齊成璽 曹玉柱 鄭旭媛 劉迢迢

摘? 要： 神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域利用一定頻率的閃光刺激調(diào)控阿爾茨海默病（AD）模型動(dòng)物的Aβ淀粉樣蛋白沉積。因此，頻率可調(diào)的LED光源在AD的發(fā)病機(jī)制和神經(jīng)調(diào)控中有很好的應(yīng)用。文中根據(jù)頻率可調(diào)的需求，設(shè)計(jì)基于Android的頻率可調(diào)LED光源。使用Android客戶端，通過(guò)藍(lán)牙模塊與底層MCU SRC89C52進(jìn)行通信，底層MCU負(fù)責(zé)執(zhí)行命令，控制LED驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)LED的頻率可調(diào)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置具有成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： LED光源; 頻率調(diào)節(jié); 單片機(jī); Android; 無(wú)線通信; 結(jié)果分析

中圖分類號(hào)： TN911?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0030?04

Design and implementation of intelligent LED light scintillation system based on singlechip and Android system

QI Chengxi， CAO Yuzhu， ZHENG Xuyuan， LIU Tiaotiao

（College of Biomedical Engineering and Technology， Tianjin Medical University， Tianjin 300070， China）

Abstract： In the field of neuroscience， a flash stimulation with certain frequency is used to regulate and control the Aβ?amyloid deposition in Alzheimer's disease （AD） model animals. Therefore， the LED light source with adjustable frequency has a good application in the pathogenesis and neural regulation of AD. A frequency?adjustable LED light source based on Android is designed according to the requirements of adjustable frequency. Android client is used to communicate with the bottom MCU src89c52 through Bluetooth module. The bottom MCU is responsible for executing the command， controling the switch of LED driver circuit， and realizing the adjustable control of frequency of LED. The experimental results show that the device has some advantages of low cost and simple operation.

Keywords： LED light source; frequency adjustment; singlechip; Android; wireless communication; result analysis

0? 引? 言

阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）的主要病因是大腦β?淀粉樣蛋白異常沉積，β?淀粉樣蛋白沉積形成的神經(jīng)炎性斑塊和 Tau蛋白過(guò)度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)（Neurofibrillary tangles，NFTs），最終表現(xiàn)為皮質(zhì)的持續(xù)皺縮以及海馬等腦區(qū)神經(jīng)元的大量丟失[1]。大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)同步激活時(shí)，會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)振蕩， 其中g(shù)amma振蕩（30～90 Hz）是大腦普遍存在的神經(jīng)電活動(dòng)，與感覺(jué)和感知、信息存儲(chǔ)和提取、編碼等認(rèn)知過(guò)程密切相關(guān)，特別是在學(xué)習(xí)和記憶中起了重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)AD患者的自發(fā)gamma節(jié)律同步性和多種AD轉(zhuǎn)基因小鼠模型中局部場(chǎng)電位gamma頻段的功率降低[2]。 Iaccarino等人指出gamma振蕩下降后，β?淀粉樣蛋白累積形成斑塊，導(dǎo)致其認(rèn)知能力的衰退[3]。利用光遺傳技術(shù)刺激AD模型小鼠海馬區(qū)內(nèi)的神經(jīng)元產(chǎn)生gamma振蕩，導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥淌蔂顟B(tài)，小膠質(zhì)細(xì)胞是一種免疫細(xì)胞，可以清除腦內(nèi)β?淀粉樣蛋白。Singer等人研究發(fā)現(xiàn)40 Hz閃爍燈光也可產(chǎn)生上述效果[4]。

LED光源與人們生活息息相關(guān)。光在人們的日常生活中發(fā)揮著重要的作用，其對(duì)動(dòng)植物的形態(tài)形成、生理代謝和生長(zhǎng)發(fā)育有著重要的調(diào)節(jié)作用[5]。LED發(fā)光二極管是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，其核心是一個(gè)由兩部分組成的半導(dǎo)體的晶片：一部分是空穴占主導(dǎo)地位的P型導(dǎo)體;另一部分是電子占主導(dǎo)地位的N型導(dǎo)體，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，從而形成光[6]。LED燈不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220 V的交流市電，它需要恒流驅(qū)動(dòng)。LED驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流電源，同時(shí)按照LED器件的要求完成與LED的電壓和電流的匹配[7]。

本文采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一款基于Android系統(tǒng)的可控制LED光源頻率客戶端。通過(guò)藍(lán)牙模塊與底層MCU SRC89C52進(jìn)行通信，底層MCU負(fù)責(zé)執(zhí)行命令，利用PWM波控制LED驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)LED的頻率可調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)非侵入性地降低AD模型小鼠海馬β?淀粉樣蛋白的濃度和沉積。該裝置具有成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在AD發(fā)病機(jī)制和神經(jīng)調(diào)控方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1? 基于Andriod的頻率可調(diào)LED光源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

頻率可調(diào)LED光源的硬件系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)（數(shù)字電源和LED驅(qū)動(dòng)電路）、單片機(jī)系統(tǒng)和通信模塊，其組成框圖如圖1所示。

1.1.1? LED基板

LED基板模塊包括LED陣列。根據(jù)LED的參數(shù)特性，采用12 V電源給LED供電，LED采用串聯(lián)的形式布局，如圖2所示。由圖2可知，OUT1接LED驅(qū)動(dòng)控制電路的控制輸出端。

1.1.2? STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的使用經(jīng)典的MCS?51內(nèi)核的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 KB系統(tǒng)可編程FLASH存儲(chǔ)器、512 B數(shù)字存儲(chǔ)器、看門狗電路、內(nèi)置4 KB E2PROM和4個(gè)外部中斷，全雙工串行口[8]?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35 MHz。采用11.059 2 MHz的無(wú)源晶振，為了使晶振穩(wěn)定，靠近晶振的兩個(gè)引腳對(duì)地放置了22 pF電容。該單片機(jī)外圍電路簡(jiǎn)單，且技術(shù)成熟可靠，降低了成本，增加了可靠性，其電路圖如圖3所示。由圖3可知，STC89C52單片機(jī)最小控制系統(tǒng)由STC89C52、RC復(fù)位電路和外部晶振組成。

1.1.3? 通信電路

本控制系統(tǒng)可以與手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。單片機(jī)與手機(jī)通信采用藍(lán)牙無(wú)線通信模塊，LED光源的頻率可以通過(guò)手機(jī)Andriod客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)定和監(jiān)控底層單片機(jī)的工作。由于系統(tǒng)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，藍(lán)牙模塊與主機(jī)通信采用串口的方式，通信速率為9 600 b/s。藍(lán)牙是一個(gè)開(kāi)放性的無(wú)線通信模式，雖然通信距離較短，但是方便快捷、應(yīng)用廣泛和低成本，其設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。由圖4可知，藍(lán)牙最小系統(tǒng)包括指示燈、外部按鍵清除記憶、狀態(tài)控制腳和通信引腳。由于藍(lán)牙模塊供電是3.3 V電平，而單片機(jī)STC89C52是5 V供電，兩者的收發(fā)引腳需要進(jìn)行電壓匹配。

1.1.4? 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路包括LED燈的頻率控制電路和系統(tǒng)工作電源電路。本控制系統(tǒng)采用外部12 V電源輸入，通過(guò)線性穩(wěn)壓源LM7805將12 V轉(zhuǎn)換為5 V給單片機(jī)STC89C52進(jìn)行供電，同時(shí)，使用AMS1117?3.3線性穩(wěn)壓源給藍(lán)牙模塊進(jìn)行供電。其設(shè)計(jì)電路分別如圖5和圖6所示。

由圖5可知，為了方便調(diào)試和電源識(shí)別故障，對(duì)12 V，5 V和3.3 V供電都增加了顯示燈功能。由圖6可知，LED燈的頻率控制電路采用低壓控制高壓模式，采用NMOS管作低端驅(qū)動(dòng)，PMOS管作高端控制。當(dāng)CON輸出高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，Q1 G腳被拉低，LED有電流通過(guò)，LED亮起。同理，當(dāng)CON輸出低電平時(shí)，Q2不導(dǎo)通，Q1 G腳被上拉，LED沒(méi)有電流通過(guò)，LED燈不亮。

1.2? 底層單片機(jī)嵌入式軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)底層單片機(jī)嵌入式程序采用由第三方開(kāi)發(fā)的IAR嵌入式工作平臺(tái)。IAR Embedded Workbench（EW）是一種用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用各種不同目標(biāo)處理器的靈活的集成環(huán)境，簡(jiǎn)單易學(xué)，它提供一個(gè)方便地窗口界面用于迅速的開(kāi)發(fā)調(diào)試[9]。EW包括了嵌入式C/C++優(yōu)化編譯器、匯編器、連接定位器、庫(kù)管理員、編輯器、項(xiàng)目管理器和C?SPY調(diào)試器。使用IAR的編譯器最優(yōu)化最緊湊的代碼，節(jié)省硬件資源，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

底層單片機(jī)軟件的好壞對(duì)系統(tǒng)有很大的影響。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可編輯性和長(zhǎng)期可靠性，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，整個(gè)軟件系統(tǒng)由以下幾個(gè)子模塊組成：主程序模塊、LED頻率控制模塊、存儲(chǔ)模塊和通信模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)完成各自的功能，分別由主模塊調(diào)用。

主程序框圖是程序的總體思路，軟件主程序流程圖由圖7所示。由圖7可知，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和讀取。其中LED頻率控制模塊I/O引腳初始化低，通信模塊初始化通信參數(shù)波特率為9 600 kb/s，藍(lán)牙模塊的STATE引腳配置為高電平，并與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接通信。為了增加程序的可維護(hù)性，給各個(gè)狀態(tài)設(shè)定特定的返回值，Android端可以通過(guò)返回值，進(jìn)行故障識(shí)別。軟件采用無(wú)線中斷的形式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。在獲取到Andriod端的命令之后， 要先對(duì)其進(jìn)行地址識(shí)別，正確的地址才進(jìn)行命令接受和解析。當(dāng)命令解析完以后，根據(jù)Andriod命令請(qǐng)求調(diào)用相對(duì)應(yīng)的模塊，LED光源的頻率控制采用引腳脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波控制LED燈電源使能。STC89C52內(nèi)部具有三個(gè)14位的定時(shí)器，程序可以調(diào)用內(nèi)部的定時(shí)器參數(shù)PWM波，從而實(shí)現(xiàn)頻率的控制。

1.3? Andriod客戶端軟件設(shè)計(jì)

Andriod客戶端是本系統(tǒng)的重要組成部分，它具有設(shè)置和顯示的功能，用戶可以通過(guò)客戶端對(duì)LED光源的頻率進(jìn)行設(shè)置。Andriod客戶端采用Java語(yǔ)言編寫，界面友好、易于操作。使用手機(jī)自帶的藍(lán)牙模塊與底板藍(lán)牙進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)與LED光源系統(tǒng)的無(wú)線連接[10]。利用現(xiàn)有的成熟的藍(lán)牙通信協(xié)議，減少了設(shè)計(jì)難度，增加了設(shè)計(jì)可行性。在數(shù)據(jù)發(fā)送格式上采用先發(fā)送指令，在發(fā)送數(shù)據(jù)的編排方式，通過(guò)給LED光源不同的參數(shù)設(shè)置不同的指令碼，數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳到單片機(jī)以后，由單片機(jī)串口中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后執(zhí)行命令，并上傳返回值。軟件上設(shè)置不同狀態(tài)的返回值，調(diào)試時(shí)通過(guò)返回值可以很快識(shí)別故障。

2? 結(jié)果與分析

搭建平臺(tái)以后，在Andriod客戶端設(shè)置1～100 Hz范圍內(nèi)不同的LED光源頻率和占空比，示波器查看單片機(jī)輸出引腳的PWM波頻率和占空比與設(shè)置值均相對(duì)應(yīng)，LED光源的頻率也與設(shè)置值相對(duì)應(yīng)。

客戶端使用時(shí)先點(diǎn)擊“打開(kāi)藍(lán)牙”和“開(kāi)始掃描”，單片機(jī)和手機(jī)連接起來(lái)，此時(shí)LED光源閃爍頻率為40 Hz，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)“增頻”和“降頻”按鈕調(diào)節(jié)閃爍頻率（10～100 Hz）。使用完后，點(diǎn)擊“關(guān)閉掃描”和“關(guān)閉藍(lán)牙”，單片機(jī)和手機(jī)連接斷開(kāi)，LED光源停止閃爍。客戶端操作界面如圖8所示。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

本文首先介紹了誘導(dǎo)gamma振蕩調(diào)控AD和LED光源的頻率重要性，然后利用Andriod客戶端通過(guò)藍(lán)牙與底層單片機(jī)STC89C52進(jìn)行通信，單片機(jī)STC89C52利用內(nèi)部計(jì)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的PWM波頻率和占空比來(lái)控制LED驅(qū)動(dòng)電路的使能，從而實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠的基于Andriod的頻率可調(diào)的LED光源系統(tǒng)。

注：本文通訊作者為劉迢迢。

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