基于便捷式電子顯微鏡的LED調光器的研制探討

張琛

摘 要 調光器（dimmer）是用于改變照明裝置中光源光照量，并可進行一定調節的電氣裝置，其主要作用即為調節光照的不同亮度，達到控制照明的效果。文章所介紹的基于電子顯微鏡Led調光器，主要是以波控控制調光原理（又稱脈沖波寬度調制）為實現理論依據，波控控制調光其英文簡稱為PWM，是通過把電源方波進行數位化轉換，并對方波占空比進行調控，最終達到控制照明的有效目的。此次研究的電子顯微鏡LED調光器就是通過數字電位器、電容與場效應管等多種基礎性電子元件，達到產生控制PWM脈沖的目的，進而對光源實現亮度調控。

關鍵詞 便捷式電子顯微鏡；LED調光器；PWM脈沖波調節

中圖分類號：TN31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0029-02

隨著經濟建設的高速發展，當今社會對于各類照明設備有了越來越高的要求，除了需要具備良好的照明效果之外，還要有低能耗、發熱量小以及使用壽命長等多方面的技術層面要求。LED固體光源正是基于當今社會需要應運而生。并且由于LED燈不具有熱慣性等現象，因此可以快速進行開啟與關閉。常見的LED調光方式主要是采用PWM即波控控制調光或稱為脈沖寬度調制。通過PMW調節，使LED可以持續保持額定電流的最大值，使其只存在完全熄滅與最大亮度兩種工作狀態，不存在中間過渡與色譜偏移，因此以PWM進行亮度調節的方式尤其適合于顯微鏡之類的細微精準觀察之中。但由于PWM類型LED調光器通常具有眾多的線路以及機電元件，體積自然也比較大，因此必須對傳統PWM型LED調光器進行改良，使其滿足便捷式顯微鏡的需要，使其更為精細、輕便，最終符合便攜式電子顯微鏡的便捷特性。

1 硬件設計

本方案主要將LED調光器構建為4大主要部分，分別為LED通斷開關、PWM脈沖波發生電路裝置、區域選擇轉換開關以及PWM區域控制裝置。PWM脈沖不斷由PWM發生裝置中產生，之后經過LED開關，使LED等在接收與斷開信號的過程中，實現LED的高速亮開與關閉。區域選擇轉換裝置，主要是通過對所選區域進行電路開啟，未選區域進行電路關閉的方式實現區域控制，其中脈沖波的占空比和區域轉換選擇開關主要是由一個總控制器進行統一控制。

1.1 PWM脈沖波發生裝置

該裝置是由數字電位器、反相器（NC7S14并含施密特觸發器）、電容和兩個肖特二極管等幾個電子元件所構成的電路。

電路示意圖如圖1所示，其中數字電位器以滑動變阻器圖標表示，2點的電位即為電容電壓，2點為低壓輸出時，經由反相器輸送到4點，此點的輸出轉換為高壓。再經由數字電位器的λR與肖基特二極管為電容充電，由此使電壓不斷上升。電容電壓升至施密特觸發器的上限閾值產生電壓，4點由反相器轉為低壓。電容經過肖基特管和數字電位器時，另端電阻（1-λ）R產生電流，電壓因此不斷下降，下降到施密特觸發器下限閾值時又使4點再次轉換為高壓，通過這種不斷循環轉換，使充電放電過程不斷進行，由于4點不斷進行高低壓轉換，因此產生了一連串的脈沖矩形波。并根據科學計算可以得出，本電路中的矩形波占空比具有線性可調性，且其數值只與數字電位器抽頭所在位置有關，不會因為元件的區別發生變化。

圖1 PWM脈沖波發生裝置電路原理示意圖

1.2 LED高速通斷開關裝置

由于NC7S14的輸出高電平電壓為5 V，并可能存在多個LED串聯的情況，因此輸出電壓可能不足以驅動電路，故LED燈組必須由電源模塊進行電壓供給，而PMW脈沖波是作用于操控LED的高速開關，因此為了確保高速開斷的功能，可以采取通過電壓操控電流的場效應管。該設計主要選擇ZXM61N02F場效應管，其主要為N道增強型的MOS管。只要VGS低于啟動電壓時，不管DS兩端具有多大的電壓，ID始終為0，因此可以使脈沖信號在轉換為低電平時，沒有電流經過LED，進而實現光照管控。此外在此種型號的場效應管中，開關速度也屬于高級別，能夠匹配LED的開關速度。

1.3 區域選擇轉換開關

采用芯片為MAX4644的單刀雙擲開關。當供電電壓為5 V時，最大電阻為4 Ω，且斷開漏電量只有0.01 nA，如果輸入端是低電平的話，公用端和其中一端連接，如果輸入端是高電平，公用端與其一端相連，綜上所述采用51單片機可以很容易實現光源選區的選擇控制。

1.4 PWM占空比與光源選區控制器

控制器不但需要對數字電位器抽頭端位置進行控制，還要對區域開關的通斷進行操控。這些都可以用改變芯片的方式控制引腳輸入來實現。因此采用51單片機便能輕松滿足這些操控要求。

1.5 調光系統的總體硬件

由于不同光源區域都設有PWM脈沖波發生裝置，因此每個區域都可以單獨產生線性可變的矩形脈沖方波。當某一區域數字電位器中，沒有信號輸入時，矩形脈沖方波仍可由反相器中的施密特觸發器以及電容產生。因此在此區域數字電位器被區域選中前，矩形脈沖方波的占空比可以始終保持不變，LED的亮度自然也就不會發生變化。

一個51單片機用來控制多區域的模擬開關與數字電位器，每個區域中的數字電位器其引腳與可以分別連接，從而減少單片機IO口的數量。當對某個區域的亮度調控時，只要使本區域的數字電位器其片選引腳的輸入轉變為低電壓，之后對與進行調控。但其他未選區域因為引腳輸入為高電平，輸出沒有變化。故選擇此種方案，可以使51單片機的CPU負擔最大化縮減，更具節能便捷的功效。

2 軟件設計

圖2 LED調光器系統軟件流程

構建六個獨立按鍵對四個區域的亮度和區域選擇等進行控制，當中要有兩個按鍵用以控制明暗等級，實現對MAX5160中的、以及三個引腳的控制。在引腳作為下降沿并且引腳是低電壓的情況中，抽頭端W的輸出會產生變化，這時如果引腳輸出是高電平，抽頭端會切換至下個位置。如果輸入時高電平時，計數器將不參與工作，并保持當前的輸出情況，二位數字電位器也將鎖定，而芯片MAX5160在下次被選中前都將處于低功耗待機狀態。endprint

其余四個按鍵主要負責四大區域的控制，當其中一個按鍵被按下，那么相應的IO口的輸出也會隨之發生相應改變，進而讓對應的區域其光源進行開啟與關閉的狀態轉變，或者進行光照調控。其中的光照調控是指當區域開關被打開時，引腳的輸入為低電平狀態，這時該區域數字電位器的W抽頭端可以進行調控。

綜上所述，主要的軟件設計思路是當初始化進行完畢后，通過while（1）的死循環操作語句，使系統對六個獨立按鍵實施反復掃描，如果其中有按鍵按下，則需進行延時消抖，之后在實施確認操作，如果仍然還是按下，那么相應的操作參見圖2中所示。

3 研制結果

基于便捷式電子顯微鏡的特性，LED調光器必須在保證性能良好的基礎上，對元件數量、體積以及成本進行科學控制，而此設計方案中所采用的數字電位器、模擬開關以及反相器（含施密特觸發器）等電子元件，在當今市場中均具有貼片式結構元件，因此可以將該LED調光器的系統體系做到微小化。通過實際操作，所設計具有六個獨立按鍵的調光器系統可以良好實現LED等的32個等級以及四大獨立分區的操控，并且不具有色譜偏移或視覺中的光照閃爍感的情況發展，具有推廣價值。

4 結束語

基于便捷式電子顯微鏡的特點，本研制方案主要以便捷性為主，因此需要控制電子元件數量以及體積，并減少成本，還要便于與其他LED電路相連接，從而進行光度調節。此外，本方案還可作用于其他PWM脈沖型電子led調光器的光照調控，并且可以通過串行接口，將電子顯微鏡的主芯片DM365與調光器進行連接，操作者以觸屏的方式對主芯片進行指令下達，再由電子顯微鏡主芯片將指令傳輸給單片機，最后由單片機執行IO輸出，最終達到智能化便捷調光的有效目的。

參考文獻

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[8]（美）JERRY WASINGER.僅用兩條線的LED調光器[J].EDN電子設計技術，2012（11）：86-86.endprint

其余四個按鍵主要負責四大區域的控制，當其中一個按鍵被按下，那么相應的IO口的輸出也會隨之發生相應改變，進而讓對應的區域其光源進行開啟與關閉的狀態轉變，或者進行光照調控。其中的光照調控是指當區域開關被打開時，引腳的輸入為低電平狀態，這時該區域數字電位器的W抽頭端可以進行調控。

綜上所述，主要的軟件設計思路是當初始化進行完畢后，通過while（1）的死循環操作語句，使系統對六個獨立按鍵實施反復掃描，如果其中有按鍵按下，則需進行延時消抖，之后在實施確認操作，如果仍然還是按下，那么相應的操作參見圖2中所示。

3 研制結果

基于便捷式電子顯微鏡的特性，LED調光器必須在保證性能良好的基礎上，對元件數量、體積以及成本進行科學控制，而此設計方案中所采用的數字電位器、模擬開關以及反相器（含施密特觸發器）等電子元件，在當今市場中均具有貼片式結構元件，因此可以將該LED調光器的系統體系做到微小化。通過實際操作，所設計具有六個獨立按鍵的調光器系統可以良好實現LED等的32個等級以及四大獨立分區的操控，并且不具有色譜偏移或視覺中的光照閃爍感的情況發展，具有推廣價值。

4 結束語

基于便捷式電子顯微鏡的特點，本研制方案主要以便捷性為主，因此需要控制電子元件數量以及體積，并減少成本，還要便于與其他LED電路相連接，從而進行光度調節。此外，本方案還可作用于其他PWM脈沖型電子led調光器的光照調控，并且可以通過串行接口，將電子顯微鏡的主芯片DM365與調光器進行連接，操作者以觸屏的方式對主芯片進行指令下達，再由電子顯微鏡主芯片將指令傳輸給單片機，最后由單片機執行IO輸出，最終達到智能化便捷調光的有效目的。

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其余四個按鍵主要負責四大區域的控制，當其中一個按鍵被按下，那么相應的IO口的輸出也會隨之發生相應改變，進而讓對應的區域其光源進行開啟與關閉的狀態轉變，或者進行光照調控。其中的光照調控是指當區域開關被打開時，引腳的輸入為低電平狀態，這時該區域數字電位器的W抽頭端可以進行調控。

綜上所述，主要的軟件設計思路是當初始化進行完畢后，通過while（1）的死循環操作語句，使系統對六個獨立按鍵實施反復掃描，如果其中有按鍵按下，則需進行延時消抖，之后在實施確認操作，如果仍然還是按下，那么相應的操作參見圖2中所示。

3 研制結果

基于便捷式電子顯微鏡的特性，LED調光器必須在保證性能良好的基礎上，對元件數量、體積以及成本進行科學控制，而此設計方案中所采用的數字電位器、模擬開關以及反相器（含施密特觸發器）等電子元件，在當今市場中均具有貼片式結構元件，因此可以將該LED調光器的系統體系做到微小化。通過實際操作，所設計具有六個獨立按鍵的調光器系統可以良好實現LED等的32個等級以及四大獨立分區的操控，并且不具有色譜偏移或視覺中的光照閃爍感的情況發展，具有推廣價值。

4 結束語

基于便捷式電子顯微鏡的特點，本研制方案主要以便捷性為主，因此需要控制電子元件數量以及體積，并減少成本，還要便于與其他LED電路相連接，從而進行光度調節。此外，本方案還可作用于其他PWM脈沖型電子led調光器的光照調控，并且可以通過串行接口，將電子顯微鏡的主芯片DM365與調光器進行連接，操作者以觸屏的方式對主芯片進行指令下達，再由電子顯微鏡主芯片將指令傳輸給單片機，最后由單片機執行IO輸出，最終達到智能化便捷調光的有效目的。

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