沈寶誠， 趙宏生， 金　鑫

（1.中國電子科技集團公司第四十一研究所，　安徽　蚌埠　233010；2.紅塔遼寧煙草有限責任公司沈陽卷煙廠，　遼寧　沈陽　110100；3.江蘇中煙工業(yè)有限責任公司淮陰卷煙廠，　江蘇　淮安　223002）

?

基于STM32單片機的光源控制裝置設計

沈寶誠1， 趙宏生2， 金鑫3

（1.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽蚌埠233010；2.紅塔遼寧煙草有限責任公司沈陽卷煙廠，遼寧沈陽110100；3.江蘇中煙工業(yè)有限責任公司淮陰卷煙廠，江蘇淮安223002）

摘要：在運用機器視覺技術進行檢測時，光源的質量是獲取高質量圖像的保證，而其又在很大程度上取決于它的控制方式。針對現(xiàn)有光源單純采用恒流源或恒壓源控制輸出的缺陷，設計了一種新的光源控制裝置，此裝置不僅提高了光源穩(wěn)定性和電源利用率，而且拓寬了負載使用功率范圍。

關鍵詞：STM32；光源控制裝置；恒流源

一、引言

目前，市場上的光源控制器主要有兩種控制輸出方式，一種是恒壓源控制輸出，另一種是恒流源控制輸出。恒壓源控制輸出有光照不穩(wěn)定、調光精度和電源效率低等缺陷，并且一般只用在小功率光源上，使用范圍窄。恒流源控制輸出雖克服了恒壓源控制輸出方式的缺陷，但也存在著負載使用功率范圍小、發(fā)熱量大、電源利用率低等缺點。

本文在恒流源和恒壓源控制輸出原理深入研究的基礎上，把這兩種控制輸出結合起來，以STM32單片機為控制核心，通過A/D端口采樣反饋給單片機，來實現(xiàn)對光源的輸出功率、電流大小、工作方式的控制。此設計不僅提高了光源穩(wěn)定性和電源利用率，而且拓寬了負載使用功率范圍。

二、系統(tǒng)總體設計

本文設計的光源控制裝置主要由單片機、可調恒壓源、恒流源、基準電壓芯片、串口芯片、數(shù)字電位器等組成，其結構框圖如圖1所示。

圖1　光源控制裝置結構框圖

該控制裝置的控制原理為：基準電壓芯片給單片機一個基準電壓以保證單片機的A/D端口輸出一個精準的、穩(wěn)定的控制電壓，其用做恒流源的基準電壓輸入值。單片機的IO口控制可調恒壓源芯片的開啟管腳，來控制對外輸出的通斷。單片機的IO口控制數(shù)字電位器來調節(jié)電阻大小，實現(xiàn)對恒壓源的輸出電壓進行控制。通過采樣電阻，把恒流源輸出的電流值轉化成電壓值，通過一個AD端口反饋給單片機，讓其做出判斷。單片機通過串口與上位機進行通信，上位機上電啟動后通過初始化光源控制程序給單片機發(fā)送不同指令，來實現(xiàn)對控制裝置的輸出功率、電流大小、工作方式的設置。

一、主要硬件設計

（一）控制模塊選擇

本文所設計的光源控制裝置中的單片機作為控制中心，發(fā)送相關指令，同時還負責處理反饋回來的數(shù)據(jù)。本設計選擇了意法半導體生產(chǎn)的低功耗STM32系列微控制器，其功耗為36mA,是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品之一，相當于0.5Ma/MHz。STM32系列基于為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的內核。同時，自帶2個12位A/D轉換器和2通道12位D/A轉換器，在電路設計時不需要另外設計A/D和D/A電路，減少了成本和工作量。

（二）恒流源電路設計

光源的控制方式直接影響到光源質量，進而影響圖像質量，好的控制方式能改善系統(tǒng)分辨率，簡化軟件運算，提高光源穩(wěn)定性和系統(tǒng)工作效率。在運用機器視覺技術進行檢測時，對LED光源瞬間穩(wěn)定性要求很高，電路中不僅設計了恒壓源，同時還設計了恒流源來驅動補償因電壓波動造成的電流變化，從而保證了LED光源瞬間發(fā)光的穩(wěn)定性，其驅動電路如圖2所示。

圖2　恒流源電路圖

在圖2中，AD822BR為線性放大電路，其穩(wěn)定工作時端口3電壓與端口2電壓相等,TIP122為達林頓管，其可將輸入端的微弱信號進行較大倍數(shù)放大。令恒流源電路要求輸出的電流為I，當電路中電流與設定值發(fā)生偏移時，AD822BR端口3與端口2電壓不相等，其輸出端電壓發(fā)生變化，TIP122的導通電流也會發(fā)生變化，進而實現(xiàn)負反饋。

（三）串口通信電路設計

由于PC機采用的是RS232串口標準，其與單片機電平不兼容，它們之間若要通信則需要進行電平轉換。MAX3232是MAXIM公司的一種RS-232C接口芯片，單一電源供電，電壓值從3V-5.5V均可正常工作。本文基于該芯片進行了串口通信電路設計，如圖3所示。其中，T1OUT與PC機的數(shù)據(jù)接收端口連接，R1IN與PC機的數(shù)據(jù)發(fā)送端口連接，Tx與STM32單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送口連接，Rx與STM32單片機的數(shù)據(jù)接收口連接。

圖3　串口通信電路圖

三、光源控制裝置軟件設計

（一）電流調節(jié)程序設計

在圖4中，描述了單片機的電流調節(jié)程序流程圖。電流調節(jié)程序的目的就是為了調節(jié)恒流源的輸出電流，是實際電流大小等于設定的電流值，恒流源輸出電流的大小主要取決于恒流源的輸入基準電壓，該基準電壓是通過單片機內的D/A轉換得到，所以電流調節(jié)是控制單片機D/A端口輸出模擬電壓值，從而控制電流值。單片機上電后首先對串口等寄存器及變量進行初始化，然后循環(huán)比較設定值于采集值，調節(jié)恒流源輸入電壓，直到輸出電流和設定電流相等。

圖4　　電流調節(jié)流程圖

（二）單片機控制主程序

圖5　主程序流程圖

在圖5中，描述了下位機的主程序控制流程圖。本裝置主要是實現(xiàn)對恒流源的控制，就是確保恒流源電流實際值與設定值基本相等的情況下去控制光源頻閃、常亮或者關閉。本系統(tǒng)中，起初是檢測恒流源的實際電流輸出值，即進行A/D轉化，通過A/D采集到的數(shù)據(jù)與設定值進行比較，實現(xiàn)自動調節(jié)，如果實際檢測到的電流值與設定值相等，單片機就開始執(zhí)行對恒流源的閉環(huán)控制，通過控制恒壓源來控制恒流源的關閉、常亮、頻閃。

四、結論

本文詳細介紹了一種光源控制裝置，結合恒流源和恒壓源控制輸出原理，采用STM32單片機為控制核心、A/D端口反饋等電路設計，極大的提高了光源的穩(wěn)定性、電源利用率，減小了不必要的發(fā)熱量，同時也拓寬了輸出功率，擴大了使用范圍，具有較高的使用價值。

參考文獻

[1]廖義奎.ARM Cortex-M4嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解——基于STM32F4[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[2]秦曾煌.電工學電子技術[M]，高等教育出版社，2007.

[3]程安寧，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅動方式分析[J].電子設計工程，2010,（2）.

[4]林興旺，任德均.機器視覺中的LED光源控制器[J].微型電腦應用，2012,（1）.

（責任編輯：袁媛）

中圖分類號：TP368.1

文獻標識碼：B

[文章編號]1671－802X(2016)02－0024－03

收稿日期：＊2016－03－01

作者簡介：沈寶誠（1982-），男，安徽蚌埠人，助理工程師。研究方向：機器視覺檢測。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