数控式LED高速频闪仪的设计与实现

李泽深，王 悦，刘 维

（首都师范大学a.信息工程学院；b.物理系，北京100048）

数控式LED高速频闪仪的设计与实现

李泽深a，王 悦b，刘 维b

（首都师范大学a.信息工程学院；b.物理系，北京100048）

频闪仪的工作环境给光源提出了响应速度快、亮度高、余辉短的苛刻条件，使得选择光源和设计其驱动电路变得困难，也因此限制了频闪法物理研究方法在教学中的普及.本文论证了以大功率白光LED为光源制作教学用频闪仪的可行性，使用STC89C52单片机作为中央控制器的频闪仪，实现了频率的数字化产生和控制.设计制作的频闪仪频率范围是1～100Hz，步进1Hz，频率误差小于±0.2Hz，总光通量700lm，能够满足教学和一般科研需要.

白光LED；MCS－51单片机；频闪照相

1 引 言

对于高速运动的物体，人们很难直接判断其运动状态或揭示其运动规律，频闪仪所提供的频闪光源可以有效解决这一问题.它可以发出特定频率的闪光，研究者可以在这种光源下用照相等方式获得物体在等时间间隔内的位移规律，判断物体运动情况.频闪法可以用于物理实验，在中学教学中，常用于研究自由落体运动、匀变速直线运动、平抛运动等物体运动形式.

对于高速转动的物体，其转速与频闪光源同步时，由于视觉暂留，使得物体看上去相对静止.这种方法可以进行非接触的转速测量［1］.

对于频闪设备，精确、稳定的频率和优质的光源是核心.传统的频闪仪采用气体放电灯，光源昂贵、驱动复杂且难于维护，大大限制了其应用范围，若采用新兴的大功率白光LED，可以减小体积、降低成本、简化电路，有利于它在日常教学和科研中的应用.

2 白光LED及其频闪特性

发光二极管（LED）具有发光电压低、体积小、光效高、寿命长、响应速度快等特点.它的响应速度可以达到μs量级，其发光“惯性”明显小于其他光源，这使得它可以在高频脉动电流的驱动下闪烁，是频闪仪光源的良好选择.

目前大量应用的白光LED的发光原理都是采用蓝光LED激发黄光荧光粉YAG∶Ce来获得白色光输出［2］.本文对该发光二极管的频闪特性做了简单测试.测试原理如图1所示.该测试使用固定频率的脉冲发生器驱动LED，使其在额定条件下闪烁，而在正对LED位置使用了光电传感器采集光强信号，并利用示波器2个通道分别对LED的电流和发光强度采样及对比分析.

图1 测试原理框图

根据图1所示的方法［2］，测试LED的频闪特性结果如图2所示.示波器通道1显示LED电流变化，通道2显示来自光电传感器的光强变化信号.测试所使用的脉冲信号频率为1kHz，远大于频闪仪100Hz的设计工作频率.从图2可知，对于每个脉冲边沿，LED不仅能够在极短时间内响应，而且光强稳定性较高，白光LED的频闪特性满足频闪仪的设计要求，它可以在频闪仪中作为光源使用.

图2 LED响应波形图

3 频闪仪的电路设计

本频闪仪在电路设计上分为数字脉冲发生器、交互面板、前级驱动器、功率驱动器和大功率白光LED 5个电路模块，使用STC89C52单片机作中央控制，其电路框图如图3所示.

图3 电路原理框图

鉴于本设计对频率精度要求不高，故频率显示采用两位独立数码管，占用单片机14个输入输出端口.交互按键控制单片机用于调节频闪频率的大小.

单片机（微控制器）是本电路的核心，承担脉冲输出、频率显示与调节的工作.使用单片机进行脉冲发生和频率控制，可使频率的控制精度大大提高，且易于频率数值的准确显示和步进调节.

前级驱动电路连接单片机的脉冲输出端和功率驱动器，具有初级放大和隔离保护的功能.它受单片机控制，为功率驱动器输入端提供足够的电流，以使得功率驱动器能够正常工作.在出现线路短路等意外情况时，该电路可以保证单片机不会因过载或电流反向而损坏.在电路设计上，该级利用集成运算放大器接成电压跟随器或CMOS反相器，保证前级驱动可以在输出定幅脉冲的同时，有相对较大的电流输出能力.

功率驱动电路的设计既要适应不同电源，又要符合所选用的LED电气特性的要求.本电路中，使用大功率三极管BD243C作为核心元件，使用共发射极接法，三极管基极通过基极电阻连接到前级驱动器的输出端，根据电源电压和LED参量调节基极电阻，以调节基极电流，保证LED有足够的电流激励，并且有效控制激励电流不致过流烧毁LED.

LED元件要与设计的功率驱动器相匹配，该电路选用的白光LED的参量如下：电压为3.4～3.6V，输入电流为350mA，光通量为110～120lm.选用6只上述参量的发光二极管，其电功率为18W，光通量约为700lm.相比以气体放电灯为光源的传统频闪灯而言，使用该大功率LED可有效缩小电路体积、延长寿命，且LED发光元件的光效较高（上述LED光效约为40lm／W），可有效降低能耗.

为简化电源，LED供电与单片机使用同一电源供电，为兼顾单片机工作，通常为5V.这使得LED模块的供电电流非常大，给功率驱动电路的设计制造带来困难.这时可以将6只发光二极管分为2组单独驱动，以降低设计难度，并且易于扩展.当需要继续增加光源时，只需要再从单片机脉冲输出端口连接驱动电路即可.

4 频闪仪的程序设计

本电路中，程序用于控制单片机输出脉冲、显示频率和调节脉冲频率.利用2个按键控制单片机2个中断加、减脉冲频率，在I／O口向数码管输出频率显示，指定1个以上的I／O口用于输出脉冲信号.整个程序流程如图4所示.

图4 程序流程图

主函数开始先声明变量、启用中断，在声明变量时设置频率初始值.单片机读取频率变量的值并显示在数码管上，然后进入脉冲发生程序.自此单片机不断在脉冲产生和频率显示中循环.由于单片机I／O接口具有输出锁存功能，所以单片机在输出脉冲时数码管仍然会保持点亮，不会闪烁.电路采用12MHz时钟晶振，即机器周期为1μs，整个频率显示程序执行过程所需要的时间也在μs量级，而设计的频闪频率通常在100Hz以下，即产生的脉冲周期通常在10ms以上，频率显示程序的执行时间小于脉冲周期的1／100.由此可见，用于执行频率显示程序的时间消耗对脉冲频率精度的影响极小.

当通过按键增减频闪频率时，会进入相应中断程序，加减频率变量的数值.新的数值将会在下一次循环中使用.新的循环开始后单片机将新数值显示在数码管上，并调整脉冲频率.实际应用中，电路通常采用较高频率的时钟晶振，机器周期较短，使得执行一次循环所需要的时间很短，这也缩短了从按下按键到输出频率改变之间的时间差.在实际调整中，该时间差不会被察觉.

程序设计中，设置合适的脉冲占空比可有效提高频闪照片质量.占空比设置过小，会导致总光通量降低，使得相机曝光量过低，不能清晰拍摄目标物体.占空比过高，光源点亮时间过长，可能导致高速运动的物体出现“拖尾”现象，不便于分析物体运动规律.在设计程序时，可通过设定输出高低电平的时间比例改变占空比.实验得出，对于大功率白光LED，占空比应小于20%.

5 拍摄实验

本文制作的频闪仪可用于自由落体运动、平抛运动、圆周运动、机械能守恒定律、动量守恒定律和简谐振动等运动的定性和定量的实验探究.进行拍摄实验需要有照相机、频闪仪、运动演示实验仪等器材.日常教学和实验中，所使用的照相机、实验仪器的不同，使得在进行某个实验时频闪仪、运动实验仪器和照相机三者相互独立，无法构建一个同步的触发机构，给实验带来一定困难.这时需要充分发挥设备功能，合理安排设备启动顺序.在无法建立同步触发机构时，可以参照以下思路完成实验.

摆放设备，调整设备间距离使频闪仪的灯光能够照亮运动实验仪的实验区域，并且频闪仪的灯光可以作为主光源.选取合适的照相机位置使得物体运动的全程在照相机采集范围之内.根据对物体运动全程时间的估算设定曝光时间.按照频闪仪→照相机→运动物体的顺序启动设备进行拍摄.

图5所示是以教学用自由落体／平抛实验仪为支架进行自由落体实验时的频闪相片.图左侧频闪仪闪烁频率为50Hz，图右侧为70Hz.

图5 拍摄效果

2张照片均能够清晰地反映出自由落体运动的运动轨迹以及不同时刻物体位置.在实际教学中可以根据这些频闪照片对物体运动规律或其他定律进行定量分析.

6 结束语

使用STC89C52单片机作为中心控制器的频闪仪，实现了频率的数字化产生和控制，可以搭载数字显示元件，频率显示直观明确.相对于LC振荡频率产生器，单片机的数字频率产生方法使频率更准确，范围也大大加宽，本文设计的频闪仪性能为：频率范围1～100Hz，步进1Hz，频率误差小于±0.2Hz；总光通量700lm.使用大功率LED替代传统的气体放电灯，可以降低成本、缩小体积、延长机器寿命.这有利于频闪仪在教育实验中的普及，学生可以直观地观察到物体运动的频闪影像，既有利于教学的顺利进行，又能够推进实践教学.

［1］ 余冰衷.用频闪法测量转速的方法探讨［J］.计量与测试技术，2001，28（6）：17.

［2］ 杨光.基于不同驱动条件下白光LED照明频闪问题的研究［J］.照明工程学报，2011，22（6）：8－14.

［3］ 卢秀梅，倪玉军.自由落体运动规律演示仪［J］.教学仪器与实验，2008，24（2）：35.

［4］ 聂剑军，徐月清，聂晶.发光二极管（LED）频闪灯［J］.物理教学探讨，2011，29（5）：53－55.

［5］ 轧之英.高速频闪照相技术在自由落体演示实验中的应用研究［J］.实验室科学，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

［责任编辑：尹冬梅］

“第7届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2012－05－26

首都师范大学2012年工科基地项目和2011年实验室开放基金项目（No.G110101）

李泽深（1991－），男，北京人，首都师范大学信息工程学院计算机科学与技术（师范）专业2009级本科生.

导师简介：刘 维（1965－），女，北京人，首都师范大学物理系副教授，博士，主要从事应用光学方面的研究.