基于LabVIEW的LED結(jié)溫與光衰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

     摘要：本文將虛擬儀器應(yīng)用于LED 結(jié)溫和光衰的測(cè)量中，以LabVIEW 為平臺(tái)開發(fā)的LED結(jié)溫與光衰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為核心，配上傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)軟件，對(duì)LED 的工作電壓、工作電流以及LED 的光照度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、連續(xù)、在線測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，將結(jié)果以圖形和數(shù)字兩種方式顯示。本系統(tǒng)還有簡(jiǎn)單實(shí)用、高精度、高靈敏度等特點(diǎn)，安全可靠，維護(hù)方便快捷，具有很好的可擴(kuò)展性和應(yīng)用前景，能夠適用于實(shí)驗(yàn)室和室外眾多環(huán)境。

　　1．引言

　　白光LED 固體光源具有傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)勢(shì)：節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命、安全可靠等，成為未來照明的趨勢(shì)。但LED 的PN 結(jié)溫度對(duì)LED 的性能有著重要的影響，會(huì)引起色溫變化、波長(zhǎng)紅移、正向壓降等，同時(shí)影響電子和空穴的非輻射再結(jié)合，導(dǎo)致光輻射功率下降，因此成為影響LED 進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的關(guān)鍵，是迫切需要解決的問題。如何測(cè)量LED 的結(jié)溫，已經(jīng)有了很多相關(guān)報(bào)道，比如正向電壓法、管腳法、藍(lán)白比法等等[2]。目前常用的是正向電壓法，它是利用LED 電輸運(yùn)的溫度效應(yīng)，通過測(cè)量恒定工作電流下的電壓來確定結(jié)溫，正向電壓愈小，結(jié)溫愈高且基本呈線性關(guān)系。本系統(tǒng)基于LabVIEW 圖形化軟件平臺(tái)而開發(fā)的一種虛擬儀器，目的是在LED 恒定電流工作過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)正向工作電壓而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)溫的間接測(cè)量，同時(shí)監(jiān)測(cè)LED 發(fā)光強(qiáng)度變化，即通過光照度的變化監(jiān)測(cè)LED 照明燈的光衰。

　　2．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　LED 結(jié)溫與光衰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是把非電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)采集卡采集后由計(jì)算機(jī)讀取、處理、顯示、存儲(chǔ)。硬件設(shè)計(jì)部分由驅(qū)動(dòng)電路、照度計(jì)探頭、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組成。其中驅(qū)動(dòng)電路不在系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，是被測(cè)量對(duì)象。系統(tǒng)信號(hào)采集示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)信號(hào)采集示意圖

　　本示意圖中電路采用的是電容降壓 LED 驅(qū)動(dòng)電路，具有很好的恒流作用。負(fù)載為同一批次、物理參數(shù)基本相同的18 只小功率LED。所有信號(hào)由采集卡采集，通過USB 接口與計(jì)算機(jī)連接，然后由應(yīng)用程序完成對(duì)采集卡的控制和數(shù)據(jù)記錄與分析。利用計(jì)算機(jī)使系統(tǒng)軟件和采集硬件結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、記錄、波形顯示，多路信號(hào)的同時(shí)采集且生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)采用的是由美國(guó)NI 公司的USB-6009 型號(hào)的多功能數(shù)據(jù)采集卡，其最高采集速率為48kS/s，8 路模擬輸入通道，14 位分辨率，12 條數(shù)字I/O 線，2 路模擬輸出，以及1個(gè)計(jì)數(shù)器。為了得到更精確的采集數(shù)據(jù)，避免外界干擾，本系統(tǒng)采用差分式的方式進(jìn)行電壓采集。由六個(gè)輸入接口形成三個(gè)采集通道，同時(shí)對(duì)三個(gè)電壓信號(hào)采集?？梢酝ㄟ^軟件對(duì)相應(yīng)的通道進(jìn)行配置，如：采樣頻率、電壓采集范圍等。

2.3 工作電流的采集

由于采集卡的信號(hào)輸入是電壓信號(hào)，在LED 電路中串聯(lián)一個(gè)電阻，通過采集電阻上的壓降，換算出電流。這里采用0.1 Ω 小電阻，可忽略對(duì)系統(tǒng)的影響。監(jiān)測(cè)工作電流的目的是為了直接觀測(cè)到LED 燈工作于恒流狀態(tài)，結(jié)電壓的變化只取決于結(jié)溫的變化。

2.4 LED 工作電壓采集及結(jié)溫的換算
根據(jù)正向電壓法原理，由其他實(shí)驗(yàn)得到本實(shí)驗(yàn)中LED 的結(jié)溫Tj 與電壓Vj 之間的關(guān)系式為：

　　式中Vj 為L(zhǎng)ED 結(jié)電壓（mv）；Tj 為結(jié)溫（℃）。在18 只LED 中任意選取5 只LED，測(cè)量?jī)啥穗妷呵笃骄导吹玫絾沃籐ED 工作電壓。采集的電壓信號(hào)到結(jié)溫溫度值的標(biāo)度變換由LabVIEW 程序來實(shí)現(xiàn)，標(biāo)度變換公式為（1）式。

　　2.5 光照度的采集

　　由于光照度與發(fā)光強(qiáng)度之間的光度學(xué)關(guān)系式[3]E＝I/R2，在軸向定距監(jiān)測(cè)LED 光照度的變化，即監(jiān)測(cè)LED 光強(qiáng)變化。利用采集卡采集照度計(jì)探頭的電壓信號(hào)，通過光照度同電壓的函數(shù)關(guān)系由LabVIEW 換算得到光照度。通過實(shí)驗(yàn)及曲線擬合，得出光照度E（lx）與照度計(jì)探頭輸出電壓V（mv)的函數(shù)關(guān)系式為：

　　3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以LabVIEW程序作為控制軟件。LabVIEW程序是目前國(guó)際廣泛應(yīng)用于儀器控制、自動(dòng)化測(cè)試、數(shù)據(jù)分析處理等領(lǐng)域的編程平臺(tái)。它是基于圖形化的程序語言G的開發(fā)軟件，使用這種語言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。LabVIEW程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與采集卡結(jié)合，控制采集卡采集電壓模擬信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，以文本形式在計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存和以多種形式在前面板上顯示。

3.1 程序框圖

LabVIEW 程序應(yīng)用平鋪式順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，分為兩幀。第一幀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄和實(shí)時(shí)顯示，如圖2。第二幀實(shí)現(xiàn)光照度波形回放和各個(gè)數(shù)據(jù)最大最小運(yùn)算，如圖3。

圖2 第一幀程序框圖

圖3 第二幀程序框圖

　　第一幀應(yīng)用定時(shí)循環(huán)及條件結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)換算模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊四部分組成。

　?。?）數(shù)據(jù)采集由子VI 采集助手完成，并控制采集卡，為整個(gè)程序提供數(shù)據(jù)源。主要包括：

　　初始化數(shù)據(jù)采集卡、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集、暫停采集、停止采集等，其中初始化采集卡完成參數(shù)的設(shè)置。

　?。?）數(shù)據(jù)換算模塊子VI 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的電壓模擬信號(hào)分別向結(jié)溫和光照度信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

　?。?）實(shí)時(shí)顯示模塊子VI 主要由電流、結(jié)溫和光照度三個(gè)波形圖表組成，顯示方式有圖形顯示和數(shù)值顯示。

　?。?）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊子VI 在指定目錄下創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄文件，將處理后的數(shù)據(jù)寫入文件并保存，寫入模式設(shè)置為：本次的采集數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)寫在上次數(shù)據(jù)的后面，而不覆蓋。數(shù)據(jù)以字符串形式保存，并生成以時(shí)間為序的電子表格文件，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)和過程描述。

　　第二幀主要是數(shù)據(jù)回放調(diào)用模塊子VI，選取了對(duì)光照度變化曲線的回放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)采集數(shù)據(jù)最大值和最小值的計(jì)算。回放數(shù)據(jù)的直接來源是讀取上一幀程序所保存的文件，當(dāng)用戶需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理時(shí)，可以離線狀態(tài)下重新調(diào)用數(shù)據(jù)。

　　3.2 虛擬儀器前面板

　　如圖4 所示，前面板主要由電流、結(jié)溫、光照度三個(gè)顯示窗口，一個(gè)數(shù)據(jù)列表窗口和一個(gè)光照度變化回放窗口以及控制欄組成。采集過程中，在顯示窗口可以看到實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)；在采集結(jié)束后可以得到與時(shí)間相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)列表，同時(shí)光照度變化曲線在光照度變化回放窗口內(nèi)顯示；在控制欄中，主要就是對(duì)采集開始和結(jié)束的控制，并且可以按照需要設(shè)置采樣周期和采樣電阻。采集過程中可以暫停采集，同時(shí)顯示單次采集次數(shù)與采集總次數(shù)；結(jié)束采集時(shí),先確定采集結(jié)束,再退出系統(tǒng)，此時(shí)即可看到光照度變化波形。

圖4 虛擬儀器前面板

　　4．小結(jié)

基于 LabVIEW 開發(fā)的LED 結(jié)溫與光衰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)LED 的電壓和電流進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果與萬用表測(cè)量結(jié)果吻合，光照度的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果也與照度計(jì)測(cè)量結(jié)果吻合。與其他測(cè)量方式相比，本系統(tǒng)有著實(shí)時(shí)記錄、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)觀測(cè)等諸多的優(yōu)越性。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，高精度，高靈敏度，通用性強(qiáng)，界面友好，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，性能穩(wěn)定可靠，且成本低廉。在LED 結(jié)溫與光照度即光衰減監(jiān)測(cè)中，可以長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)周期地運(yùn)行本系統(tǒng)，且提供了非連續(xù)測(cè)量。結(jié)溫與光照度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)值顯示，同時(shí)圖形顯示波開可以直觀地看到變化趨勢(shì)。軟件與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，滿足了特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要。本系統(tǒng)還有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以增加監(jiān)測(cè)LED 燈的其它技術(shù)指標(biāo)，如LED 功率等光學(xué)參數(shù)和電學(xué)參數(shù)等。與筆記本電腦的結(jié)合，還適用于室外不同場(chǎng)合的需要，有著很好的應(yīng)用前景。