鄭國(guó)恒 顏小飛 黃新超

(1.鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院河南鄭州 450001;2.鄭州德隆檢測(cè)設(shè)備有限公司河南鄭州 450004)

1 引言

無(wú)損檢測(cè)行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的是射線檢測(cè)方法，而觀片燈則是射線檢測(cè)中最常用的設(shè)備之一［1］。傳統(tǒng)的觀片燈有最致命的兩個(gè)缺點(diǎn)是:一個(gè)是光線亮度不能滿足GB/T 19803—2005標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)黑度為4.5時(shí)的要求;一個(gè)調(diào)光方法采用關(guān)閉部分觀片燈燈管，因而無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的散射系數(shù)和均勻系 (g＞0.5)的要求［2］。隨著LED產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)的深化，LED觀片燈以發(fā)光亮度高、壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、抗震性好等優(yōu)勢(shì)，已成為工業(yè)觀片燈發(fā)展的必然趨勢(shì)［3］。

針對(duì)目前檢測(cè)用觀片燈存在的問(wèn)題，對(duì)此我們研制開發(fā)了一種帶溫度控制的觸摸型LED工業(yè)X射線觀片燈，其不僅要滿足對(duì)各種曝光條件和密度級(jí)別的底片觀片和評(píng)片的需要，而且還具有光強(qiáng)記憶、節(jié)能、操作方便等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。

2 基本原理

目前的LED調(diào)光技術(shù)主要有模擬調(diào)光、PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光這兩種。模擬調(diào)光就是通過(guò)不斷調(diào)整LED正向電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度，但有系統(tǒng)功耗大和色偏的缺點(diǎn)［4］。PWM是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量［5］。PWM調(diào)光技術(shù)較之模擬調(diào)光，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): (1)不會(huì)產(chǎn)生色偏現(xiàn)象，因?yàn)镻WM調(diào)光是保持LED的正向電流恒定，所以不會(huì)像模擬調(diào)光一樣會(huì)變化。(2)調(diào)光精確度高，因?yàn)槊}沖波形能控制很高的精度。(3)在大范圍內(nèi)調(diào)光，不會(huì)發(fā)生閃爍，因?yàn)楣ぷ黝l率高且不會(huì)改變恒流源的工作條件。為保證負(fù)載LED的發(fā)光質(zhì)量，所以本設(shè)計(jì)LED的調(diào)光方式選擇PWM調(diào)光。

3 設(shè)計(jì)思想

3.1 設(shè)計(jì)方案

首先確定LED的個(gè)數(shù)及其排布方式，然后確定開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，接著選擇開關(guān)電源的調(diào)光方式。根據(jù)脈沖寬度調(diào)制原理，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生可調(diào)占空比的PWM波輸出信號(hào)，用該P(yáng)WM信號(hào)控制LED驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)節(jié)LED上的平均工作電流，用PWM信號(hào)占空比的改變來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度。

3.2 組成結(jié)構(gòu)

該觸摸型高亮度LED工業(yè)X射線觀片燈由LED燈陣列、主控制板、觸摸板、腳踏開關(guān)、溫度測(cè)控裝置五部分組成。LED陣列是觀片燈光源，以提供高亮度的白光;主控板主要是驅(qū)動(dòng)LED陣列以及控制LED調(diào)光還有工作模式的切換;觸摸板和腳踏開關(guān)是人機(jī)交互部分，主要是作為工作模式切換輸入以及調(diào)光輸入;溫度測(cè)控裝置由溫度傳感器DS18B20測(cè)量LED散熱片溫度，根據(jù)不同溫度控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

3.3 技術(shù)指標(biāo)

(1)供電電壓:24V

(2)最大電流:4.4A

(4)最大功率:105.6W

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 整機(jī)框圖及工作原理

整機(jī)方框圖如圖1所示，工作原理如下:開機(jī)時(shí)，控制LED調(diào)光的PWM，占空比固定，此時(shí)不可調(diào)光;當(dāng)觸摸手動(dòng)按鍵時(shí)進(jìn)入手動(dòng)工作模式占空比變?yōu)?5%，此時(shí)可以觸摸UP和DOWN按鍵調(diào)節(jié)LED光強(qiáng)，當(dāng)再次觸摸手動(dòng)按鍵時(shí)占空比固定回到初始設(shè)定值且光強(qiáng)固定，當(dāng)?shù)诙芜M(jìn)入手動(dòng)工作模式時(shí)光強(qiáng)回到上次設(shè)定值;當(dāng)踩動(dòng)腳踏開關(guān)時(shí)進(jìn)入腳踏模式，腳踏模式優(yōu)先級(jí)最高，只要腳踏立即進(jìn)入腳踏模式，此時(shí)占空比變?yōu)?5%，可以觸摸UP和DOWN按鍵調(diào)節(jié)LED光強(qiáng)，當(dāng)腳踏松開時(shí)占空比回到初始設(shè)定值光強(qiáng)固定，當(dāng)?shù)诙芜M(jìn)入腳踏模式時(shí)光強(qiáng)回到上次設(shè)定值;在整個(gè)工作過(guò)程中隔一段時(shí)間采集一次LED散熱片的溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)散熱風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)，溫度每升高一個(gè)間隔風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高一個(gè)級(jí)次，直到風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度降低時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降，直到不轉(zhuǎn)為止;重新開機(jī)后如此反復(fù)工作。

圖1 整機(jī)方框圖

4.2 單元電路設(shè)計(jì)

4.2.1 LED陣列排布

為滿足GB/T 19803—2005標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)黑度大于4.5，均勻系數(shù)大于0.5的要求，設(shè)計(jì)中采用深圳紅綠藍(lán)光電科技有限公司生產(chǎn)的高效率發(fā)光二極管STPB2-3630DB-G3-L。該型LED正向電流為150mA，消耗功率為500mW，正常工作溫度在－20℃到80℃之間［6］。幾百個(gè)LED排列在線路板上，如何串并聯(lián)來(lái)保證電路易控制、穩(wěn)定性可靠、耗能低，且萬(wàn)一有LED損壞又不會(huì)對(duì)底片評(píng)定質(zhì)量造成影響成為了關(guān)鍵。鑒于3630DB型號(hào)LED的特性及參數(shù)，本設(shè)計(jì)共采用120個(gè) LED，分為4組，每組都由一個(gè)PT4115驅(qū)動(dòng)，每組為30個(gè)LED，由6個(gè)LED串聯(lián)，5串LED并聯(lián)。為了提高可靠性，每一組LED增加了五條線，最終LED的排列方式如圖2所示。

圖2 LED陣列排布

4.2.2 驅(qū)動(dòng)部分

大功率LED驅(qū)動(dòng)常見的有電阻限流、專用芯片等方式，而電阻限流方式能量消耗大，不能達(dá)到節(jié)能的目的，而且傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式中LED的輸出波長(zhǎng)隨著LED驅(qū)動(dòng)電流變化而變化，這樣在不同輸出光強(qiáng)度下，LED排列模塊的色溫不一。因此本設(shè)計(jì)選用BUCK式專用驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)大量LED陣列。

PT4115由國(guó)內(nèi)LED驅(qū)動(dòng)領(lǐng)先的華潤(rùn)矽威科技(上海)有限公司新推出，是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，可用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。PT4115輸入電壓范圍從6V到30 V，最大可達(dá)1.2 A。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過(guò)DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0.3V時(shí)，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)，具有 LED 開路保護(hù)［7］［8］。LED 陣列驅(qū)動(dòng)電路，共四路，每一路驅(qū)動(dòng)一組LED陣列，共驅(qū)動(dòng)120個(gè)LED，如圖3所示。

式中：?a∈A，?b∈B，?c∈C；A、B、C分別為εXOZ、ΔεXOZ、ΔPXOZ-1的論域。μAi(a)、μBj(b)、μCij(c)分別為元素a、b、c在論域Ai、Bj、Cij中的隸屬度。

每一個(gè)pt4115輸出的平均電流:

圖3 LED陣列驅(qū)動(dòng)電路

Rs為采樣電阻。本設(shè)計(jì)采樣電阻為1/11歐，故每一路輸出為1.1A，所以四路輸出最大電流為4.4A。

4.2.3 控制部分

控制系統(tǒng)選用STC12C5410AD作為主控芯片，5V電源供電，時(shí)鐘選擇8MHz，內(nèi)部Max810專用復(fù)位電路，用仿真器調(diào)試，專用下載器下載。控制芯片輸出兩路PWM波，一路控制LED驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)光，一路控制風(fēng)扇的通斷調(diào)速。如圖4所示。

圖4 主控制系統(tǒng)

4.2.4 觸摸按鍵部分

本設(shè)計(jì)中共有四個(gè)按鍵，分別為UP、DOWN、HAND、FOOT，如圖5所示，其中前三個(gè)鍵都通過(guò)電容觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)OOT鍵外接按鍵的方式。UP鍵和DOWN鍵用來(lái)調(diào)節(jié)LED觀片燈的亮度，UP鍵提高PWM信號(hào)的占空比，而DOWN鍵而減小PWM信號(hào)的占空比;而HAND鍵和FOOT鍵分別為觀片燈的手控模式按鍵和腳踏模式按鍵。

觸摸輸入方式已經(jīng)在許多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，例如手機(jī)觸摸屏、MP3觸摸滑條、抽油煙機(jī)觸摸按鍵等。根據(jù)采用觸摸傳感器類型的不同，觸摸輸入方式可以分為電阻式、電波式 (如表面聲波)、光學(xué)式 (紅外線)、電感式、電容式和電磁式等幾種類型。與傳統(tǒng)的機(jī)械式按鍵相比，電容式觸摸感應(yīng)按鍵美觀、壽命長(zhǎng)，因此本設(shè)計(jì)采用電容觸摸輸入。觸摸調(diào)光的優(yōu)點(diǎn):可以快速的實(shí)現(xiàn)調(diào)光，不用像用電位器那樣調(diào)光慢，克服電位器易壞的缺點(diǎn)，經(jīng)久耐用［9］。

觸摸按鍵即是一個(gè)焊盤，與地構(gòu)成一個(gè)感應(yīng)電容，在周圍環(huán)境不變的情況下電容值固定為微小值，具有固定的充放電時(shí)間，而當(dāng)有一個(gè)導(dǎo)體向電極靠近時(shí)，會(huì)形成耦合電容，這樣就會(huì)改變固有的充放電時(shí)間，而手指就是這樣的導(dǎo)體。通過(guò)測(cè)量充放電時(shí)間的改變即可檢測(cè)是否有按鍵被按下。充放電時(shí)間的計(jì)算公式如下:

圖5 觸摸按鍵電路

式中，t、R、C分別為充放電時(shí)間、電阻值、電容值;V1為充放電終止電壓值;V2為充放電起始電壓值;Vt為充放電t時(shí)刻電容上的電壓值。首先，開關(guān)在斷開的狀態(tài)下按鍵被上拉電阻拉高，電勢(shì)為5V，這時(shí)開關(guān)閉合開始對(duì)按鍵充電，等充滿電穩(wěn)定后再斷開開關(guān)，這時(shí)按鍵開始放電，并用定時(shí)器記錄這段放電時(shí)間為t1，反復(fù)該過(guò)程。當(dāng)有手指觸碰按鍵時(shí)，放電時(shí)間會(huì)改變?yōu)閠2，由此即可判斷出手指是否觸摸到該按鍵［10］。

4.2.5 散熱部分 (見圖6)

圖6 溫度測(cè)控電路

LED為冷光源，怕熱，有80%之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須有散熱措施，雖然LED發(fā)光技術(shù)已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光200lm的報(bào)道，但LED散熱卻是LED燈中非常頭痛，但仍還沒(méi)得到有效解決的辦法。因此散熱技術(shù)也是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)之一，該設(shè)計(jì)主要的散熱技術(shù)有:①PCB布線措施:盡可能加大焊盤的尺寸;走線允許的情況下用較寬的線;在LED散熱端外加走線，加大散熱面積。②鋁基板散熱片。③溫控系統(tǒng):采用DS18B20檢測(cè)溫度，當(dāng)LED陣列溫度較低時(shí)，控制風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值，PWM調(diào)整占空比進(jìn)而控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

4.2.6 電源部分 (見圖7)

系統(tǒng)由外部提供24V直流電源，經(jīng)LM2576后得到5V電源，其中24V給驅(qū)動(dòng)電路和散熱風(fēng)扇供電，5V給單片機(jī)STC12C5410AD、觸摸芯片ST04D和溫度傳感器DS18B20供電。

圖7 系統(tǒng)電源

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 主流程圖 (見圖8)

圖8 整機(jī)工作流程

開機(jī)后首先系統(tǒng)初始化，包括時(shí)鐘、看門狗、中斷、IO口、定時(shí)器等，此時(shí)輸出固定占空的PWM波;然后進(jìn)入按鍵掃描程序檢測(cè)是否有按鍵按下;接著判斷是否是腳踏模式，如是腳踏模式則設(shè)定PWM占空比為55%，如果不是則判斷是否是手動(dòng)模式，如果不是手動(dòng)模式則保持PWM為初始占空比，若是手動(dòng)模式則設(shè)定PWM占空比為55%;接著判斷UP、DOWN是否按下如果UP按下則增大占空比，如果是DOWN則減小占空比;最后在返回按鍵掃描處，如此反復(fù)工作。在整個(gè)工作過(guò)程中設(shè)定一定間隔的定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到則采集DS18B20溫度，然后調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制散熱片溫度的目的。

5.2 子流程

5.2.1 模式切換及LED調(diào)光(見圖9)

圖9 調(diào)光流程

模式切換采用中斷方式，Hand和Foot是下降沿觸發(fā)。腳踏優(yōu)先級(jí)最高，在手動(dòng)模式下，一旦腳踏，立即進(jìn)入腳踏模式。調(diào)光UP和DOWN采用掃描查詢方式，當(dāng)手動(dòng)按下時(shí)，LED觀片燈亮度可以調(diào)節(jié)，腳踏無(wú)效;當(dāng)手動(dòng)沒(méi)按下，腳踏按下時(shí)，LED觀片燈亮度可正常調(diào)節(jié) (可加入一個(gè)預(yù)設(shè)亮度);當(dāng)手動(dòng)沒(méi)按下，腳踏也沒(méi)按下時(shí)，LED觀片燈亮度不可調(diào)節(jié)，回到一個(gè)預(yù)設(shè)低亮度。

5.2.2 溫度調(diào)控 (見圖10)

圖10 DS18B20讀取數(shù)據(jù)流程

溫度測(cè)量和風(fēng)扇控制采用中斷方式，設(shè)定一定的時(shí)間，定時(shí)時(shí)間到達(dá)進(jìn)入中斷，采集溫度，然后按照預(yù)定的調(diào)速方案進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。設(shè)置幾個(gè)固定占空比的PWM信號(hào)及與之相對(duì)應(yīng)的溫度范圍，在溫度傳感器讀出檢測(cè)溫度后，判斷該檢測(cè)溫度是在哪個(gè)溫度范圍內(nèi)，并開啟該溫度范圍對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)輸出，該信號(hào)輸出作為風(fēng)扇 (控溫部分)的控制信號(hào)，占空比越大，則對(duì)應(yīng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越大 (見圖11)。

圖11中A、B、C都為預(yù)先設(shè)定的溫度值，且A＜B＜C，而X、Y為預(yù)設(shè)PWM占空比。

6 結(jié)論

圖11 溫度測(cè)控流程

觸摸型LED觀片燈與傳統(tǒng)觀片燈相比有亮度高，調(diào)光方便快捷，經(jīng)久耐用，并且為滿足使用者的習(xí)慣，設(shè)置有腳踏工作模式和手動(dòng)工作模式，溫度自動(dòng)調(diào)控，以及光強(qiáng)記憶功能，從而方便了廣大使用者。隨著觸摸技術(shù)和LED技術(shù)的不斷發(fā)展，相信該類型的產(chǎn)品性能會(huì)更加優(yōu)越，應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

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