數(shù)控式LED高速頻閃儀的設計與實現(xiàn)

李澤深，王 悅，劉 維

（首都師范大學a.信息工程學院；b.物理系，北京100048）

數(shù)控式LED高速頻閃儀的設計與實現(xiàn)

李澤深a，王 悅b，劉 維b

（首都師范大學a.信息工程學院；b.物理系，北京100048）

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

白光LED；MCS－51單片機；頻閃照相

1 引 言

對于高速運動的物體，人們很難直接判斷其運動狀態(tài)或揭示其運動規(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間間隔內(nèi)的位移規(guī)律，判斷物體運動情況.頻閃法可以用于物理實驗，在中學教學中，常用于研究自由落體運動、勻變速直線運動、平拋運動等物體運動形式.

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

對于頻閃設備，精確、穩(wěn)定的頻率和優(yōu)質的光源是核心.傳統(tǒng)的頻閃儀采用氣體放電燈，光源昂貴、驅動復雜且難于維護，大大限制了其應用范圍，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和科研中的應用.

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、響應速度快等特點.它的響應速度可以達到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動下閃爍，是頻閃儀光源的良好選擇.

目前大量應用的白光LED的發(fā)光原理都是采用藍光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信號，并利用示波器2個通道分別對LED的電流和發(fā)光強度采樣及對比分析.

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變化信號.測試所使用的脈沖信號頻率為1kHz，遠大于頻閃儀100Hz的設計工作頻率.從圖2可知，對于每個脈沖邊沿，LED不僅能夠在極短時間內(nèi)響應，而且光強穩(wěn)定性較高，白光LED的頻閃特性滿足頻閃儀的設計要求，它可以在頻閃儀中作為光源使用.

圖2 LED響應波形圖

3 頻閃儀的電路設計

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

圖3 電路原理框圖

鑒于本設計對頻率精度要求不高，故頻率顯示采用兩位獨立數(shù)碼管，占用單片機14個輸入輸出端口.交互按鍵控制單片機用于調節(jié)頻閃頻率的大小.

單片機（微控制器）是本電路的核心，承擔脈沖輸出、頻率顯示與調節(jié)的工作.使用單片機進行脈沖發(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)值的準確顯示和步進調節(jié).

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

功率驅動電路的設計既要適應不同電源，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動器的輸出端，根據(jù)電源電壓和LED參量調節(jié)基極電阻，以調節(jié)基極電流，保證LED有足夠的電流激勵，并且有效控制激勵電流不致過流燒毀LED.

LED元件要與設計的功率驅動器相匹配，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供電與單片機使用同一電源供電，為兼顧單片機工作，通常為5V.這使得LED模塊的供電電流非常大，給功率驅動電路的設計制造帶來困難.這時可以將6只發(fā)光二極管分為2組單獨驅動，以降低設計難度，并且易于擴展.當需要繼續(xù)增加光源時，只需要再從單片機脈沖輸出端口連接驅動電路即可.

4 頻閃儀的程序設計

本電路中，程序用于控制單片機輸出脈沖、顯示頻率和調節(jié)脈沖頻率.利用2個按鍵控制單片機2個中斷加、減脈沖頻率，在I／O口向數(shù)碼管輸出頻率顯示，指定1個以上的I／O口用于輸出脈沖信號.整個程序流程如圖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，在聲明變量時設置頻率初始值.單片機讀取頻率變量的值并顯示在數(shù)碼管上，然后進入脈沖發(fā)生程序.自此單片機不斷在脈沖產(chǎn)生和頻率顯示中循環(huán).由于單片機I／O接口具有輸出鎖存功能，所以單片機在輸出脈沖時數(shù)碼管仍然會保持點亮，不會閃爍.電路采用12MHz時鐘晶振，即機器周期為1μs，整個頻率顯示程序執(zhí)行過程所需要的時間也在μs量級，而設計的頻閃頻率通常在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間消耗對脈沖頻率精度的影響極小.

當通過按鍵增減頻閃頻率時，會進入相應中斷程序，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)開始后單片機將新數(shù)值顯示在數(shù)碼管上，并調整脈沖頻率.實際應用中，電路通常采用較高頻率的時鐘晶振，機器周期較短，使得執(zhí)行一次循環(huán)所需要的時間很短，這也縮短了從按下按鍵到輸出頻率改變之間的時間差.在實際調整中，該時間差不會被察覺.

程序設計中，設置合適的脈沖占空比可有效提高頻閃照片質量.占空比設置過小，會導致總光通量降低，使得相機曝光量過低，不能清晰拍攝目標物體.占空比過高，光源點亮時間過長，可能導致高速運動的物體出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，不便于分析物體運動規(guī)律.在設計程序時，可通過設定輸出高低電平的時間比例改變占空比.實驗得出，對于大功率白光LED，占空比應小于20%.

5 拍攝實驗

本文制作的頻閃儀可用于自由落體運動、平拋運動、圓周運動、機械能守恒定律、動量守恒定律和簡諧振動等運動的定性和定量的實驗探究.進行拍攝實驗需要有照相機、頻閃儀、運動演示實驗儀等器材.日常教學和實驗中，所使用的照相機、實驗儀器的不同，使得在進行某個實驗時頻閃儀、運動實驗儀器和照相機三者相互獨立，無法構建一個同步的觸發(fā)機構，給實驗帶來一定困難.這時需要充分發(fā)揮設備功能，合理安排設備啟動順序.在無法建立同步觸發(fā)機構時，可以參照以下思路完成實驗.

擺放設備，調整設備間距離使頻閃儀的燈光能夠照亮運動實驗儀的實驗區(qū)域，并且頻閃儀的燈光可以作為主光源.選取合適的照相機位置使得物體運動的全程在照相機采集范圍之內(nèi).根據(jù)對物體運動全程時間的估算設定曝光時間.按照頻閃儀→照相機→運動物體的順序啟動設備進行拍攝.

圖5所示是以教學用自由落體／平拋實驗儀為支架進行自由落體實驗時的頻閃相片.圖左側頻閃儀閃爍頻率為50Hz，圖右側為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動的運動軌跡以及不同時刻物體位置.在實際教學中可以根據(jù)這些頻閃照片對物體運動規(guī)律或其他定律進行定量分析.

6 結束語

使用STC89C52單片機作為中心控制器的頻閃儀，實現(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，單片機的數(shù)字頻率產(chǎn)生方法使頻率更準確，范圍也大大加寬，本文設計的頻閃儀性能為：頻率范圍1～100Hz，步進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、延長機器壽命.這有利于頻閃儀在教育實驗中的普及，學生可以直觀地觀察到物體運動的頻閃影像，既有利于教學的順利進行，又能夠推進實踐教學.

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

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

［3］ 盧秀梅，倪玉軍.自由落體運動規(guī)律演示儀［J］.教學儀器與實驗，2008，24（2）：35.

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

［5］ 軋之英.高速頻閃照相技術在自由落體演示實驗中的應用研究［J］.實驗室科學，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

［責任編輯：尹冬梅］

“第7屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2012－05－26

首都師范大學2012年工科基地項目和2011年實驗室開放基金項目（No.G110101）

李澤深（1991－），男，北京人，首都師范大學信息工程學院計算機科學與技術（師范）專業(yè)2009級本科生.

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