一种数字化通讯的带光衰补偿的大功率LED驱动控制系统的制作方法

2v(4-34v)，输出电流20a连续可调，4脚en/uvlo为使能管脚，最大输入电压小于6v,当4脚电压小于1.55v时lt3741失能停止工作；反之，当电压为1.55-6v lt3741使能开始工作，4脚与微控制器u2的a1 i/o端口连接，当a1设置为高电平(3.3v)时主驱动电路进入准备工作状态；反之低电平时(0v)停止工作，8脚ctrl1为输出电流设置管脚，最大输入电压小于2v，正常输入电压为0-1.5v，对应输出电流为0-20a，当lt3741被使能且有电流信号时主驱动电路工作，10脚fb管脚通过连接的外部数字电位器u5设置输出电压阈值，当实时输出电压超过设置电压的125％时，电路触发过压保护，主驱动电路停止输出。与14脚rt连接的电阻用于配置主驱动电路工作频率。此处上设置主驱动电路工作频率为400khz；u5接收来自微控制器u2的spi通讯信号设置u5数字电位器的阻值，从而设置输出电压阈值，单通道、线性变化，满阻值为100kω的数字电位器，具有256抽头。这个装置可以是作为一个三端电位器，tpl0501的内部寄存器可以使用spi通讯方式来设置其阻值，其7、1、8脚相当于普通可调电位器的三个引脚。设置7脚和1脚的阻值为ra，那么1脚和8脚的阻值为rb＝(100-ra)kω,根据电阻分压原理可以得到，tpl0501-1脚输出到lt3741-10脚上的反馈电压v
fb
(v
vcc_out
为系统输出电压)为：
[0011][0012]
由此可以通过改变数字电位器tpl0501的阻值设置输出电压阈值。与传统机械电位器相比，这种通过程序控制的输出电压阈值方法更加线性，且可快速达到想要的阈值电压，可以在不改动硬件结构的情况下，根据负载led的电压等级直接通过程序更改输出电压阈值，也更加方便，兼容性更高。其4脚sclk为spi的时钟信号；5脚din输入spi的mosi(主机输出从机输入)数据信号；6脚cs为片选信号，当spi上挂载多个从机时，可以通过设置cs电平高低来选择和哪个从机通讯，此处默认为低电平，因为此spi总线上只存在一个从机，u5的4、5、6脚和微控制器u2的a10、a11、a12 i/o连接用于spi数据通讯；所述u1采用固定频率同步降压型dc/dc控制器lt3741与q1、q2组成主要变换电路，所述u5采用数字电位器tpl0501，所述主驱动模块还包括电感l1、电容c9、电容c10，所述电感l1和电容c9、电容c10组成滤波电路，降低输出电流和电压的纹波；
[0013]
r6为高精度低阻值的电流采样电阻，用于电流闭环控制。根据欧姆定律u＝ir，i＝u/r，通过测量r6两端的电压即可得到出输出电流；
[0014]
led1是输出指示灯，与之串联的电阻r7作用是分压，本结构也可以充当泄放电路，当负载断开时，此部分可以用放掉电容c9和c10里储存的电能；
[0015]
其中p1、p2为分别为电源输入、输出接口，采用多个排针并联的连接方式，既能承载额定电流，又能方便与其他设备相连接。
[0016]
作为本发明优选的方案，所述微控制器模块包括微控制器u2，且型号为国产兆易创新gd32f350g8u6，用于向主驱动模块发送电流控制和使能信号，所述微控制器模块通过spi通讯方式设置u5数字电位器tpl0501的电阻阻值，从而可以设置输出阈值电压，以匹配不同电压等级的led；采集系统环境温度、led工作温度、实时输出电压；和外部控制设备通讯，接收外部控制设备的信号或反馈系统环境温度、led工作温度、实时输出电压。
[0017]
作为本发明优选的方案，所述降压模块采用降压芯片，其型号为ams1117-3.3，用于将输入的5v电压转化为3.3v，为微控制器u2和u5数字电位器tpl0501供电。。
[0018]
作为本发明优选的方案，所述温度采集模块包括p4、p6,所述p4连接r15、r16，所述p6连接r11、r12，将10kω的ntc电阻和r15组成分压电路，当p4上接的ntc电阻受因温度阻值发生变化时，根据分压原理r16右端(输入到微控制器u2)的电压发生变化，微控制器u2通过adc采集此电压v
adc5
，根据公式计算出ntc此时的阻值r
ntc
，再使用查表法(查找温度和ntc阻值对应的表格)得出此时温度信息。环境温度采集过程同理。
[0019][0020]
作为本发明优选的方案，所述通讯模块包括微控制器u3、瞬态抑制二极管d3以及p3，所述微控制器u3采用modbus协议通讯交换数据，所述u3-10脚与微控制器u2的串口发送端相连接，u3-12脚与微控制器u2的串口接收端相连接，u3型号为max3232eeae将微控制器的逻辑信号电平与rs232的电平相互转化，本发明与外部控制设备通过rs232连接，使用modbus协议通讯交换数据。微控制器使用的是3.3v的ttl电平的串口通讯，而rs232是负逻辑电平，它定义+3～+15v为低电平，而-15～-3v为高电平，rs232串口的rx、tx需要经过电平转换才能接到微控制器的引脚上，否则高电压很可能会把微控制器烧坏；
[0021]
j1为db-9的rs232标准接口，d3为瞬态抑制二极管(tvs)，因为j1是与外部控制设备相连接的硬件接口，当与j1相连的硬件上存在高压静电时，则可能会损伤本发明中rs232硬件电路部分，而并联在接口电路的d3可以先吸收电能，使rs323硬件电路不受高压静电的损害。
[0022]
作为本发明优选的方案，所述输出电压采集模块包括d4，d4连接有a4/adc4，所述a4/adc4连接有r17和r18,所述r17和r18组成分压电路，所述a4/adc4与微控制器u2的adc采集脚相连，所述d4为3.3v稳压二极管zm4728，v
vcc_out
为系统输出电压,a4/adc4与微控制器u2的adc采集脚相连。当v
vcc_out
变化时，根据分压原理r17和r18中间(输入到微控制器u2的电压发生变化，微控制器u2通过adc采集此电压v
adc4
，根据公式便可以计算出此时系统v
vcc_out
的实际输出电压。d4为3.3v稳压二极管zm4728,用于防止微控制器i/o不受高电压损害。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
1、本发明能够根据实际工作情况实现智能判断光衰程度，智能给出电路补偿值，避免使用一段时间后光照强度会变弱；
[0025]
2、本发明通过modbus协议传输控制设备发出的控制信号，控制信号包含当前输出电流、输出阈值电压(针对不同led工作电压不同，外部控制设备通过通讯配置不同输出电压阈值，范围可达(6v-35v)、使能信号，也可以向外部控制设备反馈系统环境温度、led工作温度、实时输出电压信息；
[0026]
3、本发明能够实现最高680w的功率输出，实现电流0-20a的调节范围，调节精度可达
±
6％，在满足合适的输入输出电压时，输出电流的可调精度可达
±
3％，兼容性高。
附图说明
[0027]
图1为本发明的系统框图；
[0028]
图2为本发明程序执行流程图；
[0029]
图3为本发明中主驱动模块的电路图；
[0030]
图4为本发明中微控制器模块的电路图；
[0031]
图5为本发明中降压芯片的电路图；
[0032]
图6为本发明的温度采集模块的电路图；
[0033]
图7为本发明的通讯模块的电路图；
[0034]
图8为本发明的输出电压采集模块的电路图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
为了便于理解本发明，下面将参照相关对本发明进行更全面的描述。给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0037]
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0038]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0039]
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：
[0040]
实施例，请参照图1-8，一种数字化通讯的带光衰补偿的大功率led驱动控制系统，包括主驱动模块，主驱动模块电性连接有mos开关以及微控制器模块，mos开关通过降压模块与主电源电性连接，mos开关电性连接有输出电压采集模块，输出电压采集模块电性连接有led模块，输出电压采集模块与主驱动模块之间电性模块，主动驱动模块与微控制器模块之间电性连接有温度采集模块，微控制器模块电性连接有通讯模块，通讯模块电性连接有外部控制设备。
[0041]
请参照图3，主驱动模块包括u1、q1、q2、p1、p2以及u5，u1采用固定频率同步降压型dc/dc控制器lt3741与q1、q2组成主要变换电路，u5采用数字电位器tpl0501，主驱动模块还包括电感l1、电容c9、电容c10，电感l1和电容c9、电容c10组成滤波电路，对输入的电源进行降压和恒流变换，转化为驱动led的恒流电源，主驱动电路接收来自微控制器u2的使能和dac模拟电压信号，控制主驱动电路的启停和输出电流的大小；lt3741的3脚为芯片电源输入脚，由其构成的恒流电路，输入电压(vin)范围为6-36v，输出电压范围为vin-2v(4-34v)，输出电流20a连续可调，4脚en/uvlo为使能管脚，最大输入电压小于6v,当4脚电压小于1.55v时lt3741失能停止工作；反之，当电压为1.55-6v lt3741使能开始工作，4脚与微控制器u2的a1 i/o端口连接，当a1设置为高电平(3.3v)时主驱动电路进入准备工作状态；反之低电平时(0v)停止工作，8脚ctrl1为输出电流设置管脚，最大输入电压小于2v，正常输入电
压为0-1.5v，对应输出电流为0-20a，当lt3741被使能且有电流信号时主驱动电路工作，10脚fb管脚通过连接的外部数字电位器u5设置输出电压阈值，当实时输出电压超过设置电压的125％时，电路触发过压保护，主驱动电路停止输出。与14脚rt连接的电阻用于配置主驱动电路工作频率。此处上设置主驱动电路工作频率为400khz；u5接收来自微控制器u2的spi通讯信号设置u5数字电位器的阻值，从而设置输出电压阈值，单通道、线性变化，满阻值为100kω的数字电位器，具有256抽头。这个装置可以是作为一个三端电位器，tpl0501的内部寄存器可以使用spi通讯方式来设置其阻值。其7、1、8脚相当于普通可调电位器的三个引脚，设置7脚和1脚的阻值为ra，那么1脚和8脚的阻值为rb＝(100-ra)kω,根据电阻分压原理可以得到，tpl0501-1脚输出到lt3741-10脚上的反馈电压v
fb
(v
vcc_out
为系统输出电压)为：
[0042][0043]
由此可以通过改变数字电位器tpl0501的阻值设置输出电压阈值。与传统机械电位器相比，这种通过程序控制的输出电压阈值方法更加线性，且可快速达到想要的阈值电压，可以在不改动硬件结构的情况下，根据负载led的电压等级直接通过程序更改输出电压阈值，也更加方便，兼容性更高。其4脚sclk为spi的时钟信号；5脚din输入spi的mosi(主机输出从机输入)数据信号；6脚cs为片选信号，当spi上挂载多个从机时，可以通过设置cs电平高低来选择和哪个从机通讯，此处默认为低电平，因为此spi总线上只存在一个从机，u5的4、5、6脚和微控制器u2的a10、a11、a12 i/o连接用于spi数据通讯；所述u1采用固定频率同步降压型dc/dc控制器lt3741与q1、q2组成主要变换电路，所述u5采用数字电位器tpl0501，所述主驱动模块还包括电感l1、电容c9、电容c10，所述电感l1和电容c9、电容c10组成滤波电路，降低输出电流和电压的纹波；
[0044]
r6为高精度低阻值的电流采样电阻，用于电流闭环控制。根据欧姆定律u＝ir，i＝u/r，通过测量r6两端的电压即可得到出输出电流；
[0045]
led1是输出指示灯，与之串联的电阻r7作用是分压，本结构也可以充当泄放电路，当负载断开时，此部分可以用放掉电容c9和c10里储存的电能；
[0046]
其中p1、p2为分别为电源输入、输出接口，采用多个排针并联的连接方式，既能承载额定电流，又能方便与其他设备相连接。
[0047]
请参照图4，请参照图1、2和3，微控制器模块包括微控制器u2，且型号为国产兆易创新gd32f350g8u6，用于向主驱动模块发送电流控制和使能信号，微控制器模块通过spi通讯方式设置u5数字电位器tpl0501的电阻阻值，从而可以设置输出阈值电压，以匹配不同电压等级的led；采集系统环境温度、led工作温度、实时输出电压；和外部控制设备通讯，接收外部控制设备的信号或反馈系统环境温度、led工作温度、实时输出电压。
[0048]
请参照图5，降压模块采用降压芯片，其型号为ams1117-3.3，用于将输入的5v电压转化为3.3v，为微控制器u2和u5数字电位器tpl0501供电。
[0049]
请参照图6，温度采集模块包括p4、p6,p4连接r15、r16，p6连接r11、r12，将10kω的ntc电阻和r15组成分压电路，当p4上接的ntc电阻受因温度阻值发生变化时，根据分压原理r16右端(输入到微控制器u2)的电压发生变化，微控制器u2通过adc采集此电压v
adc5
，根据公式计算出ntc此时的阻值r
ntc
，再使用查表法(查找温度和ntc阻值对应的表格)得出此时
温度信息。环境温度采集过程同理。
[0050][0051]
请参照图7，通讯模块包括微控制器u3、瞬态抑制二极管d3以及p3，微控制器u3采用modbus协议通讯交换数据，u3-10脚与微控制器u2的串口发送端相连接，u3-12脚与微控制器u2的串口接收端相连接，u3型号为max3232eeae将微控制器的逻辑信号电平与rs232的电平相互转化，本发明与外部控制设备通过rs232连接，使用modbus协议通讯交换数据。微控制器使用的是3.3v的ttl电平的串口通讯，而rs232是负逻辑电平，它定义+3～+15v为低电平，而-15～-3v为高电平，rs232串口的rx、tx需要经过电平转换才能接到微控制器的引脚上，否则高电压很可能会把微控制器烧坏；
[0052]
j1为db-9的rs232标准接口，d3为瞬态抑制二极管(tvs)，因为j1是与外部控制设备相连接的硬件接口，当与j1相连的硬件上存在高压静电时，则可能会损伤本发明中rs232硬件电路部分，而并联在接口电路的d3可以先吸收电能，使rs323硬件电路不受高压静电的损害。
[0053]
请参照图8，输出电压采集模块包括d4，d4连接有a4/adc4，a4/adc4连接有r17和r18,r17和r18组成分压电路，a4/adc4与微控制器u2的adc采集脚相连，d4为3.3v稳压二极管zm4728，v
vcc_out
为系统输出电压,a4/adc4与微控制器u2的adc采集脚相连。当v
vcc_out
变化时，根据分压原理r17和r18中间(输入到微控制器u2的电压发生变化，微控制器u2通过adc采集此电压v
adc4
，根据公式便可以计算出此时系统v
vcc_out
的实际输出电压。d4为3.3v稳压二极管zm4728,用于防止微控制器i/o不受高电压损害。
[0054]
该控制系统的控制方法：
[0055]
a.光衰补偿：系统环境温度与led工作温度的差值记为衰减温度。对工作时间内系统输出电流和衰减温度值进行连续采样。分析一段时间相同电流下衰减温度的变化率，如果变化率持续增长则判断led发生光照衰减则增加电流。
[0056]
i＝i1+δi
[0057]
i为实际输出电流；i1为目标电流；δi为补偿电流。因为存在光照衰减，当只直接输出目标电流时，实际光照强度并不是目标强度(虽然电流已经达到，但是有部分能量转为热能)，增加补偿电流δi；
[0058]
b.程序线性矫正：因为对主驱动电路的控制信号是0-1.5v的模拟电压，对应输出电流为0-20a，但是实际输出电流并不是按照下面公式执行输出电
[0059]
流：
[0060][0061]
实际情况下模拟信号电压和输出电流是非线性的对应关系，利用程序进行线性矫正，达到0-1.5v模拟信号电压和0-20a实际输出电流是线性对应的关系；
[0062]
c.modbus通讯控制：本系统与外部控制设备通讯时采用modbus通讯协议，当外部控制设备向本系统发送控制信号时，微控制器先对信号进行解析，提取控制信息，微控制器再控制主驱动电路，同时微控制器通过通讯协议向外部控制设备反应采集的系统环境温度、led工作温度和实时输出电压。
[0063]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。