基于STM32的大功率LED 陣列高精度制冷控制系統(tǒng)*

錢依凡，薛凌云，洪哲揚(yáng)

(杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

LED 以其小體積、高亮度、長(zhǎng)壽命、節(jié)能環(huán)保、可DC供電與調(diào)光等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示以及照明系統(tǒng)中。限于當(dāng)前材料、封裝和工藝等技術(shù)水平，LED量子效率低，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱[1]。由多顆LED 組成的大功率LED 陣列不僅表現(xiàn)為單顆LED 產(chǎn)熱嚴(yán)重且LED 間相互耦合，其散熱問題更加突出。隨著LED 研究與應(yīng)用的深入，LED 陣列中LED 功率和集成度亦隨之增加，其單位面積上所產(chǎn)生的熱量愈來愈多，若非在重量和尺寸上指數(shù)增加，單純依靠被動(dòng)散熱已無法及時(shí)散發(fā)大功率LED 陣列熱量[2]，由此導(dǎo)致LED 陣列熱沉溫升問題嚴(yán)重影響LED 陣列的光學(xué)性能與可靠性，如發(fā)光效率降低、波長(zhǎng)偏移、顏色偏移、壽命縮短等[3-5]，而良好的制冷控制不僅能保持LED 陣列工作環(huán)境溫度的穩(wěn)定，更能提高LED的發(fā)光效率。

半導(dǎo)體制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有熱慣性小、制冷速度快、體小質(zhì)輕、易于調(diào)控、壽命長(zhǎng)、無噪聲、無污染等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛且非常適合應(yīng)用于微型制冷領(lǐng)域，如激光器、醫(yī)療器械和空間飛行器上的儀器設(shè)備冷卻等[6-7]。TEC 驅(qū)動(dòng)電源大致發(fā)展為開關(guān)電源和線性電源，開關(guān)電源具有轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但易產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾；線性電源的電磁干擾小，輸出電壓電流紋波小[8]，設(shè)計(jì)線性電源驅(qū)動(dòng)TEC 可使其工作更穩(wěn)定。

TEC 制冷過程是五大效應(yīng)綜合作用的結(jié)果，受其驅(qū)動(dòng)電流、熱端散熱條件及系統(tǒng)接觸熱阻等因素多重影響表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特征。PID 因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便實(shí)用常用于半導(dǎo)體制冷控制[9-10]，但PID的本質(zhì)為線性控制，常導(dǎo)致非線性的TEC 制冷控制系統(tǒng)存在快速性和超調(diào)量難以兼得、抗干擾能力差等問題。因此在TEC 制冷控制的實(shí)際應(yīng)用中，人們將非線性系統(tǒng)理論、智能控制理論等與PID 控制相結(jié)合，提出了多種無需建立復(fù)雜熱傳導(dǎo)模型的PID 控制算法，實(shí)驗(yàn)表明其具有較好的適用性及抗干擾能力[11-14]。

鑒于以上原因，本文采用STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)并制作相應(yīng)制冷控制系統(tǒng)實(shí)物，實(shí)現(xiàn)模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制策略在該系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用，并利用6×3 W 大功率LED 陣列對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行制冷控制，對(duì)制冷效果等進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)方案

經(jīng)簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置整體示意圖如圖1 所示。源表板卡P1 通過接收溫度反饋值進(jìn)而根據(jù)控制策略調(diào)整輸出不同大小電流驅(qū)動(dòng)TEC 以不同制冷效率工作，源表板卡P2 驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇提高TEC 熱端至塔式散熱器傳遞的熱量與空氣交換速率，源表板卡P3 可設(shè)置電壓、電流大小及驅(qū)動(dòng)模式以驅(qū)動(dòng)LED正常工作，測(cè)控版卡MC1主要功能為測(cè)量LED熱沉溫度。板卡P1、P2、P3、MC1 間通過以太網(wǎng)口及交換機(jī)建立連接與PC 上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置整體示意圖

1.1 系統(tǒng)總體方案

依照分布式與模塊化的設(shè)計(jì)思想，制冷控制系統(tǒng)主要由測(cè)控板卡、源表板卡、上位機(jī)三部分構(gòu)成，按照?qǐng)D2所示方式進(jìn)行連接、組合。

圖2 制冷控制系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)以STM32 作為制冷控制核心，利用嵌入式以太網(wǎng)控制芯片W5500，通過不同報(bào)文幀的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)指令上傳下達(dá)及數(shù)據(jù)交互。工作時(shí)，通過上位機(jī)設(shè)置預(yù)定溫度值及制冷控制開啟信號(hào)后生成參數(shù)報(bào)文發(fā)送至MC1、P1 分別開啟溫度采集、制冷控制，PT100 模塊采集的電壓信號(hào)經(jīng)AD7792 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)交由STM32 處理生成溫度報(bào)文后由W5500 發(fā)送至P1，P1 通過比較設(shè)定溫度與采集溫度的大小輸出不同大小的恒定電流，從而驅(qū)動(dòng)TEC 輸出不同的制冷功率，對(duì)大功率LED 陣列進(jìn)行制冷控制。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 測(cè)控板卡

該板卡主要功能為溫度測(cè)量，溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)經(jīng)濾波放大及A/D 轉(zhuǎn)換后經(jīng)SPI 總線送入STM32 單片機(jī)處理，STM32 處理后生成溫度值送入W5500 傳送至PC、源表板卡。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，溫度傳感器的選擇尤為重要。鉑電阻的穩(wěn)定度理論上可達(dá)0.1%，其以高穩(wěn)定度與高測(cè)量精度等優(yōu)勢(shì)被ITS-90國(guó)際溫標(biāo)所采用并作為基準(zhǔn)測(cè)試儀器。本設(shè)計(jì)采用IEC751 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)下的三線制A 級(jí)鉑熱電阻PT100，三線制接法在工業(yè)上應(yīng)用成熟，可大大減小導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差[15]。

PT100 采集所得代表溫度變化的阻值信息通過恒流源可轉(zhuǎn)換成電壓值方便后續(xù)A/D 處理，本設(shè)計(jì)采用ADI 公司生產(chǎn)24 位∑-ΔADC 內(nèi)部集成低噪聲可編程增益放大器AD7792 芯片。其不僅自帶激勵(lì)電流源，且內(nèi)部增益在1～128 倍間可調(diào)，同時(shí)24 位分辨率保證了對(duì)熱電阻電壓變化的辨識(shí)能力，均方根噪聲僅為40 nV，滿足溫度測(cè)量的精度需求。圖3 為主要的溫度檢測(cè)電路。

圖3 溫度采集電路

為實(shí)現(xiàn)最佳三線式RTD 配置，需用兩個(gè)完全匹配的激勵(lì)電流。在該配置中，若只輸出一路激勵(lì)電流IOUT1，因PT100 引線電阻存在，會(huì)在AIN1+引腳與AIN1-引腳間產(chǎn)生電壓差，因此需要輸出另一路激勵(lì)電流IOUT2 用于補(bǔ)償IOUT1 輸出所產(chǎn)生的誤差。電流流經(jīng)REFIN+與REFIN-間的精密電阻可為AD7792 提供基準(zhǔn)電壓，該方案可使模擬電壓輸入范圍隨基準(zhǔn)電壓呈比例變化，同時(shí)基準(zhǔn)電壓變化可補(bǔ)償任何因激勵(lì)電流的溫漂所導(dǎo)致的模擬輸入電壓誤差，最終保證溫度測(cè)量的精度與穩(wěn)定度。

1.2.2 源表板卡

半導(dǎo)體制冷器是電流驅(qū)動(dòng)器件，其制冷功率可通過驅(qū)動(dòng)電流大小調(diào)節(jié)，輸出電流穩(wěn)定可調(diào)、響應(yīng)時(shí)間小、紋波電流小同時(shí)具備輸出檢測(cè)反饋的源表設(shè)計(jì)是半導(dǎo)體制冷器制冷控制精確的基礎(chǔ)。

該電源板卡主要包含電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)兩部分，兩者原理基本相同，且本設(shè)計(jì)最終采用電流驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器，因此對(duì)電流驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行描述。220 V 市電經(jīng)EMI 濾波器、變壓器、整流橋、濾波電容后轉(zhuǎn)化為直流電壓接入，圖4 為主要源表電路。

圖4 電流驅(qū)動(dòng)電路

該電路總體為浮地線性電源。左側(cè)光耦TLP521 具備隔離功能同時(shí)亦能通過副邊輸出控制MOS 管IRFP250 導(dǎo)通或關(guān)斷進(jìn)而控制后級(jí)輸出。最右側(cè)為主體放大電路，設(shè)計(jì)同時(shí)反饋給STM32 片內(nèi)AD 采集進(jìn)而根據(jù)PID 策略調(diào)整DA 輸出達(dá)到恒流目的，其中運(yùn)放選擇為壓擺率達(dá)16 V/μs、均方根噪聲僅為15 nV的TL084 芯片。其中Q5 和Q6 是功率對(duì)管，用于提高電路驅(qū)動(dòng)能力。C7、C8、C30 組合成輸出濾波電容，其中D4 是穩(wěn)壓二極管有輸出過壓的抑制作用。該板卡最終可實(shí)現(xiàn)電壓電流0～30 V、0～4 A調(diào)整范圍輸出，同時(shí)板卡裝載保險(xiǎn)絲，軟硬件兩方面都具備過流保護(hù)作用。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的目標(biāo)參數(shù)與開啟停止指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)下位機(jī)軟件流程如圖5 所示。

圖5 下位機(jī)軟件流程圖

系統(tǒng)上電復(fù)位后，開始程序初始化同時(shí)MC1、P1、PC建立網(wǎng)絡(luò)連接，待上位機(jī)參數(shù)設(shè)定后向MC1、P1 發(fā)送開啟制冷控制系統(tǒng)，MC1 開啟溫度采集并發(fā)送給P1，P1 根據(jù)反饋值及設(shè)定值調(diào)用模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 進(jìn)行電流輸出調(diào)節(jié)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)TEC，從而實(shí)現(xiàn)制冷控制。當(dāng)收到上位機(jī)制冷控制停止信號(hào)后停止制冷控制流程。

1.3.2 模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID

本設(shè)計(jì)將模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 嵌入下位機(jī)實(shí)現(xiàn)。如圖6 所示，以制冷控制溫度設(shè)定值r(k)與檢測(cè)值y(k)的偏差e(k)和偏差變化率△e(k)為模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入變量，以PID 增量參數(shù)△KP、△KI、△KD為輸出變量。模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以性能指標(biāo)為目標(biāo)不斷優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，輸出最佳PID 增量參數(shù)，PID 控制參數(shù)作用于被控對(duì)象TEC 得到實(shí)際輸出值，以提高半導(dǎo)體制冷溫度控制效果。

圖6 模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制框圖

針對(duì)模糊控制結(jié)構(gòu)和PID 控制器的設(shè)計(jì)要求，模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用兩輸入三輸出四層結(jié)形式，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第1～4 層分別為輸入層、模糊層、推理層和輸出層。

圖7 模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

第一層(輸入層)：以溫度偏差e(k)和溫度偏差變化率△e(k)作為輸入量。輸入向量x=[x1x2]T，x1=e(k)，x2=e(k)-e(k-1)=△e(k)。

第二層(模糊化層)：輸入向量x=[x1x2]T歸一至論域[-10，10]。第二層的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)語(yǔ)言變量值，設(shè)定e(k)和△e(k)的模糊子集均為{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，其作用為根據(jù)隸屬函數(shù)計(jì)算各個(gè)輸入分量xi的隸屬度隸屬度函數(shù)為高斯型函數(shù)，則有：

式中，cij和σij分別是第i 個(gè)輸入變量第j 個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)的中心和寬度，i=1，2，…，n；j=1，2，…，mi。n=2 是輸入量的維數(shù)，mi為xi的模糊分割數(shù)。該層節(jié)點(diǎn)數(shù)為14。

cij的選取以全交迭、對(duì)稱和不均勻分布為原則。以e(k)為例，隸屬度函數(shù)如圖8 所示。

圖8 隸屬度函數(shù)

輸出公式為：

第三層(模糊推理層)：節(jié)點(diǎn)數(shù)等于輸入變量的模糊子集個(gè)數(shù)乘積，共49 個(gè)節(jié)點(diǎn)。該層每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一條模糊規(guī)則，通過與模糊化層的連接完成模糊規(guī)則的匹配，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間模糊運(yùn)算，每一個(gè)神經(jīng)元的輸出為：

式中j，k=1，2，3，4，5，6，7；n=7(j-1)+k。

第四層(輸出層)：該層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3，其作用為實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)的增量清晰化，采用重心法：

式中n=1，2，3。

采用梯度下降法改變模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第三層與第四層之間的連接權(quán)值，優(yōu)化輸出。性能指標(biāo)函數(shù)如式(5)所示。

式中m 為每次學(xué)習(xí)采樣個(gè)數(shù)。

則每次權(quán)值的修正量公式為：

式中η 為學(xué)習(xí)速率。

對(duì)式(6)分解得：

對(duì)式(7)中每項(xiàng)進(jìn)行推算得：

第1 項(xiàng)：

第2 項(xiàng)：

第3 項(xiàng)：增量式PID 計(jì)算公式為：

將增量式PID 計(jì)算公式帶入權(quán)值修正的分解公式第3 項(xiàng)可得：

第4 項(xiàng)：

由上可得，權(quán)值修正量為：

每次權(quán)值調(diào)整公式為：

式中k 表示權(quán)值修正次數(shù)。

1.3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文使用Qt 平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)TEC 制冷控制上位機(jī)方便操作人員控制系統(tǒng)工作、實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)溫度狀態(tài)并記錄實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件基于UDP 協(xié)議，通過以太網(wǎng)、交換機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行通信，利用報(bào)文幀的不同設(shè)計(jì)判別指令與數(shù)據(jù)報(bào)文，采用判斷幀頭幀尾、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位、異或校驗(yàn)位來保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。操作人員可通過上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置及下達(dá)控制命令，實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)數(shù)據(jù)可保存為相應(yīng)TXT 格式文件，方便后續(xù)分析。系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面如圖9 所示。

圖9 上位機(jī)軟件界面

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 源表響應(yīng)時(shí)間與穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

源表響應(yīng)快、紋波小、穩(wěn)定度高是TEC 正常工作及制冷控制高精度的基礎(chǔ)。源表外接極限功率300 W、10 Ω可調(diào)水泥電阻負(fù)載，設(shè)定不同大小電流后利用TDS 2024C示波器對(duì)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量所得部分瞬態(tài)響應(yīng)波形如圖10 所示。調(diào)整示波器為交流耦合模式，進(jìn)行紋波測(cè)量，所得部分波形如圖11 所示。該板卡可實(shí)現(xiàn)電壓電流0～30 V、0～4 A調(diào)整范圍輸出，在帶載情況下設(shè)定不同大小電流開出測(cè)試時(shí)，該源表響應(yīng)時(shí)間范圍為2.5 ms～5 ms，紋波峰峰值范圍為24 mV～38 mV，紋波系數(shù)范圍為0.21%～0.55%，滿足TEC 工作及控制需求。

圖10 不同大小電流瞬態(tài)響應(yīng)波形

圖11 不同大小電流紋波波形

2.2 大功率LED 陣列溫升實(shí)驗(yàn)

利用6×3 W的大功率LED 陣列作為熱源，因需將LED 陣列置于積分球內(nèi)對(duì)輸出光學(xué)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)同時(shí)提高陣列散熱性能，設(shè)計(jì)Ф46×38 mm 圓柱狀LED 熱沉，將LED 陣列鋁基板與LED 陣列熱沉相連，TEC 冷端與另一端LED 陣列熱沉相連，TEC 熱端與帶風(fēng)扇的塔式散熱器相連，通過在各接觸面涂抹高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅膠固定連接并降低接觸熱阻。

實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境溫度保持在10～14 ℃，在TEC 制冷控制未工作時(shí)，對(duì)大功率LED 陣列熱沉溫度進(jìn)行測(cè)量記錄，繪制如圖12 所示。

圖12 大功率LED 陣列熱沉升溫曲線

該LED 陣列實(shí)際工作功率約為12.6 W，在Ф46×38 mm圓柱狀LED 熱沉條件下，熱沉溫度在36 min 內(nèi)便上升到40 ℃以上，并且呈不斷上升趨勢(shì)。說明即使在擁有被動(dòng)散熱條件下，在未施加制冷控制時(shí)，該LED 陣列的散熱問題仍然非常嚴(yán)重。

2.3 半導(dǎo)體制冷精度及穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)

在環(huán)境溫度為11.0 ℃時(shí)，通過預(yù)整定，確定P、I、D參數(shù)的初始值：KP=12.0，KI=0.12、KD=0.5。在設(shè)定制冷目標(biāo)溫度為5 ℃時(shí)，分別使用常規(guī)PID與模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示。為了更加清晰地反映兩者曲線的差別，將圖中50 s 至400 s 控制曲線放大以插圖形式展示于右半部。

圖13 線性PID與模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的實(shí)驗(yàn)輸出對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用常規(guī)PID 控制TEC 時(shí)，溫度從11.0 ℃初次下降到5 ℃需要90 s，并且于182 s 時(shí)出現(xiàn)最大超調(diào)，超調(diào)量為0.38 ℃，而在388 s 時(shí)才上升至5 ℃，此后誤差在波動(dòng)中逐漸減小，最終溫度控制在5±0.2 ℃以內(nèi)。

在相同條件下，使用模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制TEC。相比于常規(guī)PID 控制，溫度從11.0 ℃下降到5 ℃雖然需要116 s，但是于184 s 便已出現(xiàn)最大超調(diào)量，僅為0.14 ℃，超調(diào)量與超調(diào)時(shí)間均有改善。而后，制冷控制系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在362 s 后系統(tǒng)便能使溫度控制在5±0.08 ℃以內(nèi)，經(jīng)穩(wěn)定性測(cè)試，其進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)可將溫度控制在5±0.1 ℃以內(nèi)。

由大功率LED 陣列溫升實(shí)驗(yàn)可知，大功率LED 陣列的溫升是一個(gè)非線性過程，其熱沉溫度在經(jīng)過36 min便上升到40 ℃以上且呈不斷上升趨勢(shì)，非常適合作為熱源對(duì)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的系統(tǒng)進(jìn)行帶載及干擾測(cè)試。在相同條件下，對(duì)上面進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的系統(tǒng)于9 min 時(shí)開啟大功率LED 陣列，測(cè)試結(jié)果如圖14 所示。

圖14 制冷控制時(shí)開啟大功率LED 陣列后熱沉溫度曲線

由圖14 可知，9 min 時(shí)開啟大功率LED 陣列后，系統(tǒng)最大偏離0.7 ℃，經(jīng)過13.5 min 后系統(tǒng)重新降至5 ℃，此后系統(tǒng)便能使溫度控制在5±0.1 ℃以內(nèi)，表明該系統(tǒng)具備較好的帶載及抗干擾能力。相較于大功率LED 陣列經(jīng)過36 min 后仍呈溫度上升趨勢(shì)，該制冷控制系統(tǒng)可大大縮短熱平衡時(shí)間。

2.4 大功率LED 陣列光學(xué)性能對(duì)比

將6×3 W 大功率LED 陣列置于積分球內(nèi)，利用Ocean Optics 光譜儀HR4000 對(duì)其進(jìn)行光學(xué)特性測(cè)量，獲得光譜曲線如圖15 所示。

圖15 LED 陣列熱沉不同溫度下輸出光譜對(duì)比

圖15中左部分為藍(lán)光LED 所發(fā)藍(lán)光，峰值波長(zhǎng)為460 nm 左右，中間部分為綠光LED 所發(fā)綠光，峰值波長(zhǎng)為515 nm 左右，右部分為紅光LED 所發(fā)紅光，峰值波長(zhǎng)為625 nm 左右。

隨LED 陣列熱沉溫度升高，不同種類LED的峰值波長(zhǎng)均發(fā)生不同程度的紅移，在控制LED 熱沉溫度從5 ℃到45 ℃過程中，藍(lán)光LED 峰值波長(zhǎng)從457.8 nm 偏移至460.3 nm，綠光LED 峰值波長(zhǎng)從515.0 nm 偏移至517.1 nm，紅光LED 峰值波長(zhǎng)從625.8 nm 偏移至631.5 nm；譜線半高寬隨著溫度上升不斷加大，其顏色純度降低，光強(qiáng)峰值呈不斷下降趨勢(shì)，紅光LED的相對(duì)輻射強(qiáng)度從15 706降至10 180，相較于控制LED 熱沉溫度為20 ℃時(shí)測(cè)量所得相對(duì)輻射強(qiáng)度為13 481 時(shí)，其光強(qiáng)下降可達(dá)24.5%。可見，良好的制冷控制不僅可防止LED 陣列因溫升所導(dǎo)致的波長(zhǎng)、顏色的偏移，亦可提高其輸出光效。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套以STM32 微處理器為控制核心的TEC 制冷控制系統(tǒng)，采用上下位機(jī)架構(gòu)，設(shè)計(jì)安全可靠的可編程線性電源驅(qū)動(dòng)TEC 工作，實(shí)現(xiàn)了溫度的設(shè)定、測(cè)量、顯示與控制。通過模糊RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法對(duì)溫度進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)證明相較于常規(guī)線性PID，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性大大改善，在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)控制等方面表現(xiàn)出更佳的控制效果，同時(shí)具有一定的抗干擾能力，該算法對(duì)類似的過程控制系統(tǒng)具有一定的參考意義。本文對(duì)LED 陣列光學(xué)性能與熱沉溫度的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，隨熱沉溫度增大，其峰值波長(zhǎng)與顏色均發(fā)生不同程度偏移，施加制冷控制后使其工作溫度穩(wěn)定的同時(shí)提高了光效。