温度传感控制模块2,然后温度传感控制模块2将该温度值Tr的数据传给所述A/D 转换模块3进行数据转换，最后A/D转换模块3将转换后的数据传给所述MCU控制模块4ICU 控制模块4读取A/D转换模块3将转换后的数据后，根据图4所示的LED功率和温度曲线关系 图，决定LED光源的电流驱动端的驱动电流，从而控制LED光源的功率;如果温度偏高，就将 LED光源降低功率，同时打开冷却风扇10,温度就会降低，根据韦伯费希纳定律，此时降低 LED光源功率即降低亮度，并不会造成太大影响。
[0027] 本实施例的LED舞台灯温度自适应控制系统及控制方法已在舞台灯具上应用，并 进行了温度测试实验。
[0028] 在8:00-14:00的测试时间内，在环境温度45°C下，使LED光源满功率运行，将温度 测试探头放置在靠近灯珠的安装面板上的对称两点，对灯具进行高温老化实验，以20min为 一时间节点取值。实验结果表明，在8:00-8:20时，LED光源温度在46°C及以下，风扇不转动； 在8:40-10: 20时，LED光源温度在46°C_54°C之间，风扇低速转动，以上LED光源都是满功率 运行；在10:40-1400时，风扇高速转动，LED光源降功率运行，直到温度降到54°C以下，完成 系统温度自动控制。其中一段测试数据如表1所示。
[0029]表1舞台灯LED温度测试实验数据
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本 发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以 做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种LED舞台灯温度自适应控制系统，其特征在于，包括温度采集模块（1)、温度传感 控制模块(2)^/1)转换模块(3)、1〇]控制模块(4)、供电电源模块(5)、1^0驱动模块(6)、保护 模块(7)、补偿模块(8)、风扇控制模块(9)和冷却风扇（10)，所述温度传感控制模块(2)、A/D 转换模块(3)、供电电源模块(5)、LED驱动模块(6)、保护模块(7)、补偿模块(8)和风扇控制 模块(9 )均与所述MCU控制模块(4 )电连接，所述温度采集模块（1)、A/D转换模块(3 )与所述 温度传感控制模块(2)电连接，所述保护模块(7)与所述LED驱动模块(6)电连接，所述冷却 风扇（10)与所述风扇控制模块(9)电连接，所述温度采集模块(1)设在舞台灯光源处。2. 根据权利要求1所述的一种LED舞台灯温度自适应控制系统，其特征在于，所述MCU 控制模块(4)的主控制芯片采用32位MCU STM32R)51，其运行频率为72M。3. 根据权利要求2所述的一种LED舞台灯温度自适应控制系统，其特征在于，所述风扇 控制模块(9)包括依次电连接的风扇驱动电路(91)、电源电路(92)、风扇转速检测电路(93) 以及风扇故障检测电路(94)，所述风扇驱动电路（91)、电源电路(92)、风扇转速检测电路 (93)以及风扇故障检测电路(94)均由所述MCU控制模块(4)的主控制芯片控制。4. 根据权利要求1所述的一种LED舞台灯温度自适应控制系统，其特征在于，所述温度 采集模块(1)包括若干个并联的热敏电阻，所述若干个并联的热敏电阻沿舞台灯LED光源安 装面的径向排布在LED光源之间。5. -种基于根据权利要求1到4任一所述的LED舞台灯温度自适应控制系统的控制方 法，其特征在于，包括以下步骤：51. 所述供电电源模块(5)给LED舞台灯温度自适应控制系统供电；52. 在所述Μ⑶控制模块(4)中设置3个温度阈值，分别为最小温度值Ta、中间温度值Tb 和最大温度值Tc，以及1个温度极限值Tm;53. 在系统运行时间内，所述MCU控制模块(4)通过所述温度传感控制模块(2)控制所 述温度采集模块(1)每间隔一段固定时间采集一次舞台灯光源处的温度值Tr的数据；54. 所述温度采集模块（1)将采集到的舞台灯光源处的温度值Tr的数据传给所述MCU 控制模块(4);55. 所述MCU控制模块(4)接收到温度值Tr的数据后，将温度值Tr与设定的温度阈值进 行比较，根据比较结果采取以下不同控制策略： 若Tr<Ta，光源处的温度小于最小值，不需冷却，LED光源功率保持额定值，保护模块 (7)不工作； 若Ta< Tr<Tb，光源处的温度在最小值与中间值之间，LED温度优良，Μ⑶控制模块 (4)向风扇控制模块(9)发送控制信号，由风扇控制模块(9)控制冷却风扇（10)的转速为慢 速，LED光源功率保持额定值，保护模块(7)不工作； 若Tb< Tr<Tc，光源处的温度在中间值与最大值间，LED温度良好，Μ⑶控制模块(4)向 风扇控制模块(9)发送控制信号，由风扇控制模块(9)控制冷却风扇（10)的转速为高速，LED 光源功率为额定值，保护模块(7)不工作； 若Tc<Tr<Tm，光源处的温度超过安全工作温度，LED温度较差，Μ⑶控制模块(4)向风 扇控制模块(9)发送控制信号，由风扇控制模块(9)控制冷却风扇（10)的转速为高速，MCU控 制模块(4)根据温升调低LED光源的输出功率，LED驱动模块(6)进入温度补偿区，通过补偿 模块(8)，使输出峰值电流与平均值电流随之减小，降低LED光源功率;此时，保护模块(7)不 工作； 若Tm<Tr，Μ⑶控制模块(4)启动保护模块(7)，关断LED驱动模块(6)的输出，达到保护 目的。6. 根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，当Tc<Tr <Tm时，Μ⑶ 控制模块(4)降低LED光源功率后，需要与新的温度数据重新对比，直到光源处的温度在安 全范围内才会调整系统工作状态，恢复LED光源到额定功率运行。7. 根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述温度采集模块（1) 在每间隔一段固定时间后采集舞台灯光源处的温度值Tr的数值时，均连续采集三次，取三 次的平均值为温度值Tr的数据。8. 根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，温度采集模块(1)将采 集到的舞台灯光源处的温度值Tr的数据先传输给所述温度传感控制模块(2)，然后温度传 感控制模块(2)将该温度值Tr的数据传给所述A/D转换模块(3)进行数据转换，最后A/D转换 模块(3)将转换后的数据传给所述MCU控制模块(4)。
【文档编号】H05B33/08GK106028531SQ201610502459
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】蒋伟楷
【申请人】广州市浩洋电子有限公司