余阿陵， 陈显彬

(1.汕头职业技术学院机电工程系, 广东 汕头 515041； 2.汕头高威电子有限公司， 广东 汕头 515041)

0 引 言

在各级政府采购招标网站上，医院手术灯设备中出现了一个新名词：“冷光源手术灯”.医院手术室环境使用的照明灯具过去为白炽灯、卤素灯等发热光源.在国家大力提倡环保节能的今天，医院手术照明也开始了向冷光源方向发展.半导体发光二极管(Light Emitting Diode,LED)以其饱满色光、无限混色、迅速切换、耐振、耐潮、超长寿和少维修等优势成为人们日常生活中最热门、最瞩目的光源.随着LED材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高,LED将成为新一代的绿色光源[1].医用手术灯出现的冷光源手术灯，正是引入了绿色光源的概念.而在医院手术环境下的防爆、高效能、易操作、易控制等特殊使用要求上，高亮度LED灯较同为冷光源的日光灯具有更加明显的技术优势.

1 系统设计要求

医院手术环境对手术灯操作要求如下：第一，操作面板应有电源开关键、功能选择键、增大(+)键、减小(-)键；第二，按“电源开关”键，可开或关照明灯.开时初始设定为“亮度设定”第5级，“程式设定”为“程式1”；第三，连续操作“功能选择”键，可在“程式设定”、“亮度设定”中交替选择所需设定方式.其中，选择“亮度设定”，对应有“亮度”功能指示灯亮，操作增大(+)键、减小(-)键，可调手术灯亮度，调节范围分为1～9级；再则，选择“程式设定”，对应有“程式”功能指示灯亮，操作增大(+)键、减小(-)键，可选择4种程式之一,具体见表1.

表1 程式功能号与功能对应表

最后，“程式设定”选定后，操作“功能选择”键，回到“亮度设定”状态下开始以设定的程式运行.

2 硬件设计与工作原理

2.1 系统结构设计

系统结构框图如图1所示，以单片机配合设计要求的电源开关键、功能选择键、增大(+)键、减小(-)键等4个操作键及对应指示“亮度设定”、“程式设定”工作方式指示灯、数码管显示等，其中单片机完成高亮LED恒流驱动的PWM方式控制、定时控制.而高亮LED恒流驱动电路则完成高亮LED阵列的电流供给，同时通过LED电流检测电路自动调整高亮LED阵列电流大小，实现高亮LED阵列所要求的恒流驱动要求[2].

图1 系统结构框图

2.2 硬件电路设计

硬件电路分为2个部分：第一部分为主控电路，由PIC16F627与PT4115组成，如图2所示；第二部分为高亮LED阵列电路，如图3所示.

图2 PIC16F627控制的PT4115驱动电路

在第一部分中，单片机采用Microchip Technology Inc.的单片机PIC16F627，其带有PWM工作模式[3].利用其PB口的高四位设置为输入方式，连接电源开关键、功能选择键、增大(+)键、减小(-)键等4个操作键，按键操作低电平有效；使用其PA口完成静态LED数码管的显示；通过其PIN⑨CCP1脚产生PWM信号送高亮LED阵列恒流驱动PT4115的PIN③DIM端，实现亮度控制与定时控制；其PIN⑦、⑧分别接到指示“亮度设定”、“程式设定”工作方式指示灯D1、D2，便于在按键操作时，配合数码管LED完成相应功能设置指示；PIN⑥外接蜂呜器，产生按键操作时的提示音.而高亮LED驱动电路选用华润矽威科技(上海)有限公司新推出的PT4115绿色照明LED灯驱动电路，电路采用其数据手册所介绍的典型电路[4-6]，其PIN①引脚所接L1、D3分别为续流电感、续流二极管，其作用为恒定高亮LED阵列的稳定电流；电流取样电阻R9将高亮LED阵列工作电流取样后送入PT4115的PIN④，由设定流过LED 的电流IF，R9=0.1/IF；1 W 的白光LED的标准工作电流应为350 mA，考虑到延长LED寿命和降低光衰、PT4115的电流驱动能力等，由图3 19个1 W高亮LED组成LED阵列，选设IF=1 A，则R9取0.1 Ω；PT4115 的开关频率采用抖频技术有效降低EMI，省略了抗EMI电路[4].由连接端J2连接高亮LED阵列电路；电阻R14、R15为将单片机PIC16F627输出电平转换为PT4115 DIM端电平的分压，可依电路实测调整其大小.图2中的U3 LM78L05部分为单片机PIC16F627提供+5 V工作电源.

在第二部分电路中，D1～D19为19只1 W高亮LED灯组成的四串五并组合阵列，R20～R24为各串间平衡电阻，可视需要调整其阻值大小；R1C2、R2C3、R3C5、R4C7为第一串LED组合的串内动态平衡网络，R5C1～R18C19同理；二极管D00～D03为代替最后一串LED组合中所减少的一只LED等效电路.

图3 19个1 W高亮LED组成的LED阵列

3 软件设计

3.1 PWM产生及调整、定时、电源开关功能

由PT4115数据手册技术要求，其DIM端通过PWM调光，LED的亮度是由PWM信号的占空比决定的.当PWM信号有25%占空比，LED的平均电流为(0.1/RS)的25%.建议设置PWM调光频率在100 Hz以上，以避免人的眼睛可以看到LED的闪烁.PWM调光比模拟调光的优势在于不改变LED的色度.PT4115调光频率最高可超过20 kHz[4].本电路中，因定时要求精准度不高，而PWM调光重点在于其占空比要求，因此单片机PIC16F627没有使用外接晶振，而是采用芯片内部自带4 MHz的RC振荡，将PWM信号周期通过程序设定在1 kHz左右，能够满足上述PT4115的调光要求.由如下程序段[7]实现单片机CCP1初始化设置：

/////ccp1初始设置

setup_ccp1(ccp_pwm); //将CCP1给PWM

setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,0xFF,1); //定时器2进行全计数

由设计要求中要求调光亮度分为9个等级，通过如下程序语句，改变其中的b值大小就可实现占空比大小调整：

set_pwm1_duty(b); //设定PWM信号占空比

在程序中，利用数学关系：b=b±90，由初始亮度设定为第5级时，对应b=632，而从第1级到第9级亮度对应的b值为272～992，由参考文献[7、8]知，对应占空比为：

在程序中定时设定功能采用软件延时产生一个10 ms的标准信号，为产生标准1 h、2 h时间段控制，分别通过2个变量c、e进行软件减计数完成.

若要关断LED阵列电源，只需将PWM信号停止，在PIC16F627的PIN○9CCP1脚输出低电平信号.

3.2 C程序中单片机配置字设定与全局数据定义

以下为在MPLAB IDE环境下，使用CSS公司的C语言编译器编写的C程序时的单片机配置字设定、全局数据定义及数码管显示段码表数组：

#include<16f627a.h>

#fuses=0x1F10 //设置使用片内振荡电路为系统时钟、上电延时等

#use delay(CLOCK=4000000) //设置片内振荡电路为4MHz

unsigned int a=5; //亮度等级初始级显示设定

unsigned long b=632; //占空比设定，初始设置在62%

unsigned long c=7200; //7200代表两小时运行设定值

unsigned long e=3600; //一小时运行设定值 3600

short PON; //电源开关标志位设置

short mod=1; //程式、亮度标志位设置

unsigned int d=1; //4个程式方式初值

int const LED_SEG[10]={0x80,0x0C,0x97,0x9E,0xCC,0xDA,0xDB,0x0E,0xDF,0xDE};

//数码管显示段码表

3.3 主函数

主函数是运行方式自动运行的主体.在其前段部分，分别完成单片机各引脚输入输出的初始设定；按键工作的中断条件允许；前3.1所述的PWM信号初始设置.对应该部分的C程序如下：

void main()

{ setup_comparator(NC_NC_NC_NC);

set_tris_a(0); //单片机PA口设为输出方式

set_tris_b(0xF0); //单片机PB口，高四位设为输入、低四位设为输出

port_b_pullups(TRUE); enable_interrupts(INT_RB); //中断允许

enable_interrupts(GLOBAL); setup_ccp1(ccp_pwm); //ccp1初始设置

setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,0xFF,1);

其后是依条件运行部分，这部分要依表1的要求分别实现4种程式功能，同时为方便使用，要求有按键操作时应有蜂鸣器发声等.对应该部分的实现程序如下，这里只给出在d=3时的运行方式部分，其他类似.

if(d==3) //判定是否是程式方式3

{ delay_ms(1000); //定时标下完成一小时的设定亮度HBLED工作

e--;

if(e==0) //一小时，计时满后，亮度递增一级

{ a++;b=b+90;

if(a==10) //判定是否到达最高亮度级，是则不在递增

{ a=9;b=992;e=3600;} //重置e值为3600

而在PON=0时，将单片机的PWM输出停止并置于睡眠状态，显示设置为待机状态.

{ output_A(LED_SEG[0]);set_pwm1_duty(0);output_bit(PIN_B1,1);

output_bit(PIN_B2,1);output_bit(PIN_B0,0);sleep();}

3.4 按键操作函数

按键操作函数为单片机PB口高四位操作识别处理的中断函数，分别有PIN_B7对应的电源开关键(在开操作时，重新初始化全局数据)；PIN_B6对应的程式、亮度标志交换选择；PIN_B5对应的程式、亮度数增；PIN_B4对应的程式、亮度数减操作.对应简化的C程序如下：

void isr_cos()

{ if(!input(PIN_B7))

{ PON=～PON;

if(PON==1) //如重新开启PWM到PT4115

{…… ；} //省略重置a、b、c、d、e、mod、PON部分内程序内容

}

if((!input(PIN_B6))&&(PON==1)) //若在开启PWM后在PIN_B6按键操作

{ mod=～mod;} //程式、亮度标志交换选择

if((mod==0)&&(PON==1)) //若在开启PWM，且为程式选择下

{ output_bit(PIN_B1,1);output_bit(PIN_B2,0); //置对应指示灯

if(!input(PIN_B5)) //若有加操作，d值加1，最大到4

……； //省略，同理在PIN_B4有减操作时，d值减1，最小到1

output_A(LED_SEG[d]);} //数码管显示所选程式功能号

if((mod==1&&(PON==1))) //若为开启PWM，且为亮度选择下

{ ……… //此处省略加减操作部分，原理同前程式选择

output_A(LED_SEG[a]);}} //数码管显示所选亮度级

4 测试结果

对上述电路与程序的验证采用实物与在PROTEUS ISIS仿真环境下测试，分别用PROTEUS下的VSM示波器与实物波形测试其PWM波形.如图4、图5为分别在“亮度设定”第1级、第9级所测的波形.

图4 最低亮度下PWM仿真波形 图5 最高亮度下PWM仿真波形

从波形上可以看出其占空比与设计内容是一致的.在实物测试上，通过操作键：电源开关键、功能选择键、增大(+)键、减小(-)键等电路均正常完成相应“亮度设定”、“程式设置”、功能切换等功能，高亮度LED阵列的亮度变化范围等都很好的达到了设计要求，同时实现了前述表1中的各项程式方式运行要求.

参考文献

[1] 孙宏亮，杨晓光.LED照明设计与选型若干问题的探讨[J].电气应用，2009，12：14-17 .

[2] 陈 琍, 贾沛德.医用手术灯微机控制系统设计[J].微型电脑应用，2009，7：17-18.

[3] PIC16F627A/628A/648A data Manual[Z].Microchip Technology Inc，2005.

[4] PT4115-EN-BRIEF[Z].Crpowtech (Shanghai) Co.,Ltd,2007.

[5] 王志远，霍彦明，谭俊庭.LED灯具智能驱动系统设计[J].灯与照明，2010，1：25-28.

[6] 郑久云，韩志刚，罗胜钦.白光LED的应用与驱动[J].现代显示，2009，8：43-46.

[7] [日]后闲哲也.PIC单片机C程序设计与实践[M].常晓明译.北京：北京航空航天大学出版社，2008：293-303.

[8] 江 和.PIC16系列单片机C程序设计与PROTEUS仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：137-153.