基于微機控制的LED光源控制系統設計

陳錦儒，楊森泉

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東 韶關512005）

基于微機控制的LED光源控制系統設計

陳錦儒，楊森泉

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東 韶關512005）

為了增強機器視覺中捕捉圖像的清晰度以及提高圖像的分辨率，獲得優質穩定的圖像，需要設計一款基于微機PWM信號控制的LED光源控制器.該控制器以STC12C5608AD為系統控制核心，采用單片機自身的PCA/PWM寄存器產生PWM信號控制IRFR220N場效應管的開關狀態而對光源的亮暗程度進行控制.PWM調光技術屬于數字化調節，不僅可以避免常規模擬調光過程中發生光線偏移現象，并且可以精確控制調光的程度，改善機器視覺過程中提取圖像的質量.

PWM信號；調光；LED光源控制器

課題來源于一家非國際標準機械自動化設備設計的公司，項目主要研究的內容是：TB1管塞頭的在線自動裝配的控制系統，塞頭與TB1管（見圖1）的裝配必須按照一定的方向裝配.

圖1 塞頭與TB1管的外觀圖

目前，工業生產過程中仍然采用人工辨別塞頭與TB1管的方向再進行手工裝配，以至于裝配結果主觀因素很大、工作效率低、正確度低；外加工作強度大、容易造成工作人員疲憊等因素，一直達不到良好的裝配效果.隨著自動化設備以及工業圖像處理能力的提高，在工業上逐步形成了一門全新的技術——機器視覺.

機器視覺系統主要包括兩個圖像采集部分以及光源控制部分，筆者主要研究光源控制部分.在機器視覺開發過程中，光源控制部分一直處于瓶頸的狀態，由于光源打光控制不好而導致視覺判斷失誤事件經常發生，國內的機器視覺開發者都在探究如果改進光源控制部分的性能，筆者以恒流電源供電為基礎，實現數字信號光源控制系統.

1 系統的總體方案設計

LED光源控制系統的設計方向主要是使用控制器的檔位調節對LED燈的亮暗度進行控制，同時避免光源出現閃爍或者偏光現象.根據LED燈發光原理，要使LED燈正常發光發亮，必須使燈的兩極之間有電勢差，并且有一定電流流過.因此要對燈的亮暗度進行調節，只需改變電勢差的值或者電流的值，即可實現.

根據設計要求，在光源模塊的設計里需要用到的LED燈數量達到40顆以上.如果選用改變電流的方式控制光源的亮暗，不僅對電源的穩定性要求苛刻，并且由于調節過程中電流的反復變化會縮短LED燈的使用壽命，因此筆者選用改變電勢差的方案進行設計.

改變LED燈兩引腳之間電勢差的方式有很多種，最常用的方式就是在LED電路中串聯一個電位器.在電源輸出電壓不變的前提下，改變電路中某一個模塊的阻值會改變整個電路中各個模塊的電勢差.根據設計要求，使用串聯電位器的方案會讓光源出現色偏現象，直接影響采集圖像的質量.為了避免色偏現象的出現，在硬件設計中必須放棄傳統的模擬量調節，選用數字量的調節方法，因此使用PWM信號間接控制的方法進行設計.

2 系統硬件的實現

項目需要同時驅動4路的光源，因此必須要有4路的PWM輸出，同時也要有4路的檔位調節輸入.由于STC12C5608AD單片機自身集成了4路PWM信號輸出端口，并且具備了8路的ADC輸入模塊，故本系統采用該芯片作主控制器進行系統的信息處理.本系統的總體框架如圖2所示.從總體劃分，整個系統分成MCU主控模塊、恒流穩壓模塊、24V開關電源模塊以及光源驅動電路模塊.

圖2 LED光源控制系統電路設計總體框架

2.1 恒流源的電路

為了保證整個系統的供電在光源調節過程中的穩定性，必須有一個穩定的恒流源保證電流的供應，本項目中使用了LM2596芯片組成一個穩壓恒流電路，其電路見圖3.

圖3 LM2596的開關電壓調節器電路

該電路中LM2596主要起到穩壓作用，其電壓的計算公式如下所示.

其中，VREF=1.23 V，為了確保輸出的穩定性，R1選擇標稱為1 kΩ，精度為1%的精密電阻.在繪制電路的PCB圖時，需要注意開關電流與環線電感，如果處理不當容易引起電路電壓不穩定、電流漂蕩等各種問題，因此在外接元器件時要盡可能地靠近開關型集成電路，最好用地線屏蔽或單點接地.

3 系統軟件的設計

整個軟件系統控制主要分成兩大部分，分別是調光檔位的選擇以及PWM信號占空比的設置.在調光檔位選擇方面，利用單片機內部的ADC模塊對旋轉檔位輸入的電壓值進行測量，實現模擬信號轉變成數字信號.通過模數轉換公式可以計算出本設計中數字量的變化范圍為0～1 024.根據項目需求，把光亮程度分成10個等級，在檔位調節過程中，根據ADC的采樣值判斷檔位值，使用數字量進行檔位控制可以避免傳統模擬旋鈕由于直接調光而導致的色偏現象.

為了減少單片機的工作負荷，在PWM信號的占空比設置方面，每相隔2s讀取一次檔位值.根據讀取的檔位值控制自身的PCA/ PWM寄存器的數據，從而產生相對應占空比的PWM信號，控制IRFR220N場效應管的開關狀態而實現光源的控制.

整個系統軟件主要包括了串口初始化模塊、ADC初始化模塊、PWM初始化模塊、ADC數據處理模塊、ADC中斷服務模塊，主程序流程見圖4.

4 系統的調試

采用模塊化設計方法，整個系統在調試的過程中，先對硬件各部分包括開關電源模塊、單片機主控模塊、LED驅動模塊以及顯示模塊逐一檢查.確定硬件能正常工作的前提下，編寫軟件程序用以實現光源控制器.

4.1 軟件系統的調試

進入系統初始化模塊后軟件系統開始運行.執行過程中，根據軟件設計流程分別對各個功能模塊進行監控分析.使用串口通信調試助手把調試過程中的數據傳輸到PC機上進行監控與分析，利用PC機觀察系統軟件運行中的數據進行軟件系統調試，能快速確定各個模塊之間的數據交換值，減少程序調試過程中盲目嘗試測試數值的時間，從而縮短整個系統的開發周期.

調試過程中使用了3次PWM信號進行調光，其信號見圖5.

圖4 軟件主程序流程

圖5 三種不同的PWM信號

圖5（a）是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中10%的時間通，其余90%的時間斷.圖5（b）和圖5（c）顯示的分別是占空比為45%和90%的PWM輸出.這3種PWM輸出編碼的分別是強度為滿度值的10%、45%和90%的3種不同模擬信號值.例如，假設供電電源為12 V，占空比為10%，則對應的是一個幅值為1.2 V的模擬信號.

4.2 軟件與硬件的聯調

設置PWM寄存器，使用示波器觀察PWM輸出波形，并試著設置不同頻率的PWM波輸出，觀察波形情況.再利用串口通信調試程序，觀察輸入信號的ADC轉換值情況，判斷獲取的ADC值是否接近理論數據計算的ADC數據.最后把兩個調試模塊合并調試，觀察測試效果.

5 結語

本課題研究主要是對當前LED光源控制器采用模擬控制的方式進行升級改造，在檔位調節上實現了模數之間的轉換，用數字量進行精確控制；在光源亮暗程度的控制上采用PWM信號控制，改變了傳統串聯分壓的控制方式，保證獲取更好的圖像質量.在相同的采集圖像條件下更換多種的光源控制器（包塊直接調節電位器改變電勢差方式的控制器），我們發現利用PWM信號的光源控制器能夠很好配合機器設備的視覺系統工作，經過一個多月的研究與設計，該光源控制系統已經正式投入使用，一直處于正常工作的狀態，至今沒發生任何事故.

［1］林瑞梅.LED光源典型驅動電路［J］.廈門科技.2008(4):57-59.

［2］潘珍英.工業自動光學檢測中的照明系統設計［D］.廈門：廈門大學,2007.

［3］虞志雄.脈寬調制型白光LED驅動芯片的設計［D］.杭州：浙江大學,2006.

On the design of control system for LED light source based on microcomputer control

CHEN Jin-ru,YANG Sen-quan
（Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China）

In order to enhance the capacity of machine vision for acquiring more sharp higher resolution and more stable images,it is need to design a LED light controller based on the microcomputer PWM signal.The constant current source,which uses STC12C5608AD as the system control core,control the switch state of IRFR220N field-effect tube,which can adjust the bright degree of the light source,by using PCA/PWM register PWM signal.PWM dimming technology is digital regulation,can not only avoid dimming offset phenomena of the conventional analog dimming process,but also improve function of adjusting light,and improve the quality of the image.

pwm signal；dimming；LED light controller

TP311

：A

：1007-5348（2014）08-0036-04

（責任編輯：李 婉）

2014-03-09

實驗室研究會研究基金（DGJ2012018）.

陳錦儒（1987-），男，廣東臺山人，韶關學院物理與機電工程學院助理實驗師，主要從事電子系統設計與研究.