基于單片機的工業級光源調光器設計

過夢旦

（蘇州工業園區職業技術學院 江蘇省蘇州市 215123）

1 項目來源

項目的來源是來自企業的需求，企業對其生產的數碼攝像頭需要進行“暗箱”內測試，對測試環境的亮度要求很高，需要數值精確到流明級別，同時對亮度的穩定性也很高，要求同一產品同一測試參數亮度值不變。所以需要采用工業級調光器來對產品進行測試。

2 測試環境和設計思路

2.1 測試環境概況

數字攝像頭產品在出廠之前，都必須經過嚴格的測試。而數字攝像頭最重要的測試環節，就是放入暗室對數字攝像頭的自動白平衡、亮度、GAMMA 校正、拍攝模式等進行測試調整，在暗室測試條件中，要確保沒有其他光線射入，并且打開工業調光設備這唯一的光源，并把擋板就位，確保不會有光線干擾到攝像頭。然后利用該光照條件下的測試卡，按標準測試流程對數字攝像頭各項參數進行測試。

2.1.1 數字攝像頭功能性檢測環境

（1）數字攝像頭應處于暗室之中，且暗室中環境照度需要<1勒克斯。

（2）測試時測試卡表面的光照度應該大于700 勒克斯小于1200 勒克斯，光線的均勻度等可以根據實際情況適當調節以達到理想的照射效果。

（3）測試卡表面上任何一點的照度不能比中心照度的70%還低，其中，若使用色溫為D65 的光源，測試卡上任何一點照度不能比中心照度的90%還低。

（4）溫度需要保持在17 度到23 度之間，空氣相對濕度應在30%到70%之間。

（5）在條件允許的情況下，光源需要采取遮光措施，同時需要避免外來光線，在測試卡周圍的環境中應該盡量做到零照度或低照度。

（6）測試距離不受限制，可根據實際的照射情況做適當調整。

2.1.2 工業調光器在圖卡測試中照明方法

由圖1 可知，工業調光器是圖卡測試的重要條件。數字攝像頭需要測試的參數較多，且有些參數不能通過相關儀器簡單測出，所以把參數分為兩塊，分辨率，色彩還原能力、對比度由圖卡測試完成；頻寬、CCD 平整度、阻抗匹配、自動白平衡和信噪比則通過觀察和比較測試。

2.2 設計總體思路

根據客戶需求分析，確定了項目的設計思路和參數要求：

面板控制光源亮度分成HI 和LO 兩個檔位，各檔位亮度獨立可控，分別進行256 檔控制負載光源亮度，總調節檔位達512 檔。

具有斷電記憶功能，當發生意外斷電后，依舊可以恢復上一次檔位和光照亮度參數。

圖1：圖卡測試照明示意圖

圖2：主芯片原理圖

圖3：穩壓電源原理圖

電路內部設計了自動升降壓功能，不會因為外部供電波動引起亮度的變化，從而影響測試數據。

當輸出過載或者短路時，會自動斷電進行保護，并通過面板顯示錯誤代碼，程序會在10 秒鐘之后再次檢測是否恢復正常。

額定輸入電壓是12V 的DC，額定輸入電流為2A。

亮度調節最小單位是2lumen(流明)，因溫度或其他因素造成的工作飄移不大于1lumen(流明)。

3 工業調光器的工作原理

通過主控芯片STC12C 系列輸出一路改變占寬比的PWM，從而調節LED 的亮度，還可以通過改變RGB 的控制信號占寬比，從而改變其顏色。PWM 波，即脈沖寬度調制，單片機用定時器即可輸出占空比變化的方波。主芯片選用帶有8 通道10 位AD 轉換的STC 單片機，STC12C5A08S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘、機器周期(1T)的單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾的特征。這款自帶PWM 的單片機，內部集成MAX810 專用復位電路，2 路PWM，2 路中斷，8 路高速10 位A/D 轉換的STC單片機能完全滿足需要，適合用在攝像頭測試這樣需要抗強干擾場合。

與主芯片相連的LED 光源，在試驗階段，LED 光源采用條形LED 顆粒組成的細條燈管，實際用于產線的是正方形的背光板，可視面積不小于345MM*270MM，色溫6500K，誤差小于8%；選用三星或者歐司朗LED 顆粒；考慮在長時間光照下工作，連線采用耐高溫硅膠低阻導線。LED 亮度變化，與LED 的伏安特性曲線相關，實際就是通過主控芯片STC12C 輸入不同占空比的PWM 波，從而達到調節LED 亮度的目的。由于輸出8 位數據位用于控制PWM 波，所以可以精準達到256 不同亮度級別，為了能夠更大范圍的調節，主芯片輸出設置了HI 和LO 兩個檔位，所以總的調節范圍是512 級。

4 工業調光器的設計

4.1 主芯片

主芯片原理圖如圖2所示，電源穩壓器提供5V 工作電壓，43腳輸出依據參數控制一定電壓下的放大PWM 信號，改變LED 燈管亮度。提供給主芯片的晶振頻率11.059MHz，作為程序的基準頻率。P2.2、P2.1、P2.0 作為數碼顯示電路的位選信號，P0.0-P0.7則作為數碼管段碼輸出。由于調光器有兩個檔位，HI 檔（工作電壓12V），LO 檔（工作電壓9.5V），單片機HIGH_LED 和LOW_LED 輸出電平與面板相連指示燈相連，用于提示檔位。LH_CONTROL 輸出用于控制高低檔位。Int1_voltage用于指示電壓過壓，Int0_current 用于指示電流過流，用于實現過壓和過流保護。

4.2 穩壓電源

穩壓電源原理圖如圖3所示。使用78L05 三端集成穩壓器，電路板輸入電壓為12VDC 電壓，是為了得到穩定的主芯片工作電壓5V，PWM 信號12V 高電平電壓，這樣產生的電壓穩定性良好。

4.3 PWM產生電路

主芯片產生PWM5V 信號，輸入到CMOS 管，產生更大電壓的PWM 信號以驅動LED 光源，根據LED 光源特性參數，高檔位HI 電壓設置在12V，低檔位LO 電壓9.5V，輸出到V_dcdc 電壓去控制LED。同時CMOS 的發射極分流經過LM358 電路放大，產生CURRENT_AMP 信號，再經過后續電路去和基準電流相比較，以判定是否過流。

4.4 數碼管顯示

數碼管顯示電路采用常見的動態驅動的方法，DIG1、DIG2、DIG3 為主芯片輸出的選位信號，與面板上3 位數碼數字相連，無論是高檔位還是低檔位，設置值都可以從0 調節到255，對應成正比例的LED 光源亮度。

4.5 單片機程序

4.5.1 中斷程序初始化和過壓過流保護

對中斷程序進行初始化，根據時鐘的基準頻率，對中斷程序設置2ms 定時中斷，同時對數碼管進行掃描顯示，這樣數碼管分別顯示沒有延遲感。

圖4：程序控制PWM 信號占寬比

同時對過壓和過流錯誤進行計數，當計時達到10 秒時，按照項目設計功能，程序嘗試恢復一切正常功能，再次解鎖亮度設置和亮度調節。

編寫中斷服務函數exint0()和exint1()，當過壓或過流現象發生，則立刻進入中斷程序，關閉所有功能，然后顯示錯誤代碼E1（過流）、E2（過壓）。

4.5.2 PWM 值的設定與更新

通過對PWM 設置參數CCAP0H、CCAP0L、CCAP1H、CCAP1L，設定輸出一定占寬比的PWM 信號。程序設置變量a，取值范圍0-255，對應面板的0-255 亮度級別，然后通過調用gengxin()函數，實現對PWM 參數設置，得到不同占寬比的PWM波形，源代碼見圖4。

當調節面板上的UP 和DOWN 按鈕時，同步改變a 的取值，改變PWM 信號。同時將當前數據存儲到主芯片存儲器中，以實現斷電記憶功能。

4.5.3 出錯顯示和自恢復功能

當過壓或過流現象產生時，會產生數碼管掃描的定時中斷，改變dat1、dat2、dat3 的特殊字符值，程序判斷后就可以顯示過流錯誤代碼E1，過壓錯誤代碼E2，同時過流和過壓錯誤代碼E12。

當過壓/過流錯誤發生10 秒鐘過后，程序會自動啟動檢測，如果過壓/過流現象消失，程序會再次恢復正常狀態。

4.6 控制器面板

調光器的主體外形設計為：28mm*100mm*74mm，用于匹配現場安裝環境。外殼上下的是采用的標準件，正面和背后的面板則是定制面板，前面板為操作控制面板，設計HI 和LO 兩個檔位按鈕、亮度調節按鈕和數碼管顯示屏。后面板則為12V 電源接口、主板與LED 輸出接口和面板按鍵鎖。整體外殼設計鋁殼拉絲黑絲面板，時尚輕巧，充分考慮了外觀和尺寸要求，更是對面板的可操作性和可維護性進行了改版，使得顯示更清晰，操作更簡便。

5 結論

工業調光器是現代工業生產設計中一個重要部分，在合理設計和精確的程序控制之下，調光器才能夠發揮出良好的狀態與性能。在實際應用中，為了提高調光器的設計效果和性能，可基于主控芯片STC12C 系列電路的設計。結合穩壓電源的使用，對各個應用模塊進行過流過壓的保護，精準512 級數字控制信號的輸出，從而確保工業調光器能夠發揮出良好的作用，摒棄了以往依靠目視來判斷攝像頭參數優劣的做法，很大提高了客戶攝像產品的良品率和測試參數的精度，節約了企業的用工成本。