基于便捷式電子顯微鏡的LED調(diào)光器的研制探討

張琛

摘 要 調(diào)光器（dimmer）是用于改變照明裝置中光源光照量，并可進(jìn)行一定調(diào)節(jié)的電氣裝置，其主要作用即為調(diào)節(jié)光照的不同亮度，達(dá)到控制照明的效果。文章所介紹的基于電子顯微鏡Led調(diào)光器，主要是以波控控制調(diào)光原理（又稱脈沖波寬度調(diào)制）為實(shí)現(xiàn)理論依據(jù)，波控控制調(diào)光其英文簡稱為PWM，是通過把電源方波進(jìn)行數(shù)位化轉(zhuǎn)換，并對方波占空比進(jìn)行調(diào)控，最終達(dá)到控制照明的有效目的。此次研究的電子顯微鏡LED調(diào)光器就是通過數(shù)字電位器、電容與場效應(yīng)管等多種基礎(chǔ)性電子元件，達(dá)到產(chǎn)生控制PWM脈沖的目的，進(jìn)而對光源實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)控。

關(guān)鍵詞 便捷式電子顯微鏡；LED調(diào)光器；PWM脈沖波調(diào)節(jié)

中圖分類號：TN31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0029-02

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)對于各類照明設(shè)備有了越來越高的要求，除了需要具備良好的照明效果之外，還要有低能耗、發(fā)熱量小以及使用壽命長等多方面的技術(shù)層面要求。LED固體光源正是基于當(dāng)今社會(huì)需要應(yīng)運(yùn)而生。并且由于LED燈不具有熱慣性等現(xiàn)象，因此可以快速進(jìn)行開啟與關(guān)閉。常見的LED調(diào)光方式主要是采用PWM即波控控制調(diào)光或稱為脈沖寬度調(diào)制。通過PMW調(diào)節(jié)，使LED可以持續(xù)保持額定電流的最大值，使其只存在完全熄滅與最大亮度兩種工作狀態(tài)，不存在中間過渡與色譜偏移，因此以PWM進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)的方式尤其適合于顯微鏡之類的細(xì)微精準(zhǔn)觀察之中。但由于PWM類型LED調(diào)光器通常具有眾多的線路以及機(jī)電元件，體積自然也比較大，因此必須對傳統(tǒng)PWM型LED調(diào)光器進(jìn)行改良，使其滿足便捷式顯微鏡的需要，使其更為精細(xì)、輕便，最終符合便攜式電子顯微鏡的便捷特性。

1 硬件設(shè)計(jì)

本方案主要將LED調(diào)光器構(gòu)建為4大主要部分，分別為LED通斷開關(guān)、PWM脈沖波發(fā)生電路裝置、區(qū)域選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)以及PWM區(qū)域控制裝置。PWM脈沖不斷由PWM發(fā)生裝置中產(chǎn)生，之后經(jīng)過LED開關(guān)，使LED等在接收與斷開信號的過程中，實(shí)現(xiàn)LED的高速亮開與關(guān)閉。區(qū)域選擇轉(zhuǎn)換裝置，主要是通過對所選區(qū)域進(jìn)行電路開啟，未選區(qū)域進(jìn)行電路關(guān)閉的方式實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制，其中脈沖波的占空比和區(qū)域轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)主要是由一個(gè)總控制器進(jìn)行統(tǒng)一控制。

1.1 PWM脈沖波發(fā)生裝置

該裝置是由數(shù)字電位器、反相器（NC7S14并含施密特觸發(fā)器）、電容和兩個(gè)肖特二極管等幾個(gè)電子元件所構(gòu)成的電路。

電路示意圖如圖1所示，其中數(shù)字電位器以滑動(dòng)變阻器圖標(biāo)表示，2點(diǎn)的電位即為電容電壓，2點(diǎn)為低壓輸出時(shí)，經(jīng)由反相器輸送到4點(diǎn)，此點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)換為高壓。再經(jīng)由數(shù)字電位器的λR與肖基特二極管為電容充電，由此使電壓不斷上升。電容電壓升至施密特觸發(fā)器的上限閾值產(chǎn)生電壓，4點(diǎn)由反相器轉(zhuǎn)為低壓。電容經(jīng)過肖基特管和數(shù)字電位器時(shí)，另端電阻（1-λ）R產(chǎn)生電流，電壓因此不斷下降，下降到施密特觸發(fā)器下限閾值時(shí)又使4點(diǎn)再次轉(zhuǎn)換為高壓，通過這種不斷循環(huán)轉(zhuǎn)換，使充電放電過程不斷進(jìn)行，由于4點(diǎn)不斷進(jìn)行高低壓轉(zhuǎn)換，因此產(chǎn)生了一連串的脈沖矩形波。并根據(jù)科學(xué)計(jì)算可以得出，本電路中的矩形波占空比具有線性可調(diào)性，且其數(shù)值只與數(shù)字電位器抽頭所在位置有關(guān)，不會(huì)因?yàn)樵膮^(qū)別發(fā)生變化。

圖1 PWM脈沖波發(fā)生裝置電路原理示意圖

1.2 LED高速通斷開關(guān)裝置

由于NC7S14的輸出高電平電壓為5 V，并可能存在多個(gè)LED串聯(lián)的情況，因此輸出電壓可能不足以驅(qū)動(dòng)電路，故LED燈組必須由電源模塊進(jìn)行電壓供給，而PMW脈沖波是作用于操控LED的高速開關(guān)，因此為了確保高速開斷的功能，可以采取通過電壓操控電流的場效應(yīng)管。該設(shè)計(jì)主要選擇ZXM61N02F場效應(yīng)管，其主要為N道增強(qiáng)型的MOS管。只要VGS低于啟動(dòng)電壓時(shí)，不管DS兩端具有多大的電壓，ID始終為0，因此可以使脈沖信號在轉(zhuǎn)換為低電平時(shí)，沒有電流經(jīng)過LED，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光照管控。此外在此種型號的場效應(yīng)管中，開關(guān)速度也屬于高級別，能夠匹配LED的開關(guān)速度。

1.3 區(qū)域選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)

采用芯片為MAX4644的單刀雙擲開關(guān)。當(dāng)供電電壓為5 V時(shí)，最大電阻為4 Ω，且斷開漏電量只有0.01 nA，如果輸入端是低電平的話，公用端和其中一端連接，如果輸入端是高電平，公用端與其一端相連，綜上所述采用51單片機(jī)可以很容易實(shí)現(xiàn)光源選區(qū)的選擇控制。

1.4 PWM占空比與光源選區(qū)控制器

控制器不但需要對數(shù)字電位器抽頭端位置進(jìn)行控制，還要對區(qū)域開關(guān)的通斷進(jìn)行操控。這些都可以用改變芯片的方式控制引腳輸入來實(shí)現(xiàn)。因此采用51單片機(jī)便能輕松滿足這些操控要求。

1.5 調(diào)光系統(tǒng)的總體硬件

由于不同光源區(qū)域都設(shè)有PWM脈沖波發(fā)生裝置，因此每個(gè)區(qū)域都可以單獨(dú)產(chǎn)生線性可變的矩形脈沖方波。當(dāng)某一區(qū)域數(shù)字電位器中，沒有信號輸入時(shí)，矩形脈沖方波仍可由反相器中的施密特觸發(fā)器以及電容產(chǎn)生。因此在此區(qū)域數(shù)字電位器被區(qū)域選中前，矩形脈沖方波的占空比可以始終保持不變，LED的亮度自然也就不會(huì)發(fā)生變化。

一個(gè)51單片機(jī)用來控制多區(qū)域的模擬開關(guān)與數(shù)字電位器，每個(gè)區(qū)域中的數(shù)字電位器其引腳與可以分別連接，從而減少單片機(jī)IO口的數(shù)量。當(dāng)對某個(gè)區(qū)域的亮度調(diào)控時(shí)，只要使本區(qū)域的數(shù)字電位器其片選引腳的輸入轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷海髮εc進(jìn)行調(diào)控。但其他未選區(qū)域因?yàn)橐_輸入為高電平，輸出沒有變化。故選擇此種方案，可以使51單片機(jī)的CPU負(fù)擔(dān)最大化縮減，更具節(jié)能便捷的功效。

2 軟件設(shè)計(jì)

圖2 LED調(diào)光器系統(tǒng)軟件流程

構(gòu)建六個(gè)獨(dú)立按鍵對四個(gè)區(qū)域的亮度和區(qū)域選擇等進(jìn)行控制，當(dāng)中要有兩個(gè)按鍵用以控制明暗等級，實(shí)現(xiàn)對MAX5160中的、以及三個(gè)引腳的控制。在引腳作為下降沿并且引腳是低電壓的情況中，抽頭端W的輸出會(huì)產(chǎn)生變化，這時(shí)如果引腳輸出是高電平，抽頭端會(huì)切換至下個(gè)位置。如果輸入時(shí)高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器將不參與工作，并保持當(dāng)前的輸出情況，二位數(shù)字電位器也將鎖定，而芯片MAX5160在下次被選中前都將處于低功耗待機(jī)狀態(tài)。endprint

其余四個(gè)按鍵主要負(fù)責(zé)四大區(qū)域的控制，當(dāng)其中一個(gè)按鍵被按下，那么相應(yīng)的IO口的輸出也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而讓對應(yīng)的區(qū)域其光源進(jìn)行開啟與關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，或者進(jìn)行光照調(diào)控。其中的光照調(diào)控是指當(dāng)區(qū)域開關(guān)被打開時(shí)，引腳的輸入為低電平狀態(tài)，這時(shí)該區(qū)域數(shù)字電位器的W抽頭端可以進(jìn)行調(diào)控。

綜上所述，主要的軟件設(shè)計(jì)思路是當(dāng)初始化進(jìn)行完畢后，通過while（1）的死循環(huán)操作語句，使系統(tǒng)對六個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)施反復(fù)掃描，如果其中有按鍵按下，則需進(jìn)行延時(shí)消抖，之后在實(shí)施確認(rèn)操作，如果仍然還是按下，那么相應(yīng)的操作參見圖2中所示。

3 研制結(jié)果

基于便捷式電子顯微鏡的特性，LED調(diào)光器必須在保證性能良好的基礎(chǔ)上，對元件數(shù)量、體積以及成本進(jìn)行科學(xué)控制，而此設(shè)計(jì)方案中所采用的數(shù)字電位器、模擬開關(guān)以及反相器（含施密特觸發(fā)器）等電子元件，在當(dāng)今市場中均具有貼片式結(jié)構(gòu)元件，因此可以將該LED調(diào)光器的系統(tǒng)體系做到微小化。通過實(shí)際操作，所設(shè)計(jì)具有六個(gè)獨(dú)立按鍵的調(diào)光器系統(tǒng)可以良好實(shí)現(xiàn)LED等的32個(gè)等級以及四大獨(dú)立分區(qū)的操控，并且不具有色譜偏移或視覺中的光照閃爍感的情況發(fā)展，具有推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語

基于便捷式電子顯微鏡的特點(diǎn)，本研制方案主要以便捷性為主，因此需要控制電子元件數(shù)量以及體積，并減少成本，還要便于與其他LED電路相連接，從而進(jìn)行光度調(diào)節(jié)。此外，本方案還可作用于其他PWM脈沖型電子led調(diào)光器的光照調(diào)控，并且可以通過串行接口，將電子顯微鏡的主芯片DM365與調(diào)光器進(jìn)行連接，操作者以觸屏的方式對主芯片進(jìn)行指令下達(dá)，再由電子顯微鏡主芯片將指令傳輸給單片機(jī)，最后由單片機(jī)執(zhí)行IO輸出，最終達(dá)到智能化便捷調(diào)光的有效目的。

參考文獻(xiàn)

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[2]馬騰，李淵，李寶營，路瑩.LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（1）：75-79.

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[8]（美）JERRY WASINGER.僅用兩條線的LED調(diào)光器[J].EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2012（11）：86-86.endprint

其余四個(gè)按鍵主要負(fù)責(zé)四大區(qū)域的控制，當(dāng)其中一個(gè)按鍵被按下，那么相應(yīng)的IO口的輸出也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而讓對應(yīng)的區(qū)域其光源進(jìn)行開啟與關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，或者進(jìn)行光照調(diào)控。其中的光照調(diào)控是指當(dāng)區(qū)域開關(guān)被打開時(shí)，引腳的輸入為低電平狀態(tài)，這時(shí)該區(qū)域數(shù)字電位器的W抽頭端可以進(jìn)行調(diào)控。

綜上所述，主要的軟件設(shè)計(jì)思路是當(dāng)初始化進(jìn)行完畢后，通過while（1）的死循環(huán)操作語句，使系統(tǒng)對六個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)施反復(fù)掃描，如果其中有按鍵按下，則需進(jìn)行延時(shí)消抖，之后在實(shí)施確認(rèn)操作，如果仍然還是按下，那么相應(yīng)的操作參見圖2中所示。

3 研制結(jié)果

基于便捷式電子顯微鏡的特性，LED調(diào)光器必須在保證性能良好的基礎(chǔ)上，對元件數(shù)量、體積以及成本進(jìn)行科學(xué)控制，而此設(shè)計(jì)方案中所采用的數(shù)字電位器、模擬開關(guān)以及反相器（含施密特觸發(fā)器）等電子元件，在當(dāng)今市場中均具有貼片式結(jié)構(gòu)元件，因此可以將該LED調(diào)光器的系統(tǒng)體系做到微小化。通過實(shí)際操作，所設(shè)計(jì)具有六個(gè)獨(dú)立按鍵的調(diào)光器系統(tǒng)可以良好實(shí)現(xiàn)LED等的32個(gè)等級以及四大獨(dú)立分區(qū)的操控，并且不具有色譜偏移或視覺中的光照閃爍感的情況發(fā)展，具有推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語

基于便捷式電子顯微鏡的特點(diǎn)，本研制方案主要以便捷性為主，因此需要控制電子元件數(shù)量以及體積，并減少成本，還要便于與其他LED電路相連接，從而進(jìn)行光度調(diào)節(jié)。此外，本方案還可作用于其他PWM脈沖型電子led調(diào)光器的光照調(diào)控，并且可以通過串行接口，將電子顯微鏡的主芯片DM365與調(diào)光器進(jìn)行連接，操作者以觸屏的方式對主芯片進(jìn)行指令下達(dá)，再由電子顯微鏡主芯片將指令傳輸給單片機(jī)，最后由單片機(jī)執(zhí)行IO輸出，最終達(dá)到智能化便捷調(diào)光的有效目的。

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[8]（美）JERRY WASINGER.僅用兩條線的LED調(diào)光器[J].EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2012（11）：86-86.endprint

其余四個(gè)按鍵主要負(fù)責(zé)四大區(qū)域的控制，當(dāng)其中一個(gè)按鍵被按下，那么相應(yīng)的IO口的輸出也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而讓對應(yīng)的區(qū)域其光源進(jìn)行開啟與關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，或者進(jìn)行光照調(diào)控。其中的光照調(diào)控是指當(dāng)區(qū)域開關(guān)被打開時(shí)，引腳的輸入為低電平狀態(tài)，這時(shí)該區(qū)域數(shù)字電位器的W抽頭端可以進(jìn)行調(diào)控。

綜上所述，主要的軟件設(shè)計(jì)思路是當(dāng)初始化進(jìn)行完畢后，通過while（1）的死循環(huán)操作語句，使系統(tǒng)對六個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)施反復(fù)掃描，如果其中有按鍵按下，則需進(jìn)行延時(shí)消抖，之后在實(shí)施確認(rèn)操作，如果仍然還是按下，那么相應(yīng)的操作參見圖2中所示。

3 研制結(jié)果

基于便捷式電子顯微鏡的特性，LED調(diào)光器必須在保證性能良好的基礎(chǔ)上，對元件數(shù)量、體積以及成本進(jìn)行科學(xué)控制，而此設(shè)計(jì)方案中所采用的數(shù)字電位器、模擬開關(guān)以及反相器（含施密特觸發(fā)器）等電子元件，在當(dāng)今市場中均具有貼片式結(jié)構(gòu)元件，因此可以將該LED調(diào)光器的系統(tǒng)體系做到微小化。通過實(shí)際操作，所設(shè)計(jì)具有六個(gè)獨(dú)立按鍵的調(diào)光器系統(tǒng)可以良好實(shí)現(xiàn)LED等的32個(gè)等級以及四大獨(dú)立分區(qū)的操控，并且不具有色譜偏移或視覺中的光照閃爍感的情況發(fā)展，具有推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語

基于便捷式電子顯微鏡的特點(diǎn)，本研制方案主要以便捷性為主，因此需要控制電子元件數(shù)量以及體積，并減少成本，還要便于與其他LED電路相連接，從而進(jìn)行光度調(diào)節(jié)。此外，本方案還可作用于其他PWM脈沖型電子led調(diào)光器的光照調(diào)控，并且可以通過串行接口，將電子顯微鏡的主芯片DM365與調(diào)光器進(jìn)行連接，操作者以觸屏的方式對主芯片進(jìn)行指令下達(dá)，再由電子顯微鏡主芯片將指令傳輸給單片機(jī)，最后由單片機(jī)執(zhí)行IO輸出，最終達(dá)到智能化便捷調(diào)光的有效目的。

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[6]劉霞霞，樊宏，尹荔松.近幾年LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜述[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（16）：124.

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