LED陣列光源黃疸光療儀系統設計

舒劉琴，于莉媛,，楊 磊，趙 波，張二陽，李牧野，陳滬立，彭 路

(1.天津工業大學 電氣工程與自動化學院 天津 300387; 2.天津工業大學 教育部大功率半導體照明應用系統工程研究中心,天津 300387)

引言

黃疸是新生兒常見的癥狀，是新生兒血液中過量的Z-Z型膽紅素異構體分子引起的。光療法由于簡便且療效好在臨床上成為一種常用的方法[1,2]。在光線照射下，患兒的皮膚和組織中的Z-Z型膽紅素異構體分子和Z-E型膽紅素異構體分子在光照下可以轉化成光紅素，并通過膽汁、體液、尿液排出體外就達到了治療目的。

由于LED光源的優越性，國內外對LED光源黃疸光療儀進行了相關研究[3-7]。Lisenko和Kugeiko[8]通過小白鼠實驗將鹵素燈光源的光療儀與LED光療儀相比較，發現LED光療儀使小白鼠體內膽紅素降解的速度更快。Agati等[9]通過臨床實驗將藍光燈和藍綠光燈相比較，發現藍綠光的治療效果比單純的藍光好。

本文提出一種基于藍綠光LED光源的黃疸光療儀系統，采用BP1361芯片構成恒流驅動模塊，STM32F1RCT6單片機和TFTLCD可觸摸液晶顯示屏組成人機交互模塊，使用EMWIN設計人機交互界面，并對系統進行測試。

1 光療儀系統設計

LED光源的黃疸光療儀主要包括光源模塊、恒流驅動模塊、人機交互模塊、電源模塊等。

1)光源模塊。根據黃疸患兒體征和理想光療標準，我們提出設計光斑面積為S=300 mm×600 mm，受照面總輻照度E≥30 μW/cm2/nm,光均勻度≥80%。對于綠光，根據理想光療標準設EG=2 mW/cm2，視見函數約為0.5，光通量Φ=1 024.5 lm。藍光與綠光的比值約為1.5，所以我們定義藍光的光通量為1 536.8 lm，應用主波長為490 nm左右的光源，光譜形式如圖2所示。經過光源匹配研究，選擇3 W主波長為480 nm藍光LED和3 W主波長為520 nm的綠光LED，光通量分別為90 lm和160 lm。光源陣列由20個功率為3 W藍光LED和8個功率為3 W綠光LED組成，如圖3所示，其中4、10～12、17～19、25為主波長為綠光LED，其他的為藍光LED，采用鋁基板做燈板以達到較好的散熱效果。

圖1 光譜形式及光譜匹配

圖2 LED陣列排布形式

圖3 恒流驅動電路

圖4 LED陣列電路原理圖

2)恒流驅動模塊。BP1361是一款降壓恒流驅動芯片，BP1361外部采用極少的元器件就可以驅動多個高亮度LED。BP1361恒流驅動電路輸入電壓范圍在5～30 V之間，輸出電流的大小通過采樣電阻設定，最大輸出電流可達750 mA。BP1361電流精度高達±3%。BP1361通過DIM引腳接收0.5～2.5 V的模擬調光以及100 Hz～20 kHz以上的PWM調光。本光療系統需要三路驅動電路，八個綠色LED串聯為一路，20個藍光LED分成兩路，每路10個LED，驅動電壓為28 V、28 V、22 V，驅動電流為0.6 A。采用BP1361設計的恒流驅動電路如圖3和圖4所示。電路的輸入電源為30 V，同時向DIM輸入單片機產生的PWM使能信號。BP1361與電感L、采樣電阻RS形成一個自振蕩的降壓型恒流LED控制器。RS是電流采樣電阻，決定了LED的電流；C是旁路電容，用來承受較大的電流，減小對輸入電源的沖擊。

圖6 電源模塊

3)人機交互模塊。顯示控制模塊采用ARM Cortex-M3內核STM32F1RCT6單片機和TFTLCD液晶顯示屏組成，STM32F1RCT6芯片可以在特定的I/O口產生PWM使能信號。由PA3、PA6、PA8三個引腳輸出PWM信號，輸入到三個驅動電路，與BP1361的DIM端相連，通過對PWM占空比的控制來調節光源模塊的亮度。光療儀中安裝有DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、光敏電阻，實時監測箱內的溫濕度和亮度信息，TFTLCD液晶顯示屏直接與單片機相連進行數據的傳輸與顯示。顯示界面由SEGGER公司開發、Emwin設計，在界面中顯示治療箱內的溫度、濕度、亮度信息，并在顯示屏上顯示曲線，右側可通過觸摸液晶屏控制光源模塊亮度、治療時間。整個EmWin界面的設計過程包括：使用GUIBuilder軟件繪制界面并且輸出程序、對輸出的程序進行修改后加入工程、修改main函數、下載調試、添加其他文件并調試。涉及的控件包括：用來顯示動態曲線Graph控件、用來顯示溫度濕度和亮度值的Edit控件以及選擇亮度和治療時間的BUTTON控件，如圖5所示。

圖5 人機交互界面

4)電源模塊。電源采用100 W的開關電源，該電源能將220 V的交流電轉換為36 V的直流電。根據圖6，將36 V的直流電源轉換為30 V的直流電并連接至恒流驅動模塊的VIN引腳上。

圖7 燈板點亮效果圖

2 系統測試

整個光療系統光源模塊點亮效果如圖7所示。對光源照度的均勻度進行測試，在距離光源50 cm進行測試，得到照度分布如表1所示，可以看出照明區域內光輻照度總體平穩，經計算其均勻度達到86%，并且平均輻照度E>30 μW·cm-2·nm-1。

對恒流驅動電路進行測試，當輸入電壓在8～30 V之間變化時，使用萬用表測試BP1361輸出端的電流，相關的數據如表2所示，輸出電流大小穩定在700 mA左右，滿足驅動LED陣列的要求。對恒流驅動電路的系統效率與電壓之間的關系進行測試，當輸入電壓在11～30 V之間變化時，其效率大于80%。對應的數據在表3中。

圖8是200 Hz條件下占空比在10%～100%變化時的PWM調光曲線，具體數據如表4所示，當占空比從0不斷上升至100%時，輸出電流也從0逐漸上升，達到最大電流708 mA。

表1 50 cm處受照面輻照度

表2 恒流驅動電路輸出電壓和電流

表3 恒流驅動電路的輸入電壓和對應的效率

圖8 恒流驅動電路占空比與電流的關系

表4 恒流驅動電路占空比與電流大小

3 結論

我們設計的LED光源黃疸光療儀由LED光源陣列、BP1361為核心的恒流驅動電路、STM32F1RCT6為核心的控制部分，以及以EmWin為界面的人機交互模塊和電源五個部分。我們對LED光源黃疸光療儀系統進行了調試，并對恒流驅動模塊設計進行了測試，其輸出電流穩定在700 mA，效率大于80%，滿足光源模塊的需求。本文通過設計更加便捷的控制界面，使得黃疸光療儀系統更加人性化，有利于光療儀的使用。