基于STM32单片机的光源控制装置设计

沈宝诚， 赵宏生， 金　鑫

（1.中国电子科技集团公司第四十一研究所，　安徽　蚌埠　233010；2.红塔辽宁烟草有限责任公司沈阳卷烟厂，　辽宁　沈阳　110100；3.江苏中烟工业有限责任公司淮阴卷烟厂，　江苏　淮安　223002）



基于STM32单片机的光源控制装置设计

沈宝诚1， 赵宏生2， 金鑫3

（1.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽蚌埠233010；2.红塔辽宁烟草有限责任公司沈阳卷烟厂，辽宁沈阳110100；3.江苏中烟工业有限责任公司淮阴卷烟厂，江苏淮安223002）

摘要：在运用机器视觉技术进行检测时，光源的质量是获取高质量图像的保证，而其又在很大程度上取决于它的控制方式。针对现有光源单纯采用恒流源或恒压源控制输出的缺陷，设计了一种新的光源控制装置，此装置不仅提高了光源稳定性和电源利用率，而且拓宽了负载使用功率范围。

关键词：STM32；光源控制装置；恒流源

一、引言

目前，市场上的光源控制器主要有两种控制输出方式，一种是恒压源控制输出，另一种是恒流源控制输出。恒压源控制输出有光照不稳定、调光精度和电源效率低等缺陷，并且一般只用在小功率光源上，使用范围窄。恒流源控制输出虽克服了恒压源控制输出方式的缺陷，但也存在着负载使用功率范围小、发热量大、电源利用率低等缺点。

本文在恒流源和恒压源控制输出原理深入研究的基础上，把这两种控制输出结合起来，以STM32单片机为控制核心，通过A/D端口采样反馈给单片机，来实现对光源的输出功率、电流大小、工作方式的控制。此设计不仅提高了光源稳定性和电源利用率，而且拓宽了负载使用功率范围。

二、系统总体设计

本文设计的光源控制装置主要由单片机、可调恒压源、恒流源、基准电压芯片、串口芯片、数字电位器等组成，其结构框图如图1所示。

图1　光源控制装置结构框图

该控制装置的控制原理为：基准电压芯片给单片机一个基准电压以保证单片机的A/D端口输出一个精准的、稳定的控制电压，其用做恒流源的基准电压输入值。单片机的IO口控制可调恒压源芯片的开启管脚，来控制对外输出的通断。单片机的IO口控制数字电位器来调节电阻大小，实现对恒压源的输出电压进行控制。通过采样电阻，把恒流源输出的电流值转化成电压值，通过一个AD端口反馈给单片机，让其做出判断。单片机通过串口与上位机进行通信，上位机上电启动后通过初始化光源控制程序给单片机发送不同指令，来实现对控制装置的输出功率、电流大小、工作方式的设置。

一、主要硬件设计

（一）控制模块选择

本文所设计的光源控制装置中的单片机作为控制中心，发送相关指令，同时还负责处理反馈回来的数据。本设计选择了意法半导体生产的低功耗STM32系列微控制器，其功耗为36mA,是32位市场上功耗最低的产品之一，相当于0.5Ma/MHz。STM32系列基于为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的内核。同时，自带2个12位A/D转换器和2通道12位D/A转换器，在电路设计时不需要另外设计A/D和D/A电路，减少了成本和工作量。

（二）恒流源电路设计

光源的控制方式直接影响到光源质量，进而影响图像质量，好的控制方式能改善系统分辨率，简化软件运算，提高光源稳定性和系统工作效率。在运用机器视觉技术进行检测时，对LED光源瞬间稳定性要求很高，电路中不仅设计了恒压源，同时还设计了恒流源来驱动补偿因电压波动造成的电流变化，从而保证了LED光源瞬间发光的稳定性，其驱动电路如图2所示。

图2　恒流源电路图

在图2中，AD822BR为线性放大电路，其稳定工作时端口3电压与端口2电压相等,TIP122为达林顿管，其可将输入端的微弱信号进行较大倍数放大。令恒流源电路要求输出的电流为I，当电路中电流与设定值发生偏移时，AD822BR端口3与端口2电压不相等，其输出端电压发生变化，TIP122的导通电流也会发生变化，进而实现负反馈。

（三）串口通信电路设计

由于PC机采用的是RS232串口标准，其与单片机电平不兼容，它们之间若要通信则需要进行电平转换。MAX3232是MAXIM公司的一种RS-232C接口芯片，单一电源供电，电压值从3V-5.5V均可正常工作。本文基于该芯片进行了串口通信电路设计，如图3所示。其中，T1OUT与PC机的数据接收端口连接，R1IN与PC机的数据发送端口连接，Tx与STM32单片机的数据发送口连接，Rx与STM32单片机的数据接收口连接。

图3　串口通信电路图

三、光源控制装置软件设计

（一）电流调节程序设计

在图4中，描述了单片机的电流调节程序流程图。电流调节程序的目的就是为了调节恒流源的输出电流，是实际电流大小等于设定的电流值，恒流源输出电流的大小主要取决于恒流源的输入基准电压，该基准电压是通过单片机内的D/A转换得到，所以电流调节是控制单片机D/A端口输出模拟电压值，从而控制电流值。单片机上电后首先对串口等寄存器及变量进行初始化，然后循环比较设定值于采集值，调节恒流源输入电压，直到输出电流和设定电流相等。

图4　　电流调节流程图

（二）单片机控制主程序

图5　主程序流程图

在图5中，描述了下位机的主程序控制流程图。本装置主要是实现对恒流源的控制，就是确保恒流源电流实际值与设定值基本相等的情况下去控制光源频闪、常亮或者关闭。本系统中，起初是检测恒流源的实际电流输出值，即进行A/D转化，通过A/D采集到的数据与设定值进行比较，实现自动调节，如果实际检测到的电流值与设定值相等，单片机就开始执行对恒流源的闭环控制，通过控制恒压源来控制恒流源的关闭、常亮、频闪。

四、结论

本文详细介绍了一种光源控制装置，结合恒流源和恒压源控制输出原理，采用STM32单片机为控制核心、A/D端口反馈等电路设计，极大的提高了光源的稳定性、电源利用率，减小了不必要的发热量，同时也拓宽了输出功率，扩大了使用范围，具有较高的使用价值。

参考文献

[1]廖义奎.ARM Cortex-M4嵌入式实战开发精解——基于STM32F4[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[2]秦曾煌.电工学电子技术[M]，高等教育出版社，2007.

[3]程安宁，王晋，尚相荣.白光LED的PWM驱动方式分析[J].电子设计工程，2010,（2）.

[4]林兴旺，任德均.机器视觉中的LED光源控制器[J].微型电脑应用，2012,（1）.

（责任编辑：袁媛）

中图分类号：TP368.1

文献标识码：B

[文章编号]1671－802X(2016)02－0024－03

收稿日期：＊2016－03－01

作者简介：沈宝诚（1982-），男，安徽蚌埠人，助理工程师。研究方向：机器视觉检测。E-mail：117914791@qq.com.

Design of Light Source Control Device Based on STM32 Microcontroller

SHEN Bao-cheng1，ZHAO Hong-sheng2，JIN Xin3
(1.The 41st Institute of CECT,Bengbu 233010,Anhui；2.Shenyang Cigarette Factory,Hongta Liaoning Tobacco Co.,Ltd.，Shenyang 110100,Liaoning；3.Huaiyin Cigarette Factory，China Tobacco Jiangsu Industrial Co.，Ltd.,Huai’an 223002,Jiangsu）

Abstract:When the machine vision technology is used for detection,the high quality of the light source ensures the high quality image,while it mainly depends on its control method.For the drawback that the existing light source only uses constant current source or constant voltage source to control output，a new light source control device was designed.The device can not only improve the stability of light source and utilization rate of power supply equipment but also expands power range of the device to control light source.

Key words:STM32;light source control device;constant current source