數(shù)控式LED高速頻閃儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李澤深，王 悅，劉 維

（首都師范大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.物理系，北京100048）

數(shù)控式LED高速頻閃儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李澤深a，王 悅b，劉 維b

（首都師范大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.物理系，北京100048）

頻閃儀的工作環(huán)境給光源提出了響應(yīng)速度快、亮度高、余輝短的苛刻條件，使得選擇光源和設(shè)計(jì)其驅(qū)動電路變得困難，也因此限制了頻閃法物理研究方法在教學(xué)中的普及.本文論證了以大功率白光LED為光源制作教學(xué)用頻閃儀的可行性，使用STC89C52單片機(jī)作為中央控制器的頻閃儀，實(shí)現(xiàn)了頻率的數(shù)字化產(chǎn)生和控制.設(shè)計(jì)制作的頻閃儀頻率范圍是1～100Hz，步進(jìn)1Hz，頻率誤差小于±0.2Hz，總光通量700lm，能夠滿足教學(xué)和一般科研需要.

白光LED；MCS－51單片機(jī)；頻閃照相

1 引 言

對于高速運(yùn)動的物體，人們很難直接判斷其運(yùn)動狀態(tài)或揭示其運(yùn)動規(guī)律，頻閃儀所提供的頻閃光源可以有效解決這一問題.它可以發(fā)出特定頻率的閃光，研究者可以在這種光源下用照相等方式獲得物體在等時(shí)間間隔內(nèi)的位移規(guī)律，判斷物體運(yùn)動情況.頻閃法可以用于物理實(shí)驗(yàn)，在中學(xué)教學(xué)中，常用于研究自由落體運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動、平拋運(yùn)動等物體運(yùn)動形式.

對于高速轉(zhuǎn)動的物體，其轉(zhuǎn)速與頻閃光源同步時(shí)，由于視覺暫留，使得物體看上去相對靜止.這種方法可以進(jìn)行非接觸的轉(zhuǎn)速測量［1］.

對于頻閃設(shè)備，精確、穩(wěn)定的頻率和優(yōu)質(zhì)的光源是核心.傳統(tǒng)的頻閃儀采用氣體放電燈，光源昂貴、驅(qū)動復(fù)雜且難于維護(hù)，大大限制了其應(yīng)用范圍，若采用新興的大功率白光LED，可以減小體積、降低成本、簡化電路，有利于它在日常教學(xué)和科研中的應(yīng)用.

2 白光LED及其頻閃特性

發(fā)光二極管（LED）具有發(fā)光電壓低、體積小、光效高、壽命長、響應(yīng)速度快等特點(diǎn).它的響應(yīng)速度可以達(dá)到μs量級，其發(fā)光“慣性”明顯小于其他光源，這使得它可以在高頻脈動電流的驅(qū)動下閃爍，是頻閃儀光源的良好選擇.

目前大量應(yīng)用的白光LED的發(fā)光原理都是采用藍(lán)光LED激發(fā)黃光熒光粉YAG∶Ce來獲得白色光輸出［2］.本文對該發(fā)光二極管的頻閃特性做了簡單測試.測試原理如圖1所示.該測試使用固定頻率的脈沖發(fā)生器驅(qū)動LED，使其在額定條件下閃爍，而在正對LED位置使用了光電傳感器采集光強(qiáng)信號，并利用示波器2個(gè)通道分別對LED的電流和發(fā)光強(qiáng)度采樣及對比分析.

圖1 測試原理框圖

根據(jù)圖1所示的方法［2］，測試LED的頻閃特性結(jié)果如圖2所示.示波器通道1顯示LED電流變化，通道2顯示來自光電傳感器的光強(qiáng)變化信號.測試所使用的脈沖信號頻率為1kHz，遠(yuǎn)大于頻閃儀100Hz的設(shè)計(jì)工作頻率.從圖2可知，對于每個(gè)脈沖邊沿，LED不僅能夠在極短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)，而且光強(qiáng)穩(wěn)定性較高，白光LED的頻閃特性滿足頻閃儀的設(shè)計(jì)要求，它可以在頻閃儀中作為光源使用.

圖2 LED響應(yīng)波形圖

3 頻閃儀的電路設(shè)計(jì)

本頻閃儀在電路設(shè)計(jì)上分為數(shù)字脈沖發(fā)生器、交互面板、前級驅(qū)動器、功率驅(qū)動器和大功率白光LED 5個(gè)電路模塊，使用STC89C52單片機(jī)作中央控制，其電路框圖如圖3所示.

圖3 電路原理框圖

鑒于本設(shè)計(jì)對頻率精度要求不高，故頻率顯示采用兩位獨(dú)立數(shù)碼管，占用單片機(jī)14個(gè)輸入輸出端口.交互按鍵控制單片機(jī)用于調(diào)節(jié)頻閃頻率的大小.

單片機(jī)（微控制器）是本電路的核心，承擔(dān)脈沖輸出、頻率顯示與調(diào)節(jié)的工作.使用單片機(jī)進(jìn)行脈沖發(fā)生和頻率控制，可使頻率的控制精度大大提高，且易于頻率數(shù)值的準(zhǔn)確顯示和步進(jìn)調(diào)節(jié).

前級驅(qū)動電路連接單片機(jī)的脈沖輸出端和功率驅(qū)動器，具有初級放大和隔離保護(hù)的功能.它受單片機(jī)控制，為功率驅(qū)動器輸入端提供足夠的電流，以使得功率驅(qū)動器能夠正常工作.在出現(xiàn)線路短路等意外情況時(shí)，該電路可以保證單片機(jī)不會因過載或電流反向而損壞.在電路設(shè)計(jì)上，該級利用集成運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器或CMOS反相器，保證前級驅(qū)動可以在輸出定幅脈沖的同時(shí)，有相對較大的電流輸出能力.

功率驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)既要適應(yīng)不同電源，又要符合所選用的LED電氣特性的要求.本電路中，使用大功率三極管BD243C作為核心元件，使用共發(fā)射極接法，三極管基極通過基極電阻連接到前級驅(qū)動器的輸出端，根據(jù)電源電壓和LED參量調(diào)節(jié)基極電阻，以調(diào)節(jié)基極電流，保證LED有足夠的電流激勵(lì)，并且有效控制激勵(lì)電流不致過流燒毀LED.

LED元件要與設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動器相匹配，該電路選用的白光LED的參量如下：電壓為3.4～3.6V，輸入電流為350mA，光通量為110～120lm.選用6只上述參量的發(fā)光二極管，其電功率為18W，光通量約為700lm.相比以氣體放電燈為光源的傳統(tǒng)頻閃燈而言，使用該大功率LED可有效縮小電路體積、延長壽命，且LED發(fā)光元件的光效較高（上述LED光效約為40lm／W），可有效降低能耗.

為簡化電源，LED供電與單片機(jī)使用同一電源供電，為兼顧單片機(jī)工作，通常為5V.這使得LED模塊的供電電流非常大，給功率驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)制造帶來困難.這時(shí)可以將6只發(fā)光二極管分為2組單獨(dú)驅(qū)動，以降低設(shè)計(jì)難度，并且易于擴(kuò)展.當(dāng)需要繼續(xù)增加光源時(shí)，只需要再從單片機(jī)脈沖輸出端口連接驅(qū)動電路即可.

4 頻閃儀的程序設(shè)計(jì)

本電路中，程序用于控制單片機(jī)輸出脈沖、顯示頻率和調(diào)節(jié)脈沖頻率.利用2個(gè)按鍵控制單片機(jī)2個(gè)中斷加、減脈沖頻率，在I／O口向數(shù)碼管輸出頻率顯示，指定1個(gè)以上的I／O口用于輸出脈沖信號.整個(gè)程序流程如圖4所示.

圖4 程序流程圖

主函數(shù)開始先聲明變量、啟用中斷，在聲明變量時(shí)設(shè)置頻率初始值.單片機(jī)讀取頻率變量的值并顯示在數(shù)碼管上，然后進(jìn)入脈沖發(fā)生程序.自此單片機(jī)不斷在脈沖產(chǎn)生和頻率顯示中循環(huán).由于單片機(jī)I／O接口具有輸出鎖存功能，所以單片機(jī)在輸出脈沖時(shí)數(shù)碼管仍然會保持點(diǎn)亮，不會閃爍.電路采用12MHz時(shí)鐘晶振，即機(jī)器周期為1μs，整個(gè)頻率顯示程序執(zhí)行過程所需要的時(shí)間也在μs量級，而設(shè)計(jì)的頻閃頻率通常在100Hz以下，即產(chǎn)生的脈沖周期通常在10ms以上，頻率顯示程序的執(zhí)行時(shí)間小于脈沖周期的1／100.由此可見，用于執(zhí)行頻率顯示程序的時(shí)間消耗對脈沖頻率精度的影響極小.

當(dāng)通過按鍵增減頻閃頻率時(shí)，會進(jìn)入相應(yīng)中斷程序，加減頻率變量的數(shù)值.新的數(shù)值將會在下一次循環(huán)中使用.新的循環(huán)開始后單片機(jī)將新數(shù)值顯示在數(shù)碼管上，并調(diào)整脈沖頻率.實(shí)際應(yīng)用中，電路通常采用較高頻率的時(shí)鐘晶振，機(jī)器周期較短，使得執(zhí)行一次循環(huán)所需要的時(shí)間很短，這也縮短了從按下按鍵到輸出頻率改變之間的時(shí)間差.在實(shí)際調(diào)整中，該時(shí)間差不會被察覺.

程序設(shè)計(jì)中，設(shè)置合適的脈沖占空比可有效提高頻閃照片質(zhì)量.占空比設(shè)置過小，會導(dǎo)致總光通量降低，使得相機(jī)曝光量過低，不能清晰拍攝目標(biāo)物體.占空比過高，光源點(diǎn)亮?xí)r間過長，可能導(dǎo)致高速運(yùn)動的物體出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，不便于分析物體運(yùn)動規(guī)律.在設(shè)計(jì)程序時(shí)，可通過設(shè)定輸出高低電平的時(shí)間比例改變占空比.實(shí)驗(yàn)得出，對于大功率白光LED，占空比應(yīng)小于20%.

5 拍攝實(shí)驗(yàn)

本文制作的頻閃儀可用于自由落體運(yùn)動、平拋運(yùn)動、圓周運(yùn)動、機(jī)械能守恒定律、動量守恒定律和簡諧振動等運(yùn)動的定性和定量的實(shí)驗(yàn)探究.進(jìn)行拍攝實(shí)驗(yàn)需要有照相機(jī)、頻閃儀、運(yùn)動演示實(shí)驗(yàn)儀等器材.日常教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，所使用的照相機(jī)、實(shí)驗(yàn)儀器的不同，使得在進(jìn)行某個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)頻閃儀、運(yùn)動實(shí)驗(yàn)儀器和照相機(jī)三者相互獨(dú)立，無法構(gòu)建一個(gè)同步的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，給實(shí)驗(yàn)帶來一定困難.這時(shí)需要充分發(fā)揮設(shè)備功能，合理安排設(shè)備啟動順序.在無法建立同步觸發(fā)機(jī)構(gòu)時(shí)，可以參照以下思路完成實(shí)驗(yàn).

擺放設(shè)備，調(diào)整設(shè)備間距離使頻閃儀的燈光能夠照亮運(yùn)動實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)區(qū)域，并且頻閃儀的燈光可以作為主光源.選取合適的照相機(jī)位置使得物體運(yùn)動的全程在照相機(jī)采集范圍之內(nèi).根據(jù)對物體運(yùn)動全程時(shí)間的估算設(shè)定曝光時(shí)間.按照頻閃儀→照相機(jī)→運(yùn)動物體的順序啟動設(shè)備進(jìn)行拍攝.

圖5所示是以教學(xué)用自由落體／平拋實(shí)驗(yàn)儀為支架進(jìn)行自由落體實(shí)驗(yàn)時(shí)的頻閃相片.圖左側(cè)頻閃儀閃爍頻率為50Hz，圖右側(cè)為70Hz.

圖5 拍攝效果

2張照片均能夠清晰地反映出自由落體運(yùn)動的運(yùn)動軌跡以及不同時(shí)刻物體位置.在實(shí)際教學(xué)中可以根據(jù)這些頻閃照片對物體運(yùn)動規(guī)律或其他定律進(jìn)行定量分析.

6 結(jié)束語

使用STC89C52單片機(jī)作為中心控制器的頻閃儀，實(shí)現(xiàn)了頻率的數(shù)字化產(chǎn)生和控制，可以搭載數(shù)字顯示元件，頻率顯示直觀明確.相對于LC振蕩頻率產(chǎn)生器，單片機(jī)的數(shù)字頻率產(chǎn)生方法使頻率更準(zhǔn)確，范圍也大大加寬，本文設(shè)計(jì)的頻閃儀性能為：頻率范圍1～100Hz，步進(jìn)1Hz，頻率誤差小于±0.2Hz；總光通量700lm.使用大功率LED替代傳統(tǒng)的氣體放電燈，可以降低成本、縮小體積、延長機(jī)器壽命.這有利于頻閃儀在教育實(shí)驗(yàn)中的普及，學(xué)生可以直觀地觀察到物體運(yùn)動的頻閃影像，既有利于教學(xué)的順利進(jìn)行，又能夠推進(jìn)實(shí)踐教學(xué).

［1］ 余冰衷.用頻閃法測量轉(zhuǎn)速的方法探討［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2001，28（6）：17.

［2］ 楊光.基于不同驅(qū)動條件下白光LED照明頻閃問題的研究［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2011，22（6）：8－14.

［3］ 盧秀梅，倪玉軍.自由落體運(yùn)動規(guī)律演示儀［J］.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2008，24（2）：35.

［4］ 聶劍軍，徐月清，聶晶.發(fā)光二極管（LED）頻閃燈［J］.物理教學(xué)探討，2011，29（5）：53－55.

［5］ 軋之英.高速頻閃照相技術(shù)在自由落體演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13（5）：91－93.

Design and implementation of digitally controlled LED high－speed stroboscope

LI Ze－shena，WANG Yueb，LIU Weib
（a.College of Information Engineering；b.Department of Physics，Capital Normal University，Beijing 100048，China）

The working conditions of stroboscope required a light source of fast response，high brightness and short afterglow，which made the design of the light source and the driving circuit very difficult and limited its application of in teaching.In this paper，the feasibility of stroboscope with the high－power white LED light source in teaching was discussed，and the STC89C52microprocessor was used as the central control unit to realize the digital frequency generation and control.The conclusion was that the stroboscopic frequency range was 1－100Hz with 1Hz increment，the error of the frequency was＜±0.2Hz and the total luminous flux was 700lm，which could meet the needs of teaching and research.

white LED；MCS－51single－chip microprocessor；stroboscopic photography

TH74

A

1005－4642（2012）08－00015－04

［責(zé)任編輯：尹冬梅］

“第7屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文

2012－05－26

首都師范大學(xué)2012年工科基地項(xiàng)目和2011年實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（No.G110101）

李澤深（1991－），男，北京人，首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（師范）專業(yè)2009級本科生.

導(dǎo)師簡介：劉 維（1965－），女，北京人，首都師范大學(xué)物理系副教授，博士，主要從事應(yīng)用光學(xué)方面的研究.