基于微机控制的LED光源控制系统设计

陈锦儒，杨森泉

（韶关学院物理与机电工程学院，广东 韶关512005）

基于微机控制的LED光源控制系统设计

陈锦儒，杨森泉

（韶关学院物理与机电工程学院，广东 韶关512005）

为了增强机器视觉中捕捉图像的清晰度以及提高图像的分辨率，获得优质稳定的图像，需要设计一款基于微机PWM信号控制的LED光源控制器.该控制器以STC12C5608AD为系统控制核心，采用单片机自身的PCA/PWM寄存器产生PWM信号控制IRFR220N场效应管的开关状态而对光源的亮暗程度进行控制.PWM调光技术属于数字化调节，不仅可以避免常规模拟调光过程中发生光线偏移现象，并且可以精确控制调光的程度，改善机器视觉过程中提取图像的质量.

PWM信号；调光；LED光源控制器

课题来源于一家非国际标准机械自动化设备设计的公司，项目主要研究的内容是：TB1管塞头的在线自动装配的控制系统，塞头与TB1管（见图1）的装配必须按照一定的方向装配.

图1 塞头与TB1管的外观图

目前，工业生产过程中仍然采用人工辨别塞头与TB1管的方向再进行手工装配，以至于装配结果主观因素很大、工作效率低、正确度低；外加工作强度大、容易造成工作人员疲惫等因素，一直达不到良好的装配效果.随着自动化设备以及工业图像处理能力的提高，在工业上逐步形成了一门全新的技术——机器视觉.

机器视觉系统主要包括两个图像采集部分以及光源控制部分，笔者主要研究光源控制部分.在机器视觉开发过程中，光源控制部分一直处于瓶颈的状态，由于光源打光控制不好而导致视觉判断失误事件经常发生，国内的机器视觉开发者都在探究如果改进光源控制部分的性能，笔者以恒流电源供电为基础，实现数字信号光源控制系统.

1 系统的总体方案设计

LED光源控制系统的设计方向主要是使用控制器的档位调节对LED灯的亮暗度进行控制，同时避免光源出现闪烁或者偏光现象.根据LED灯发光原理，要使LED灯正常发光发亮，必须使灯的两极之间有电势差，并且有一定电流流过.因此要对灯的亮暗度进行调节，只需改变电势差的值或者电流的值，即可实现.

根据设计要求，在光源模块的设计里需要用到的LED灯数量达到40颗以上.如果选用改变电流的方式控制光源的亮暗，不仅对电源的稳定性要求苛刻，并且由于调节过程中电流的反复变化会缩短LED灯的使用寿命，因此笔者选用改变电势差的方案进行设计.

改变LED灯两引脚之间电势差的方式有很多种，最常用的方式就是在LED电路中串联一个电位器.在电源输出电压不变的前提下，改变电路中某一个模块的阻值会改变整个电路中各个模块的电势差.根据设计要求，使用串联电位器的方案会让光源出现色偏现象，直接影响采集图像的质量.为了避免色偏现象的出现，在硬件设计中必须放弃传统的模拟量调节，选用数字量的调节方法，因此使用PWM信号间接控制的方法进行设计.

2 系统硬件的实现

项目需要同时驱动4路的光源，因此必须要有4路的PWM输出，同时也要有4路的档位调节输入.由于STC12C5608AD单片机自身集成了4路PWM信号输出端口，并且具备了8路的ADC输入模块，故本系统采用该芯片作主控制器进行系统的信息处理.本系统的总体框架如图2所示.从总体划分，整个系统分成MCU主控模块、恒流稳压模块、24V开关电源模块以及光源驱动电路模块.

图2 LED光源控制系统电路设计总体框架

2.1 恒流源的电路

为了保证整个系统的供电在光源调节过程中的稳定性，必须有一个稳定的恒流源保证电流的供应，本项目中使用了LM2596芯片组成一个稳压恒流电路，其电路见图3.

图3 LM2596的开关电压调节器电路

该电路中LM2596主要起到稳压作用，其电压的计算公式如下所示.

其中，VREF=1.23 V，为了确保输出的稳定性，R1选择标称为1 kΩ，精度为1%的精密电阻.在绘制电路的PCB图时，需要注意开关电流与环线电感，如果处理不当容易引起电路电压不稳定、电流漂荡等各种问题，因此在外接元器件时要尽可能地靠近开关型集成电路，最好用地线屏蔽或单点接地.

3 系统软件的设计

整个软件系统控制主要分成两大部分，分别是调光档位的选择以及PWM信号占空比的设置.在调光档位选择方面，利用单片机内部的ADC模块对旋转档位输入的电压值进行测量，实现模拟信号转变成数字信号.通过模数转换公式可以计算出本设计中数字量的变化范围为0～1 024.根据项目需求，把光亮程度分成10个等级，在档位调节过程中，根据ADC的采样值判断档位值，使用数字量进行档位控制可以避免传统模拟旋钮由于直接调光而导致的色偏现象.

为了减少单片机的工作负荷，在PWM信号的占空比设置方面，每相隔2s读取一次档位值.根据读取的档位值控制自身的PCA/ PWM寄存器的数据，从而产生相对应占空比的PWM信号，控制IRFR220N场效应管的开关状态而实现光源的控制.

整个系统软件主要包括了串口初始化模块、ADC初始化模块、PWM初始化模块、ADC数据处理模块、ADC中断服务模块，主程序流程见图4.

4 系统的调试

采用模块化设计方法，整个系统在调试的过程中，先对硬件各部分包括开关电源模块、单片机主控模块、LED驱动模块以及显示模块逐一检查.确定硬件能正常工作的前提下，编写软件程序用以实现光源控制器.

4.1 软件系统的调试

进入系统初始化模块后软件系统开始运行.执行过程中，根据软件设计流程分别对各个功能模块进行监控分析.使用串口通信调试助手把调试过程中的数据传输到PC机上进行监控与分析，利用PC机观察系统软件运行中的数据进行软件系统调试，能快速确定各个模块之间的数据交换值，减少程序调试过程中盲目尝试测试数值的时间，从而缩短整个系统的开发周期.

调试过程中使用了3次PWM信号进行调光，其信号见图5.

图4 软件主程序流程

图5 三种不同的PWM信号

图5（a）是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中10%的时间通，其余90%的时间断.图5（b）和图5（c）显示的分别是占空比为45%和90%的PWM输出.这3种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、45%和90%的3种不同模拟信号值.例如，假设供电电源为12 V，占空比为10%，则对应的是一个幅值为1.2 V的模拟信号.

4.2 软件与硬件的联调

设置PWM寄存器，使用示波器观察PWM输出波形，并试着设置不同频率的PWM波输出，观察波形情况.再利用串口通信调试程序，观察输入信号的ADC转换值情况，判断获取的ADC值是否接近理论数据计算的ADC数据.最后把两个调试模块合并调试，观察测试效果.

5 结语

本课题研究主要是对当前LED光源控制器采用模拟控制的方式进行升级改造，在档位调节上实现了模数之间的转换，用数字量进行精确控制；在光源亮暗程度的控制上采用PWM信号控制，改变了传统串联分压的控制方式，保证获取更好的图像质量.在相同的采集图像条件下更换多种的光源控制器（包块直接调节电位器改变电势差方式的控制器），我们发现利用PWM信号的光源控制器能够很好配合机器设备的视觉系统工作，经过一个多月的研究与设计，该光源控制系统已经正式投入使用，一直处于正常工作的状态，至今没发生任何事故.

［1］林瑞梅.LED光源典型驱动电路［J］.厦门科技.2008(4):57-59.

［2］潘珍英.工业自动光学检测中的照明系统设计［D］.厦门：厦门大学,2007.

［3］虞志雄.脉宽调制型白光LED驱动芯片的设计［D］.杭州：浙江大学,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

（责任编辑：李 婉）

2014-03-09

实验室研究会研究基金（DGJ2012018）.

陈锦儒（1987-），男，广东台山人，韶关学院物理与机电工程学院助理实验师，主要从事电子系统设计与研究.