基于ARM的大功率LED动态照明光源嵌入式主动制冷及温控系统的设计与实现

作     者：钱依凡 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛凌云

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082403[工学-水声工程] 0802[工学-机械工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0803[工学-光学工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：嵌入式系统 大功率LED动态照明光源 半导体制冷器 线性电源 模糊RBF神经网络PID 温度控制 

摘      要：动态照明光源是一种能够模拟不同光谱与光辐照输出的装置,其被广泛应用于光电器件特性测试、大型建筑的装饰照明与色彩渲染、植物需光性研究、材料老化实验、虚拟场景、光学医疗等场景中。相比于传统动态照明所采用的卤素灯、氙灯光源,LED具有光谱窄、种类多、寿命长、可调范围广、可进行数字化控制的特点,采用多种类多数量LED组成的大功率LED动态照明光源在新动态照明光源研究中拥有极大的优势与潜力。大功率LED阵列是大功率LED动态照明光源的核心组成之一,但限于当前的工艺、材料和封装等技术水平,大功率LED阵列中不仅单颗LED产热严重且LED间相互耦合,LED结温的动态变化严重影响其光学性能稳定性,故有必要利用温度控制技术保持其工作温度的稳定。此外受LED系统热传输路径的层积结构,导热介质材料属性差异及环境温度变化等因素影响,系统热耗散过程温度时延大,故有必要利用主动制冷在降低系统时延的同时使LED工作在尽可能低的结温以提高输出光强。主动制冷和温度控制对于大功率LED动态照明系统的应用与发展具有重大理论意义和实用价值。现有LED散热技术及相关半导体制冷器制冷控制的应用研究为大功率LED动态照明光源的主动制冷及温度控制提供了参考,本文以STM32F103系列单片机为核心设计可编程线性电源驱动半导体制冷器稳定工作,同时引入PID控制策略并嵌入式实现遗传算法自动寻优PID初始值,实现可编程线性电源低纹波、快响应、高精度的输出。半导体制冷是多种效应综合作用的结果,同时受其驱动电流、热端散热条件及系统接触热阻等因素多重影响表现出复杂的非线性特征。PID因结构简单、方便实用常被用于半导体制冷器制冷控制,但PID的本质为线性控制,在面对非线性半导体制冷器制冷控制系统时,易出现抗干扰能力弱、超调量和快速性无法兼得等问题,本文于STM32单片机实现模糊RBF神经网络PID控制策略在该系统的嵌入式应用,同时设计测控板卡与PC上位机实现制冷控制与大功率LED动态照明光源的系统数据和状态的实时监控、存储、查询等功能,各电路板卡与PC间通过以太网、交换机相连实现数据交互与命令上传下达。经实验验证,该源表板卡可实现电压0～30V范围内、电流0～4A范围内可调输出,响应时间范围为2.5ms～5ms,纹波峰峰值范围为24m V～38m V,满足半导体制冷器工作及控制需求。半导体制冷器制冷控制精度及稳定度实验结果表明相比于常规PID控制,模糊RBF神经网络PID控制的调节时间缩短,超调量减少,稳态误差减小,LED动态照明光源在120min内的温度波动仅为±0.1℃。大功率LED动态照明光源输出光学性能对比实验结果表明随大功率LED阵列温度升高,不同种类LED的峰值波长均发生不同程度的红移,谱线半高宽随着温度上升不断加大,其颜色纯度降低,其光强峰值均呈不断下降趋势,如红光LED峰值波长从625.8nm偏移至631.5nm,其峰值波长的相对辐射强度从15706降至10180,其光强下降多达35.2%,实验结果表明该主动制冷及温控系统不仅可缩短大功率LED动态照明光源建立热平衡时间,防止因其自身温升所导致的波长、颜色的偏移,在保持光源工作温度稳定的同时亦可提高其输出光强。