一種光電教學實驗設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種光電教學實驗設備，該教學實驗設備由電源模塊、濾波器、恒壓電路、恒流電路、光傳感器、控制模塊、LED陣列、接口模塊和顯示模塊組成。其中濾波器為EMI濾波器，恒壓電路為L6562單級PFC恒壓電路，恒流電路為HV9910降壓恒流電路，光傳感器為BH1710數(shù)字光強傳感器，控制器為AT89C2051微處理器。光傳感器BH1710采集到環(huán)境光強信息后通過I2C通信協(xié)議發(fā)送給控制器AT89C2051為主要器件的控制中心，控制中心接收到數(shù)據(jù)進行處理，然后依據(jù)數(shù)據(jù)改變恒流電路HV9910的PWMD腳的PWM輸入信號的占空比，進而達到自動調(diào)光的目的。該實驗設備兼容性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)LED自動調(diào)光節(jié)能，可以讓學生充分的理解LED自動調(diào)光的原理。
【專利說明】
一種光電教學實驗設備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及教學實驗設備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光電教學實驗設備。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著近年來石油、煤炭、天然氣等不可再生資源的日漸枯竭和人類對能源需求的日益增加，節(jié)能減排引起了人們的高度重視。LED作為一種新型照明光源技術(shù)已經(jīng)備受關(guān)注，各國也開始出臺相關(guān)政策限制白熾燈，日光燈的生產(chǎn)銷售，轉(zhuǎn)而扶持LED^ED光源具有很高的效能，消耗能量較同光效的白熾燈減少80%，又不含汞和玻璃，被公認為綠色節(jié)能先鋒。
[0003]為了更好地發(fā)揮LED照明節(jié)能的優(yōu)點，在LED驅(qū)動器中加入調(diào)光功能是大勢所趨。通常，LED驅(qū)動器的調(diào)光方式有3種:可控硅調(diào)光、模擬調(diào)光、PWM調(diào)光。每種調(diào)光方式都有其優(yōu)點及局限性。PWM調(diào)光是使開關(guān)電路以相對于人眼識別能力來說足夠高的頻率工作，通過設置周期和占空比來改變輸出電流平均值，其輸出電流只有兩種狀態(tài):最大額定工作電流和零電流。模擬調(diào)光是通過改變輸出電流的幅值來實現(xiàn)調(diào)光功能，可控硅調(diào)光是通過調(diào)節(jié)電源的輸出功率來實現(xiàn)調(diào)光功能。
[0004]PffM調(diào)光可以保證LED的色溫恒定，驅(qū)動器的效率較高，并且能夠進行精確控制。模擬調(diào)光相對PWM調(diào)光電路簡單、容易實現(xiàn)，但會使LED色溫發(fā)生變化，同時效率低、輸出電流精度不易調(diào)節(jié)、調(diào)光范圍有限?？煽毓枵{(diào)光是利用現(xiàn)有的可控硅調(diào)光器，通過改變可控硅的導通角，調(diào)節(jié)輸出功率來實現(xiàn)調(diào)光，其優(yōu)點是不用改變原有日光燈調(diào)光設備。但是缺點更嚴重:其會嚴重降低驅(qū)動器效率及功率因數(shù)，同時也會使LED產(chǎn)生閃爍。
[0005]因此，如何調(diào)節(jié)LED發(fā)光亮度，提供給人們一個舒適的視覺環(huán)境的同時，有效的降低了電力能源消耗，已成為急需解決的技術(shù)問題。與此同時，在高職院校的光電專業(yè)教學中，如何讓學生深入的理解LED驅(qū)動與調(diào)光原理，進而掌握LED照明控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，是目前教學中的一項重要任務，然而沒有一款能夠直接應用于教學中的實驗設備。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本實用新型的目的是提供一種光電教學實驗設備，該設備電路簡單、成本低廉、可操作性強，該設備將LED數(shù)碼管、點陣LED燈作為被控對象，模擬LED照明產(chǎn)品的實際應用，其中該設備測量照度數(shù)據(jù)后根據(jù)算法調(diào)節(jié)LED發(fā)光亮度，對降低電力能源消耗有著很好的輔助作用。
[0007]為達上述目的，本實用新型采取如下方案:
[0008]—種光電教學實驗設備，該教學實驗設備由電源模塊、濾波器、恒壓電路、恒流電路、光傳感器、控制模塊、LED陣列、接口模塊和顯示模塊組成，其特征在于:
[0009]電源模塊為該教學實驗設備提供電源；
[0010]濾波器為EMI濾波器，與恒壓電路連接，用于抑制交流電網(wǎng)中高頻干擾，該EMI濾波器的電路中包括共模電容Cyl、Cy2、Cy3、Cy4，共模電感1^，差模電容Cxl、Cx2，壓敏電阻Rv以及負溫度系數(shù)的熱敏電阻NTC;
[0011]恒壓電路為L6562單級PFC恒壓電路，分別與濾波器和恒流電路連接，該單級PFC恒壓電路中包括開關(guān)管、穩(wěn)壓芯片TL431和光電耦合器PC817 ；
[0012]控制模塊為AT89C2051微處理器，分別與恒流電路、光傳感器、顯示模塊和接口模塊連接，控制模塊接收來自光傳感器的數(shù)據(jù)并向恒流電路輸出控制信號，控制模塊通過數(shù)據(jù)I/O與顯示模塊連接，并通過RS232接口與接口模塊連接；
[0013]所述顯示模塊為LED數(shù)碼管；
[0014]光傳感器為BH1710新型數(shù)字光強傳感器，與控制模塊相連，該光傳感器使用穩(wěn)壓芯片AMS1117來提供3.3V工作電壓，光傳感器BH1710的引腳ADDR接至GND，引腳DVI經(jīng)IyF電容接GND，引腳SCL與SDA分別經(jīng)過Ik Ω的限流電阻接控制模塊AT89C2051的P3.2與P3.3腳；
[0015]恒流電路為HV9910降壓恒流電路，分別與恒流電路和LED陣列連接，HV9910的PffMD引腳與控制模塊AT89C20 51的調(diào)光I /0端口 P1.0引腳相連。
[0016]優(yōu)選的，共模電感L1是由兩個匝數(shù)相同、繞向相反的繞組構(gòu)成，共模電容和差模電容為安規(guī)電容。
[0017]本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果:
[0018]I)該教學實驗設備兼容性好，整體電路無需用到專用的調(diào)光1C，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)LED自動調(diào)光節(jié)能，并可以設置隨環(huán)境亮度的逐漸變暗，利用光敏探頭信號反饋，使LED照明發(fā)光亮度逐漸加強。可以讓學生充分的理解LED自動調(diào)光的原理。
[0019]3)利用接口模塊，實驗設備之間能夠進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)LED照明的網(wǎng)絡化控制；
[0020]4)該教學實驗設備按照實驗難度分為基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗三個層次，其中設計性實驗可以極大地激發(fā)學生的實驗熱情，調(diào)動學生的積極性和主動性;使學生從市場和用戶的角度出發(fā)，提高學生的自主學習能力和崗位適應能力；
[0021]5)該教學實驗設備適用于光源與照明專業(yè)的實驗教學，填補了市場空白。
【附圖說明】
[0022]圖1為該教學實驗設備的系統(tǒng)組成原理圖；
[0023]圖2為該教學實驗設備中濾波器電路原理圖；
[0024]圖3為該教學實驗設備中恒壓電路原理圖；
[0025]圖4為該教學實驗設備中恒流電路原理圖；
[0026]圖5為該教學實驗設備中光傳感器電路原理圖；
[0027]圖6為該教學實驗設備中控制模塊電路原理圖；
[0028]圖7為該教學實驗設備的集中式網(wǎng)絡拓撲圖；
[0029]圖8為該教學實驗設備的集散式網(wǎng)絡拓撲圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式做進一步的說明。
[0031]該教學實驗設備的原理圖如圖1所示。該教學實驗設備由電源模塊、濾波器、恒壓電路、恒流電路、光傳感器、控制模塊、LED陣列、接口模塊和顯示模塊組成，電源模塊為該教學實驗設備提供電源，顯示模塊為LED數(shù)碼管。
[0032]其中濾波器為ΕΜΓ濾波器，恒壓電路為L6562單級PFC恒壓電路，恒流電路為HV9910降壓恒流電路，光傳感器為ΒΗ1710新型數(shù)字光強傳感器，控制模塊為AT89C2051微處理器。光傳感器ΒΗ1710采集到環(huán)境光強信息后通過I2C通信協(xié)議發(fā)送給控制模塊AT89C2051為主要器件的控制中心，控制中心接收到數(shù)據(jù)進行處理，然后依據(jù)數(shù)據(jù)改變恒流電路HV9910的PffMD腳的PffM輸入信號的占空比，進而達到自動調(diào)光的目的。
[0033]濾波器電路原理圖如圖2所示。EMI濾波器主要用來抑制交流電網(wǎng)中高頻干擾對驅(qū)動設備的影響，同時也抑制驅(qū)動設備由于高頻開關(guān)而對交流電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，干擾主要為共模干擾和差模干擾。共模電容Cyl、Cy2、Cy3、Cy4和共模電感L1用來濾除共模噪聲，L1是由兩個匝數(shù)相同、繞向相反的繞組構(gòu)成。Cxl、Cx2是差模電容，用來濾除差模干擾。共模電容要選擇Y2安規(guī)電容，差模電容選擇X1安規(guī)電容，Rv是壓敏電阻，NTC是負溫度系數(shù)的熱敏電阻。
[0034]恒壓電路原理圖如圖3所示。意法半導體公司生產(chǎn)的峰值電流型控制芯片L6562被廣泛應用于有源功率因數(shù)(APFC)校正電路中，其工作在臨界(TM)模式，通過控制電感峰值電流，使得輸入電流跟隨輸入電壓變化，以達到功率因數(shù)校正的目的。而單級PFC恒壓電路是將有源功率因數(shù)校正電路中的升壓電感替換為變壓器，并進行其他改進，形成的反激拓撲電路。
[0035]在圖3所示的電路中，當開關(guān)管Q2打開時，經(jīng)過EMI濾波器之后的交流輸入電壓經(jīng)過整流橋整流、輸入濾波電容&之后，加在變壓器T1的原邊電感上，電感電流線性上升，此時變壓器副邊整流二極管VDdPVD6反向截止，輸出端由輸出電容C。和(^供電。當原邊電流檢測電阻R12上的電壓達到L6562 CS引腳的基準電壓時，開關(guān)管02關(guān)斷，此時副邊整流二極管VD5、VD6導通，副邊繞組經(jīng)過整流二極管為負載供電，同時為輸出電容充電。反激拓撲結(jié)構(gòu)是在開關(guān)管關(guān)閉時，傳遞能量。當L6562的ZCD零電流檢測引腳檢測到輔助繞組中無電流時，說明原邊電感已完成磁復位，L6562重新驅(qū)動開關(guān)管Q2導通，如此反復。
[0036]單級PFC恒壓電路的主輸出電壓是由穩(wěn)壓芯片TL431和光電耦合器PC817組成的輸出反饋網(wǎng)絡中的分壓電阻R15和Rn設置的，當輸出電壓大于設計好的額定輸出電壓時，電阻Rn上的電壓大于TL431引腳的基準電壓2.5V，此時輸出端反饋信號通過PC817反饋到L6562的INV引腳，由于INV引腳的基準電壓為2.5V，如果反饋信號的電壓大于2.5V，那么就會有電流經(jīng)過R6、C7、R7組成的補償網(wǎng)絡流入L6562的COMP引腳，當該電流大于40μΑ時，就會進入過壓保護狀態(tài)，L6562停止工作，直到該電流降低到低于ΙΟμΑ時，L6562會重新啟動。從輸出電路用于為控制模塊AT89C2051供電，其輸出電壓為5V，當主輸出電壓恒定時，從輸出電壓基本恒定。
[0037]電路中整流橋之后的輸入濾波電容C1的選取要注意:如果選擇的過大，會使整流橋的導通角變得過小，同時會使L6562的MULT引腳的類正弦電壓波形變得越加不像正弦波，降低電路的功率因數(shù)同時增加總諧波畸變(THD);如果電容選擇的過小，則起不到濾波的作用，這會加大前端EMI濾波器的大小和成本。
[0038]恒流電路原理圖如圖4所示。HV9910是Supertex半導體公司生產(chǎn)的通用高亮度LED驅(qū)動芯片，其特點是:
[0039]I)效率大于90%;
[0040]2)8V?450V輸入電壓范圍；
[0041]3)恒流LED驅(qū)動器;
[0042]4)輸出電流從幾毫安到大于ΙΑ;
[0043]5)驅(qū)動的LED串從I個到幾百個；
[0044]6)通過使能引腳進行PffM低頻調(diào)光。
[0045]在該驅(qū)動設備中采用Buck(降壓)拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)LED恒流驅(qū)動，其工作原理為:L6562單級PFC產(chǎn)生的恒壓V。接入到該電路的VIN引腳，當開關(guān)管Q打開時，輸入電流經(jīng)過負載LED、電感L、開關(guān)管Q、檢測電阻1流入到地。此時，電感電流線性上升，儲存能量，當檢測電阻上的電壓達到HV9910 CS引腳檢測電壓時，開關(guān)管關(guān)閉。由于電感具有阻礙電流變化的作用，當開關(guān)管關(guān)閉時，電感電流通過續(xù)流二極管與輸出電容C。一起為負載LED供電，此時電感電流從峰值電流線性下降，電感電流的平均值即為輸出電流。
[0046]為了使LED串中流過電流紋波較小，Buck轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)模式。因為工作在連續(xù)模式時，當占空比超過0.5時，電路會出現(xiàn)次諧波振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，需要進行諧波補償。而HV9910芯片不具有諧波補償功能，所以使用該芯片時，要保證輸入電壓為輸出電壓的2倍以上，以使占空比小于0.5，避免出現(xiàn)次諧波振蕩。HV9910的調(diào)光引腳PffMD在不進行調(diào)光時，通常與VDD弓I腳連接，而進行PWM調(diào)光時，使PWMD弓I腳與控制模塊AT89C2051的調(diào)光I/0端口相連，當PWMD引腳電壓大于2.4V時，HV9910正常工作，當PffMD引腳電壓低于2.4V時，HV9910被禁用。通過PWM調(diào)光，LED中的電流只有兩種狀態(tài):零電流和設置的額定輸出電流。
[0047]利用控制模塊AT89C2051調(diào)節(jié)PWM信號的脈寬，即可調(diào)節(jié)LED的平均電流即輸出電流。輸出電流可以從O調(diào)節(jié)到額定輸出電流，即調(diào)光范圍可以從O?100%，HV9910支持10Hz?IkHz的PffM調(diào)光。
[0048]光傳感器電路原理圖如圖5所示。應用穩(wěn)壓芯片AMSl 117將5V電壓穩(wěn)壓至3.3V為BHl 710提供工作電壓。BHl 710的引腳ADDR接至GND，弓丨腳DVI經(jīng)IyF電容接GND，弓丨腳SCL與SDA分別經(jīng)過IkQ的限流電阻接AT89C2051單片機的P3.2與P3.3腳。BH1710傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，直接輸出數(shù)字量值，支持I2C通信協(xié)議，應用電路無需更多外圍器件，較為簡單易用。
[0049]控制模塊電路原理圖如圖6所示。AT89C2051單片機的P3.2引腳與P3.3引腳模擬I2C通信所需的SCL與SDA信號線，和BH1710傳感器進行數(shù)據(jù)通信，來獲取自調(diào)光所需要的光照強度數(shù)據(jù)。由于BH1710的工作電壓為2.4V?3.6V，所以為了能和工作電壓為5V的單片機正常通信，需要將SDA和SCL信號線接5.1k Ω的上拉電阻，接至5V電源上。Pl.0引腳用于向HV991OB芯片的PWMD腳輸出PffM方波信號，PffMD引腳所需的不同占空比PffM信號可由單片機內(nèi)部的16b i t定時器進行精確控制產(chǎn)生。
[0050]單片機AT89C2051的第4引腳與第5引腳接外界石英晶體振蕩器。AT89C2051在Vcc =
2.7V?6V時可支持O?12MHz的晶振，在Vcc = 4V?6V時可支持O?24MHz的晶振。晶振兩端的兩個負載電容選取容值為(30±10)pF的電容較為合適。
[0051 ]由于BH1710光強傳感器內(nèi)置16bit AD，直接輸出數(shù)字信號，并且支持I2C通信協(xié)議，這使得驅(qū)動器的單片機程序設計變得十分容易。只需要AT89C2051單片機的P3.2與P3.3弓I腳模擬I2C通信中SCL與SDA的時序，從傳感器中讀取其輸出的數(shù)字信號即可。然后對數(shù)字信號進行處理，判斷，然后通過一定的算法來修改單片機定時器的中斷頻率，從而改變Pl.0弓I腳的PffM信號的占空比，使LED驅(qū)動器實現(xiàn)自動調(diào)光。
[0052]該教學實驗設備能夠開設LED數(shù)碼管顯示實驗、LED點陣顯示實驗、LED燈的亮度調(diào)節(jié)實驗。該教學實驗設備中的接口模塊能夠支持電力線通信、以太網(wǎng)通信、CAN總線通信或者Zigbee無線通信中的至少一種通信方式。
[0053]圖7示出了該教學實驗設備的集中式網(wǎng)絡拓撲連接圖，教學實驗設備I通過電力線/以太網(wǎng)/CAN/Zigbee中的某一種通信方式與教學實驗設備2、教學實驗設備3、到教學實驗設備η相連接，形成以教學實驗設備I為集中控制器的集中式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，用于模擬一個房間內(nèi)部照明控制。教學實驗設備I相當于集中控制面板，教學實驗設備2到η，相當于每個房間內(nèi)每盞燈的單燈控制器。給每個教學實驗設備設定地址后，教學實驗設備I就能對網(wǎng)絡內(nèi)的其他教學實驗設備進行單獨控制或群組控制。
[0054]該實驗設備能夠開設基于電力線載波的LED照明控制實驗、基于以太網(wǎng)的LED照明控制實驗、基于CAN總線的LED照明控制實驗和基于Zigbee的LED照明控制實驗。
[0055]圖8示出了該教學實驗設備的集散式網(wǎng)絡拓撲連接圖。實驗設備I通過電力線/以太網(wǎng)/CAN/Zigbee中的某一種通信方式與實驗設備2相連接，實驗設備2再通過電力線/以太網(wǎng)/CAN/Zigbee中的某一種通信方式與實驗設備3、到實驗設備η相連接，形成以實驗設備I為集中控制器、實驗設備2為分控器的集散式網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，用于模擬一撞樓宇內(nèi)部照明控制，則實驗設備I相當于樓宇照明總控制器，實驗設備2相當于每個樓層的照明分控制器，實驗設備3到η相當于每個房間的照明控制器。整個系統(tǒng)可以為某一種通信方式，也可以是不同種通信方式。為每個實驗設備的設定地址后，實驗設備I和2就能對網(wǎng)絡內(nèi)的其他實驗設備進行單獨控制或群組控制，其中實驗設備2起到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)橋功能。
[0056]該教學實驗設備按照實驗難度分為基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗三個層次，其中設計性實驗可以極大地激發(fā)學生的實驗熱情，調(diào)動學生的積極性和主動性;使學生從市場和用戶的角度出發(fā)，提高學生的自主學習能力和崗位適應能力。該教學實驗設備適用于光源與照明專業(yè)的實驗教學，填補了市場空白。
[0057]本實用新型的保護范圍并不限于上述的實施例，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。倘若這些改動和變形屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本實用新型的意圖也包含這些改動和變形在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種光電教學實驗設備，該教學實驗設備由電源模塊、濾波器、恒壓電路、恒流電路、光傳感器、控制模塊、LED陣列、接口模塊和顯示模塊組成，其特征在于: 電源模塊為該教學實驗設備提供電源； 濾波器為EMI濾波器，與恒壓電路連接，用于抑制交流電網(wǎng)中高頻干擾，該EMI濾波器的電路中包括共模電容Cyl、Cy2、Cy3、Cy4，共模電感1^，差模電容Cxl、Cx2，壓敏電阻Rv以及負溫度系數(shù)的熱敏電阻NTC，其中，共模電感1^是由兩個匝數(shù)相同、繞向相反的繞組構(gòu)成，共模電容選擇Y2安規(guī)電容，差模電容選擇Xl安規(guī)電容； 恒壓電路為L6562單級PFC恒壓電路，分別與濾波器和恒流電路連接，該單級PFC恒壓電路中包括開關(guān)管、穩(wěn)壓芯片TL431和光電耦合器PC817 ； 控制模塊為AT89C2051微處理器，分別與恒流電路、光傳感器、顯示模塊和接口模塊連接，控制模塊接收來自光傳感器的數(shù)據(jù)并向恒流電路輸出控制信號，控制模塊通過數(shù)據(jù)I/O與顯示模塊連接，并通過RS232接口與接口模塊連接，其中AT89C2051微處理器的P3.2引腳與P3.3引腳模擬12C通信所需的SCL與SDA信號線，和光傳感器BHl 710進行數(shù)據(jù)通信； 所述顯示模塊為LED數(shù)碼管； 光傳感器為BH1710數(shù)字光強傳感器，與控制模塊相連，該光傳感器使用穩(wěn)壓芯片AMSl117來提供3.3V工作電壓，光傳感器BH1710的引腳ADDR接至GND，引腳DVI經(jīng)IyF電容接GND，引腳SCL與SDA分別經(jīng)過Ik Ω的限流電阻接控制模塊AT89C2051的P3.2與P3.3腳； 恒流電路為HV9910降壓恒流電路，分別與恒流電路和LED陣列連接，HV9910的PffMD弓I腳與控制模塊AT89C20 51的調(diào)光I /0端口 P1.0引腳相連。
【文檔編號】G09B23/18GK205508227SQ201521139454
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年12月28日
【發(fā)明人】楊詩鳳, 宋露露
【申請人】武漢職業(yè)技術(shù)學院