一套基于使用狀態(tài)自動調(diào)節(jié)燈泡亮度的顯微鏡光源智能控制系統(tǒng)的設計

張楚炎

南京市第二醫(yī)院 （江蘇 南京 210000）

顯微鏡是一種精密光學儀器，被廣泛應用于各個領域，尤其是醫(yī)學診斷和科研領域[1]。顯微鏡的產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于光學系統(tǒng)（包括照明系統(tǒng)、聚光鏡、物鏡和目鏡等）是否能產(chǎn)生高分辨率、低視覺疲勞感、立體感等優(yōu)良的視覺效果[2]。

目前，普通顯微鏡的光源主要分為LED 和鹵素燈泡兩大類[3]。其中鹵素燈泡光源顯微鏡的光源部分經(jīng)常發(fā)生故障[4]，且燈泡燒壞率較高[5-6]。分析我院近3年的顯微鏡報修記錄發(fā)現(xiàn)，光源故障占比69%。究其原因，一方面是燈絲老化所致，屬于自然損耗；而另一方面則是人為操作不規(guī)范造成的，如打開光源時未將亮度調(diào)節(jié)旋鈕置于最低擋，導致開啟瞬間電流過大，燈絲燒斷。另外，使用后忘記關閉電源，從而損害燈泡壽命的情況也時有發(fā)生[7-8]。

基于上述情況，除了加強相關使用人員的培訓外，本研究設計了一套顯微鏡光源智能控制系統(tǒng)，可以實時判斷顯微鏡的使用狀態(tài)并且根據(jù)使用狀態(tài)自動調(diào)節(jié)光源的輸出電壓，從而降低因人為操作失誤所導致的鹵素燈泡異常損耗，也可在一定程度上節(jié)約能源。本研究的主要工作包括：（1）改進了光源供電電源的反饋回路，使其輸出電壓數(shù)控可調(diào)并預留控制接口；（2）設計了控制系統(tǒng)，以單片機為核心配合數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，通過供電電源的控制接口對光源的輸出電壓進行數(shù)字化調(diào)節(jié)；（3）采用光電傳感器和人體紅外傳感器，并編寫相應判斷算法，實現(xiàn)了對顯微鏡使用狀態(tài)（即使用或者閑置）的判斷，并根據(jù)此結果對顯微鏡光源供電電壓進行自動調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)結構

顯微鏡光源系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)光源的供電電壓進而調(diào)節(jié)亮度[1]，而市面上的鹵素燈泡大同小異，大多只有額定電壓與功率的區(qū)別，因此本研究以一款規(guī)格為“6 V、20 W”的鹵素燈泡為例進行了設計。

1.1 硬件總體結構

整個硬件系統(tǒng)分為電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分，見圖1。電力系統(tǒng)是以單片式開關電源芯片TOP223為核心的開關電源[9]，最大輸出功率為15 W，可將220 V 交流電變?yōu)橹绷麟娊o燈泡供電[10]；同時，使用旋轉(zhuǎn)編碼器代替了傳統(tǒng)的電位器并修改了開關電源的反饋電路部分[11]，以實現(xiàn)輸出電壓數(shù)控調(diào)節(jié)的功能[12-13]；此外，預留了控制接口，為后續(xù)的自動化調(diào)節(jié)奠定了基礎。控制系統(tǒng)以單片機為核心配合多個傳感器構成，可以實現(xiàn)對顯微鏡使用狀態(tài)的判斷和對燈泡供電電壓的自動調(diào)節(jié)。

圖1 硬件系統(tǒng)結構框圖

1.2 總體流程圖

系統(tǒng)總體運行流程見圖2。整個系統(tǒng)上電以后，首先進行初始化，然后進行外設和傳感器的初始化，完成后自動將燈泡電壓平緩提升至上次關機時的光源輸出電壓，之后進入循環(huán)，在循環(huán)中通過讀取傳感器的值判斷顯微鏡的使用狀態(tài)并調(diào)節(jié)輸出電壓；通過讀取旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出來手動調(diào)節(jié)光源的輸出電壓。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 電力系統(tǒng)設計

2.1 TOP223

選擇T OP223作為開關電源的主控芯片。TOP223芯片是美國PI公司出品的一款單片式開關電源芯片，該芯片內(nèi)部集成了MOS管，僅需較少的外圍元器件即可搭建一套完整的開關電源。芯片的AC-DC轉(zhuǎn)換效率高達90%，自帶限流和過溫保護功能，穩(wěn)定性高，應用廣泛。

2.2 電力系統(tǒng)概述

電力系統(tǒng)設計原理見圖3，其輸出電壓在1.2～4.6 V 之間可調(diào)，最大輸出功率為15 W。圖3中右側所示3個端口中，LIGHT 端口接燈泡正極，GND_A 端口接燈泡負極，ADJ 口接控制系統(tǒng)用于輸入控制電壓。具體電路原理在此不過多講解，本設計主要對電力系統(tǒng)的反饋回路做了改進，以實現(xiàn)輸出數(shù)控可調(diào)的目的。

2.3 反饋回路設計

圖3中的LM2904為雙運放芯片，運算放大器A 與電阻R23、R60、R63、R61和電容C59組成電壓比較器A，它的作用是輸出一個固定的電壓VA；運算放大器B 與電阻R64、R55、R56和電容C61組成電壓比較器B，用于接收控制信號，由于R55和R56分壓的作用并且兩者阻值相等，因此比較器B 負端的輸入電壓值為OUT 端口電壓值的一半，即電壓比較器B 輸出值VB 等于2倍的AD 端口輸入電壓值。VA 和VB 分別通過而兩個二極管共陰極接入反饋光耦芯片PC6，即該端反饋電壓由VB 控制但不得小于VA，這樣做的原因是由于開關電源的輸出不能為0。另一路光耦芯片PC7連接開關電源的輸出電壓，通過穩(wěn)壓管D54用于維持輸出電壓的穩(wěn)定[14-15]。

圖3 電力系統(tǒng)原理圖

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)整體設計

控制系統(tǒng)結構見圖4。控制系統(tǒng)以單片機STM32F407VET6為主控芯片[16]。電源模塊通過AC/DC模塊和穩(wěn)壓模塊將市電轉(zhuǎn)化成3.3 V直流電壓，為單片機及硬件外設供電；2.5 V基準電壓為精準模擬電路供電；易失數(shù)據(jù)存儲模塊（EEPROM）作為掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片，記錄常用電壓值。DAC模塊通過IIC總線與MCU通信，將每次計算的數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓，用來控制開關電源的輸出電壓。旋轉(zhuǎn)編碼器用于用戶手動調(diào)節(jié)電源輸出電壓。光電傳感器和人體紅外傳感器用于判斷顯微鏡的使用狀態(tài)，當判斷為空閑狀態(tài)時，發(fā)出報警并控制輸出電壓平緩步進降至最低；當判斷為在用狀態(tài)時，輸出電壓平緩步進至上次關機時的電壓值。顯示模塊、按鍵模塊、蜂鳴器和LED燈等用于用戶交互，顯示相關系統(tǒng)信息進行聲光報警。

圖4 控制系統(tǒng)結構框圖

3.2 主控模塊設計

主控模塊設計見圖5。主控模塊以意法半導體公司所生產(chǎn)的STM32F407VET6單片機為核心，該單片機支持最高為168 MHz 的時鐘頻率，片上存儲容量高達512 kB，共有144個I/O 口，支持IIC、SPI、USART 等通信協(xié)議，完全滿足本設計的要求。

圖5 主控模塊設計

3.3 電源模塊設計

電源模塊設計原理見圖6。電源模塊包含一個低壓差穩(wěn)壓芯片AMS1117和一個基準電壓芯片CJ431。AMS1117將輸入的5 V 直流電轉(zhuǎn)換成3.3 V給整個控制系統(tǒng)使用，CJ431用于提供一個精準的2.496 V 參考電壓給DAC 模塊使用[17]。

圖6 電源模塊設計原理圖

3.4 使用狀態(tài)判斷模塊設計

狀態(tài)判斷模塊設計原理見圖7。硬件部分由兩個紅外反射傳感器和一個人體信號感應傳感器構成。圖7左側標注光電傳感器的部分為其中一對紅外反射傳感器的原理圖。LM567是一款常見的編碼器芯片，IR333C-A 為發(fā)射管，PT333-3B 為接收管。當接收管接收到信號時，圖7左側的Infrared1口輸出低電平，否則輸出高電平；人體信號感應傳感器選用型號為AS312的紅外熱釋電傳感器，其結構較為簡單，檢測到確切人體信號后端口輸出高電平。

3個傳感器垂直于顯微鏡的后側面，分布見圖8。人體紅外傳感器負責感應周圍的人體信號，當人體紅外傳感器前面有遮擋物時，圖7中PT333-3B 接收到反射信號，輸出高電平。

圖7 狀態(tài)判斷模塊設計原理圖

圖8 傳感器分布示意圖

3.5 手動/自動亮度調(diào)節(jié)模塊設計

該模塊硬件部分由DAC 和旋轉(zhuǎn)編碼器構成，DAC用于調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)向電力系統(tǒng)反饋端輸出的電壓值來控制電力系統(tǒng)輸出的電壓值[18]；旋轉(zhuǎn)編碼器則可以在實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能的同時保留手動調(diào)節(jié)功能。

3.5.1 DAC

DAC 選用MCP4725芯片。該芯片為單通道12位緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以通過IIC 接口命令將輸入和配制數(shù)據(jù)燒寫到片內(nèi)非易失性存儲器，使芯片在斷電期間仍能保持之前的輸入代碼，且芯片輸出在上電后立即可用。我們在非易失性存儲器中預先設置了最低電壓值，可使系統(tǒng)上電時直接輸出最低電壓。

MCP4725芯片的輸入代碼為無符號的二進制值，輸出電壓范圍為0 V 至VDD。如式（1）所示，只需要向器件寫入相應的二進制值即可實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)功能。以本設計所選用的VDD值2.5 V為例，可實現(xiàn)最高0.0006 V 的步進輸出。

其中，Dn為輸入的二進制值。

3.5.2 旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器型號為KY40，其共有3種操作：逆時針旋轉(zhuǎn)、順時針旋轉(zhuǎn)、向下按。本設計主要用到了其中的順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，用于手動調(diào)節(jié)輸出電壓。使用旋轉(zhuǎn)編碼器代替電位器的優(yōu)點包括：（1）可以實現(xiàn)燈泡輸出電壓的無極調(diào)壓，調(diào)節(jié)精度和準確性更高；（2）擺脫了電位器物理調(diào)節(jié)方式的限制，方便后續(xù)控制系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)。

3.6 易失數(shù)據(jù)存儲模塊設計

易失數(shù)據(jù)存儲模塊采用BL24C256A 芯片，電路見圖9。該模塊用于記錄顯微鏡從在用狀態(tài)轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)時的輸出電壓值，當顯微鏡恢復在用狀態(tài)可以還原為此值。

圖9 EEPROM 電路連接圖

3.7 用戶交互模塊設計

用戶交互部分由顯示模塊、按鍵、蜂鳴器、LED 燈組成，見圖10。顯示模塊選用1.14寸的TFT顯示屏，分辨率為135×240，主控芯片為ST7789，用來顯示燈泡輸出電壓、實際輸出電壓、顯微鏡狀態(tài)等信息。蜂鳴器選擇為3.3 V 有源蜂鳴器。LED選擇型號為MHP5050RGB 的三色LED，當系統(tǒng)處于在用狀態(tài)時， LED 發(fā)出綠光；當系統(tǒng)處于判斷狀態(tài)時，LED 發(fā)出藍光；當系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時，蜂鳴器短鳴一聲報警，LED 發(fā)出紅光。

圖10 用戶交互模塊

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 開發(fā)工具和開發(fā)語言

本設計軟件編寫所用開發(fā)環(huán)境為Keil μVision5，開發(fā)語言為C 語言，兩者應用廣泛，在此不再贅述。

4.2 使用狀態(tài)判斷流程

傳感器的值與判斷結果的邏輯關系見表1，其中L 表示傳感器輸出邏輯低電平，H 為邏輯高電平，X 表示為任意狀態(tài)。從表1可以看出，只有當3個傳感器均為L 時，系統(tǒng)才判斷這個瞬間設備處于在用狀態(tài)，否則均判斷為空閑狀態(tài)。

然而，僅使用上表的判斷方式會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此本設計采用圖11所示的流程對兩種狀態(tài)進行判斷[19]。設置標志Flag 用于指示顯微鏡當前的運行模式，F(xiàn)lag 為0表示顯微鏡處于空閑模式，F(xiàn)lag 為1表示顯微鏡處于在用模式；設置N_Count 為空閑狀態(tài)計數(shù)標志，設置C_Count 為在用狀態(tài)計數(shù)標志；設置判斷標志C_Flag 用于指示根據(jù)表1判斷后所得到的顯微鏡即時狀態(tài)（注意區(qū)別于Flag），C_Flag 為1表示在用，C_Flag 為0表示空閑。每隔200 ms 讀取傳感器的值并根據(jù)表1判斷設備即時狀態(tài)：若為空閑，空閑計數(shù)標志N_Count 計 數(shù)+1，C_Flag 和C_Count 歸 零； 當N_Count 大 于2 400（即2 min）時，F(xiàn)lag 置0，設 置顯微鏡當前模式為空閑模式；若判斷為在用，C_Flag 標志置為1，開始計數(shù)C_Count，當C_Count 大于10（即2 s）時，F(xiàn)lag 置1，設置顯微鏡當前模式為在用模式。

圖11 設備使用狀態(tài)判斷流程圖

表1 傳感器的值與判斷結果的邏輯關系

4.3 自動升降壓流程設計

自動升壓流程設計見圖12。開機時，MCP4725芯片直接輸出最低電壓1 V，然后讀取24C256中保存的值，輸出電壓以每20毫秒步進一格的速度提升電壓至該值；同樣，當設備轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)時，輸出電壓以每20毫秒下降一格的速度降至1 V，實現(xiàn)了電壓的步進提升與降低。

圖12 自動升壓流程圖

4.4 手動亮度調(diào)節(jié)流程

手動亮度調(diào)節(jié)主要依靠旋轉(zhuǎn)編碼器和DAC，實現(xiàn)流程見圖13。設置計數(shù)標記Count 記錄旋轉(zhuǎn)方向，在定時器的中斷處理函數(shù)中判斷旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)時的電平，判斷到旋轉(zhuǎn)時，順時針旋轉(zhuǎn)一格Count 值加1，逆時針旋轉(zhuǎn)一格Count 值減1。每格的步進值設置為0.04 V。為了保證輸出電壓不能超過最大輸出功率，當輸出電壓達到最高電壓時，輸出不再增大（本設計設置最大值為4.6 V）；同時，由于開關電源的特性輸出電壓不能為0 V，當輸出電壓低于設置的最低電壓1 V 時，輸出1 V。

圖13 手動調(diào)壓流程圖

本設計使用中斷方式對旋轉(zhuǎn)編碼器進行計數(shù)，手動亮度調(diào)節(jié)具有最高的優(yōu)先級，即系統(tǒng)一旦讀取到旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)生旋轉(zhuǎn)操作，系統(tǒng)立即將使用狀態(tài)變?yōu)樵谟?，其之前已?jīng)計數(shù)的空閑時間計數(shù)立刻清零，重新判斷。

需要注意的是，在最初的實驗過程中，旋轉(zhuǎn)過程中計數(shù)標志Count 偶爾計錯，經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)是由中斷優(yōu)先級設置不當導致的，定時器中斷會影響旋轉(zhuǎn)編碼器計數(shù)，將旋轉(zhuǎn)編碼器的中斷優(yōu)先級提高后，計數(shù)標志Count 穩(wěn)定不再計錯。

5 結果

5.1 系統(tǒng)電氣連接圖

系統(tǒng)的電氣連接見圖14，實物連接見圖15（電力系統(tǒng)板安裝于顯微鏡底部，主控系統(tǒng)板安裝于顯微鏡后側，使光電傳感器垂直于操作人員）。

圖14 系統(tǒng)電氣連接圖

圖15 實物連接圖

5.2 電壓測試結果

圖16為控制信號的輸出電壓與燈泡電壓監(jiān)測圖，曲線（1）為控制信號，曲線（2）為燈泡輸出電壓，使用了泰克TBS1102C 型示波器進行采樣。需要說明的是，由于開關電源輸出不能為0，空閑狀態(tài)燈泡輸出電壓將保持最低輸出1.2 V；本系統(tǒng)的最大輸出功率為15 W，因此最大輸出電壓為4.6 V。圖16中兩條左側的上升曲線為顯微鏡從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)為在用狀態(tài)時的控制電壓的上升圖，控制信號以每20毫秒步進一格（0.04 V）的速度提升2.5 V，輸出電壓以2倍的提升速度步進至4.54 V（這里的結果不為5 V 是由于需要去除二極管的壓降）；右側曲線為顯微鏡從在用狀態(tài)轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)時的電壓下降圖。當顯微鏡處于空閑狀態(tài)時，由于燈泡從熱變冷無需太多時間，可以加快下降速度，控制信號以每20毫秒步進一格（0.1 V）的速度下降，同時燈泡輸出電壓以2倍的速度相應下降，結果符合本設計要求。

圖16 輸出電壓測試結果圖

5.3 測試極限距離

極限距離測試結果見表2，表中所示的距離為操作人員與控制板光電傳感器的直線距離。本設計對表中所列出的每個距離分別測試了20 次，可以看出，在25 cm 以下系統(tǒng)可以完美識別；在25～30 cm 時，由于接近傳感器的極限距離，因此傳感器受到的干擾較大；而在大于35 cm 時，是否有遮擋物均不會對系統(tǒng)造成干擾。根據(jù)實際使用習慣，使用人員在操作顯微鏡時，與設備的距離不會超過20 cm；而且大于35 cm 時不進行判斷，也能在一定程度上排除其他遮擋物的干擾，因此該結果完全滿足本設計的要求。

表2 極限距離測試結果

6 討論

本設計用旋轉(zhuǎn)編碼器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電位器，配合單片機和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)了對顯微鏡光源的數(shù)控調(diào)節(jié)，獲得了更高的調(diào)節(jié)精度；并且在此基礎上結合光電傳感器和人體紅外傳感器初步實現(xiàn)了對顯微鏡使用狀態(tài)的判斷，比單純的光電傳感器判斷更加準確；最后，將兩者結合實現(xiàn)了根據(jù)使用狀態(tài)自動調(diào)節(jié)燈泡的亮度。本設計只是提出了一個初步的想法，目前市場上鮮有涉足設備使用狀態(tài)判斷的裝置，尤其是醫(yī)療設備領域。實現(xiàn)設備使用狀態(tài)的判斷并且智能化開關機不僅可以減少設備故障，延長設備使用壽命，還可以做到節(jié)能減排，符合國家綠色環(huán)保，可持續(xù)發(fā)展的理念。

本設計在使用狀態(tài)判斷方面雖有改進，但無論是硬件方案的選擇還是軟件算法的設計仍處于起步階段，存在一些不足（如何保證實時性，即使用人員如果很快來到設備面前，可能需要等待2 s 左右，亮度才能提升上來），均會影響使用體驗。本設計更多的作用是拋磚引玉，希望可以吸引更多專家學者不斷改進硬件和算法，例如未來可以配合AI 實現(xiàn)對使用人員行為的預測，使該系統(tǒng)更加智能。