基于便捷式电子显微镜的LED调光器的研制探讨

摘 要 调光器（dimmer）是用于改变照明装置中光源光照量，并可进行一定调节的电气装置，其主要作用即为调节光照的不同亮度，达到控制照明的效果。文章所介绍的基于电子显微镜Led调光器，主要是以波控控制调光原理（又称脉冲波宽度调制）为实现理论依据，波控控制调光其英文简称为PWM，是通过把电源方波进行数位化转换，并对方波占空比进行调控，最终达到控制照明的有效目的。此次研究的电子显微镜LED调光器就是通过数字电位器、电容与场效应管等多种基础性电子元件，达到产生控制PWM脉冲的目的，进而对光源实现亮度调控。

关键词 便捷式电子显微镜；LED调光器；PWM脉冲波调节

中图分类号：TN31 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0029-02

随着经济建设的高速发展，当今社会对于各类照明设备有了越来越高的要求，除了需要具备良好的照明效果之外，还要有低能耗、发热量小以及使用寿命长等多方面的技术层面要求。LED固体光源正是基于当今社会需要应运而生。并且由于LED灯不具有热惯性等现象，因此可以快速进行开启与关闭。常见的LED调光方式主要是采用PWM即波控控制调光或称为脉冲宽度调制。通过PMW调节，使LED可以持续保持额定电流的最大值，使其只存在完全熄灭与最大亮度两种工作状态，不存在中间过渡与色谱偏移，因此以PWM进行亮度调节的方式尤其适合于显微镜之类的细微精准观察之中。但由于PWM类型LED调光器通常具有众多的线路以及机电元件，体积自然也比较大，因此必须对传统PWM型LED调光器进行改良，使其满足便捷式显微镜的需要，使其更为精细、轻便，最终符合便携式电子显微镜的便捷特性。

1 硬件设计

本方案主要将LED调光器构建为4大主要部分，分别为LED通断开关、PWM脉冲波发生电路装置、区域选择转换开关以及PWM区域控制装置。PWM脉冲不断由PWM发生装置中产生，之后经过LED开关，使LED等在接收与断开信号的过程中，实现LED的高速亮开与关闭。区域选择转换装置，主要是通过对所选区域进行电路开启，未选区域进行电路关闭的方式实现区域控制，其中脉冲波的占空比和区域转换选择开关主要是由一个总控制器进行统一控制。

1.1 PWM脉冲波发生装置

该装置是由数字电位器、反相器（NC7S14并含施密特触发器）、电容和两个肖特二极管等几个电子元件所构成的电路。

电路示意图如图1所示，其中数字电位器以滑动变阻器图标表示，2点的电位即为电容电压，2点为低压输出时，经由反相器输送到4点，此点的输出转换为高压。再经由数字电位器的λR与肖基特二极管为电容充电，由此使电压不断上升。电容电压升至施密特触发器的上限阈值产生电压，4点由反相器转为低压。电容经过肖基特管和数字电位器时，另端电阻（1-λ）R产生电流，电压因此不断下降，下降到施密特触发器下限阈值时又使4点再次转换为高压，通过这种不断循环转换，使充电放电过程不断进行，由于4点不断进行高低压转换，因此产生了一连串的脉冲矩形波。并根据科学计算可以得出，本电路中的矩形波占空比具有线性可调性，且其数值只与数字电位器抽头所在位置有关，不会因为元件的区别发生变化。

图1 PWM脉冲波发生装置电路原理示意图

1.2 LED高速通断开关装置

由于NC7S14的输出高电平电压为5 V，并可能存在多个LED串联的情况，因此输出电压可能不足以驱动电路，故LED灯组必须由电源模块进行电压供给，而PMW脉冲波是作用于操控LED的高速开关，因此为了确保高速开断的功能，可以采取通过电压操控电流的场效应管。该设计主要选择ZXM61N02F场效应管，其主要为N道增强型的MOS管。只要VGS低于启动电压时，不管DS两端具有多大的电压，ID始终为0，因此可以使脉冲信号在转换为低电平时，没有电流经过LED，进而实现光照管控。此外在此种型号的场效应管中，开关速度也属于高级别，能够匹配LED的开关速度。

1.3 区域选择转换开关

采用芯片为MAX4644的单刀双掷开关。当供电电压为5 V时，最大电阻为4 Ω，且断开漏电量只有0.01 nA，如果输入端是低电平的话，公用端和其中一端连接，如果输入端是高电平，公用端与其一端相连，综上所述采用51单片机可以很容易实现光源选区的选择控制。

1.4 PWM占空比与光源选区控制器

控制器不但需要对数字电位器抽头端位置进行控制，还要对区域开关的通断进行操控。这些都可以用改变芯片的方式控制引脚输入来实现。因此采用51单片机便能轻松满足这些操控要求。

1.5 调光系统的总体硬件

由于不同光源区域都设有PWM脉冲波发生装置，因此每个区域都可以单独产生线性可变的矩形脉冲方波。当某一区域数字电位器中，没有信号输入时，矩形脉冲方波仍可由反相器中的施密特触发器以及电容产生。因此在此区域数字电位器被区域选中前，矩形脉冲方波的占空比可以始终保持不变，LED的亮度自然也就不会发生变化。

一个51单片机用来控制多区域的模拟开关与数字电位器，每个区域中的数字电位器其引脚与可以分别连接，从而减少单片机IO口的数量。当对某个区域的亮度调控时，只要使本区域的数字电位器其片选引脚的输入转变为低电压，之后对与进行调控。但其他未选区域因为引脚输入为高电平，输出没有变化。故选择此种方案，可以使51单片机的CPU负担最大化缩减，更具节能便捷的功效。

2 软件设计

图2 LED调光器系统软件流程

构建六个独立按键对四个区域的亮度和区域选择等进行控制，当中要有两个按键用以控制明暗等级，实现对MAX5160中的、以及三个引脚的控制。在引脚作为下降沿并且引脚是低电压的情况中，抽头端W的输出会产生变化，这时如果引脚输出是高电平，抽头端会切换至下个位置。如果输入时高电平时，计数器将不参与工作，并保持当前的输出情况，二位数字电位器也将锁定，而芯片MAX5160在下次被选中前都将处于低功耗待机状态。

其余四个按键主要负责四大区域的控制，当其中一个按键被按下，那么相应的IO口的输出也会随之发生相应改变，进而让对应的区域其光源进行开启与关闭的状态转变，或者进行光照调控。其中的光照调控是指当区域开关被打开时，引脚的输入为低电平状态，这时该区域数字电位器的W抽头端可以进行调控。

综上所述，主要的软件设计思路是当初始化进行完毕后，通过while（1）的死循环操作语句，使系统对六个独立按键实施反复扫描，如果其中有按键按下，则需进行延时消抖，之后在实施确认操作，如果仍然还是按下，那么相应的操作参见图2中所示。

3 研制结果

基于便捷式电子显微镜的特性，LED调光器必须在保证性能良好的基础上，对元件数量、体积以及成本进行科学控制，而此设计方案中所采用的数字电位器、模拟开关以及反相器（含施密特触发器）等电子元件，在当今市场中均具有贴片式结构元件，因此可以将该LED调光器的系统体系做到微小化。通过实际操作，所设计具有六个独立按键的调光器系统可以良好实现LED等的32个等级以及四大独立分区的操控，并且不具有色谱偏移或视觉中的光照闪烁感的情况发展，具有推广价值。

4 结束语

基于便捷式电子显微镜的特点，本研制方案主要以便捷性为主，因此需要控制电子元件数量以及体积，并减少成本，还要便于与其他LED电路相连接，从而进行光度调节。此外，本方案还可作用于其他PWM脉冲型电子led调光器的光照调控，并且可以通过串行接口，将电子显微镜的主芯片DM365与调光器进行连接，操作者以触屏的方式对主芯片进行指令下达，再由电子显微镜主芯片将指令传输给单片机，最后由单片机执行IO输出，最终达到智能化便捷调光的有效目的。

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