基于STM32單片機(jī)的光源控制裝置設(shè)計(jì)

沈?qū)氄\(chéng)， 趙宏生， 金　鑫

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

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基于STM32單片機(jī)的光源控制裝置設(shè)計(jì)

沈?qū)氄\(chéng)1， 趙宏生2， 金鑫3

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

摘要：在運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，光源的質(zhì)量是獲取高質(zhì)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(duì)現(xiàn)有光源單純采用恒流源或恒壓源控制輸出的缺陷，設(shè)計(jì)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(fù)載使用功率范圍。

關(guān)鍵詞：STM32；光源控制裝置；恒流源

一、引言

目前，市場(chǎng)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(diào)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(fù)載使用功率范圍小、發(fā)熱量大、電源利用率低等缺點(diǎn)。

本文在恒流源和恒壓源控制輸出原理深入研究的基礎(chǔ)上，把這兩種控制輸出結(jié)合起來(lái)，以STM32單片機(jī)為控制核心，通過(guò)A/D端口采樣反饋給單片機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的輸出功率、電流大小、工作方式的控制。此設(shè)計(jì)不僅提高了光源穩(wěn)定性和電源利用率，而且拓寬了負(fù)載使用功率范圍。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光源控制裝置主要由單片機(jī)、可調(diào)恒壓源、恒流源、基準(zhǔn)電壓芯片、串口芯片、數(shù)字電位器等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　光源控制裝置結(jié)構(gòu)框圖

該控制裝置的控制原理為：基準(zhǔn)電壓芯片給單片機(jī)一個(gè)基準(zhǔn)電壓以保證單片機(jī)的A/D端口輸出一個(gè)精準(zhǔn)的、穩(wěn)定的控制電壓，其用做恒流源的基準(zhǔn)電壓輸入值。單片機(jī)的IO口控制可調(diào)恒壓源芯片的開啟管腳，來(lái)控制對(duì)外輸出的通斷。單片機(jī)的IO口控制數(shù)字電位器來(lái)調(diào)節(jié)電阻大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒壓源的輸出電壓進(jìn)行控制。通過(guò)采樣電阻，把恒流源輸出的電流值轉(zhuǎn)化成電壓值，通過(guò)一個(gè)AD端口反饋給單片機(jī)，讓其做出判斷。單片機(jī)通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)上電啟動(dòng)后通過(guò)初始化光源控制程序給單片機(jī)發(fā)送不同指令，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制裝置的輸出功率、電流大小、工作方式的設(shè)置。

一、主要硬件設(shè)計(jì)

（一）控制模塊選擇

本文所設(shè)計(jì)的光源控制裝置中的單片機(jī)作為控制中心，發(fā)送相關(guān)指令，同時(shí)還負(fù)責(zé)處理反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)選擇了意法半導(dǎo)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(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品之一，相當(dāng)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(yīng)用專門設(shè)計(jì)的內(nèi)核。同時(shí)，自帶2個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器和2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，在電路設(shè)計(jì)時(shí)不需要另外設(shè)計(jì)A/D和D/A電路，減少了成本和工作量。

（二）恒流源電路設(shè)計(jì)

光源的控制方式直接影響到光源質(zhì)量，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量，好的控制方式能改善系統(tǒng)分辨率，簡(jiǎn)化軟件運(yùn)算，提高光源穩(wěn)定性和系統(tǒng)工作效率。在運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)LED光源瞬間穩(wěn)定性要求很高，電路中不僅設(shè)計(jì)了恒壓源，同時(shí)還設(shè)計(jì)了恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償因電壓波動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shí)端口3電壓與端口2電壓相等,TIP122為達(dá)林頓管，其可將輸入端的微弱信號(hào)進(jìn)行較大倍數(shù)放大。令恒流源電路要求輸出的電流為I，當(dāng)電路中電流與設(shè)定值發(fā)生偏移時(shí)，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(dǎo)通電流也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。

（三）串口通信電路設(shè)計(jì)

由于PC機(jī)采用的是RS232串口標(biāo)準(zhǔn)，其與單片機(jī)電平不兼容，它們之間若要通信則需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)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(jìn)行了串口通信電路設(shè)計(jì)，如圖3所示。其中，T1OUT與PC機(jī)的數(shù)據(jù)接收端口連接，R1IN與PC機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送端口連接，Tx與STM32單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送口連接，Rx與STM32單片機(jī)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(shè)計(jì)

（一）電流調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)

在圖4中，描述了單片機(jī)的電流調(diào)節(jié)程序流程圖。電流調(diào)節(jié)程序的目的就是為了調(diào)節(jié)恒流源的輸出電流，是實(shí)際電流大小等于設(shè)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(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓是通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換得到，所以電流調(diào)節(jié)是控制單片機(jī)D/A端口輸出模擬電壓值，從而控制電流值。單片機(jī)上電后首先對(duì)串口等寄存器及變量進(jìn)行初始化，然后循環(huán)比較設(shè)定值于采集值，調(diào)節(jié)恒流源輸入電壓，直到輸出電流和設(shè)定電流相等。

圖4　　電流調(diào)節(jié)流程圖

（二）單片機(jī)控制主程序

圖5　主程序流程圖

在圖5中，描述了下位機(jī)的主程序控制流程圖。本裝置主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的控制，就是確保恒流源電流實(shí)際值與設(shè)定值基本相等的情況下去控制光源頻閃、常亮或者關(guān)閉。本系統(tǒng)中，起初是檢測(cè)恒流源的實(shí)際電流輸出值，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，通過(guò)A/D采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，如果實(shí)際檢測(cè)到的電流值與設(shè)定值相等，單片機(jī)就開始執(zhí)行對(duì)恒流源的閉環(huán)控制，通過(guò)控制恒壓源來(lái)控制恒流源的關(guān)閉、常亮、頻閃。

四、結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種光源控制裝置，結(jié)合恒流源和恒壓源控制輸出原理，采用STM32單片機(jī)為控制核心、A/D端口反饋等電路設(shè)計(jì)，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(shí)也拓寬了輸出功率，擴(kuò)大了使用范圍，具有較高的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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

[2]秦曾煌.電工學(xué)電子技術(shù)[M]，高等教育出版社，2007.

[3]程安寧，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅(qū)動(dòng)方式分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010,（2）.

[4]林興旺，任德均.機(jī)器視覺(jué)中的LED光源控制器[J].微型電腦應(yīng)用，2012,（1）.

（責(zé)任編輯：袁媛）

中圖分類號(hào)：TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[文章編號(hào)]1671－802X(2016)02－0024－03

收稿日期：＊2016－03－01

作者簡(jiǎn)介：沈?qū)氄\(chéng)（1982-），男，安徽蚌埠人，助理工程師。研究方向：機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)。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