何曉波,曹一鳴,翁紀(jì)釗,蔡俊濤

(廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院 廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510663)

0 引言

LED作為一種新型光源，具有能耗低、光效高等特點(diǎn)，在照明行業(yè)已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)光源，隨著LED工藝的不斷升級(jí)，半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，LED在檢測(cè)儀器的應(yīng)用也越來越普遍，對(duì)LED光照度的檢測(cè)精度也有了更高的要求，本文主要結(jié)合數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)，提出并設(shè)計(jì)了基于LED光源光強(qiáng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集裝置，應(yīng)用于LED光源的光度檢測(cè)光源性能分析。還可通過對(duì)溶液等介質(zhì)透光度的檢測(cè)，對(duì)比分析食品的農(nóng)藥殘留成分比例。該裝置具有全自動(dòng)檢測(cè)功能，檢測(cè)效率及數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

1.1 LED光源驅(qū)動(dòng)

TM1810是一種單通道LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，采用高壓CMOS工藝，輸出端口耐壓能達(dá)到24 V以上，可以串聯(lián)LED燈實(shí)現(xiàn)恒流照明控制。芯片具有性能可靠、外圍電路少、控制精度高等特點(diǎn)[1]。TM1810應(yīng)用原理圖如圖1所示。

圖1 LED驅(qū)動(dòng)TM1810應(yīng)用電路

如圖1所示，在工作電壓為12 V的狀態(tài)下，為了有效地控制8個(gè)LED燈，需要使用兩塊TM1810芯片，通過參考廠家的芯片數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn)，為了使電路可靠地工作在恒流狀態(tài)下，TM1810輸出端電壓應(yīng)高于2.5 V，即芯片的2、3管腳之間的電壓須大于2.5 V。實(shí)際使用過程中，12 V直流電源加載在LED燈串聯(lián)后加在TM1810輸出端2腳上的電壓建議保持在3.0 V左右。為了避免芯片長(zhǎng)時(shí)間處于高壓狀態(tài)下，芯片功耗增大導(dǎo)致發(fā)熱從而造成芯片壽命縮短甚至損壞，芯片持續(xù)工作在額定恒流狀態(tài)下時(shí)，其輸出端引腳電壓應(yīng)控制在8.0 V以內(nèi)為宜。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況合理配置電路參數(shù)。如果電源電壓較高或串接的LED 數(shù)量較少，TM1810輸出端引腳電壓偏高時(shí)，應(yīng)該在LED燈珠和芯片之間串聯(lián)一個(gè)分壓電阻降低輸出端工作電壓。本電路為了方便控制LED燈珠的通斷，調(diào)光等，還采用了S9013作為電路開關(guān)?？梢栽赟9013基級(jí)輸入PWM信號(hào)來控制TM1810的導(dǎo)通和截止從而實(shí)現(xiàn)照明控制，使芯片及LED燈工作在周期性通斷狀態(tài)。

1.2 光電檢測(cè)與光電轉(zhuǎn)換

LED照明燈發(fā)出的光通過硅光電池PD采集后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，硅光電池是一種可以把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體PN結(jié)在受到光照的條件下會(huì)產(chǎn)生電流信號(hào)，通過把與光照強(qiáng)度成正比的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，可以準(zhǔn)確掌握光強(qiáng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和反饋控制，電路前級(jí)部分的前置放大由高精度儀器運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，即將硅光電池PD輸出的μA級(jí)電流信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)供后級(jí)控制電路放大分析，電路的放大倍數(shù)可以通過改變反饋電阻的阻值來設(shè)置。硅光電池應(yīng)用參考電路如圖2所示。

圖2 光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路原理圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊由STC12C5A60單片機(jī)組成，這個(gè)系列的單片機(jī)內(nèi)置8通道10位高速A/D轉(zhuǎn)換器接口,轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到250 kHz，為電壓輸入型AD，使用方便，可靠性高，采集數(shù)據(jù)可以通過單片機(jī)直接分析處理，減少硬件之間信號(hào)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)損失，避免干擾，突出了模塊數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性能。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總架構(gòu)

系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示，首先被檢測(cè)樣品(試劑)在LED光源的照射下光照強(qiáng)度相對(duì)減弱，光電檢測(cè)裝置捕捉到光強(qiáng)的微弱變化，將這一變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后再由AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)便于CPU分析處理，上位機(jī)的分析軟件對(duì)裝置傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，裝置可以實(shí)時(shí)檢測(cè)及發(fā)送數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等，具有通訊速率高、實(shí)時(shí)性好、精度高等特點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)框架圖

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源部分如圖4所示，供電電源采用了LDO芯片AMS1117，12 V電源輸入5 V電源輸出，具有效率高、低能耗、紋波小、抗干擾能力強(qiáng)、封裝面積小、外圍器件少等特點(diǎn)，非常適用于本系統(tǒng)。

圖4 電源電路圖

2.3 主控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控電路如圖5所示，系統(tǒng)的控制電路由STC系列單片機(jī)完成，具有較高的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定性好，單片機(jī)負(fù)責(zé)各路LED的開啟關(guān)閉，光電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)分析傳送、處理等功能。與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)指令等。

圖5 單片機(jī)控制電路

3 結(jié)論

本文主要闡述使用光電接收模塊、LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片等組成的LED光度檢測(cè)裝置，對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)做了詳盡介紹，將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)等智能設(shè)備，終端檢測(cè)設(shè)備與計(jì)算機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化，方便訪問，分析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化與智能化相融合。系統(tǒng)還具有擴(kuò)展性好、體積小、便捷性好、兼容好、易于升級(jí)等特點(diǎn),今后將系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，設(shè)計(jì)出多種應(yīng)用場(chǎng)景的檢測(cè)裝置，可以應(yīng)用于照明檢測(cè)、食品藥品檢測(cè)、家居生活方面，市場(chǎng)前景可觀。

[1] STC12C5A60S系列單片機(jī)指南[OL].2012. www.stcmcu.com.

[2] TM1810數(shù)據(jù)手冊(cè)[OL].2017. www.titanmec.com.