温控触摸型LED工业X射线观片灯

郑国恒 颜小飞 黄新超

(1.郑州大学物理工程学院河南郑州 450001;2.郑州德隆检测设备有限公司河南郑州 450004)

1 引言

无损检测行业中应用最广泛的是射线检测方法，而观片灯则是射线检测中最常用的设备之一［1］。传统的观片灯有最致命的两个缺点是:一个是光线亮度不能满足GB/T 19803—2005标准中对应黑度为4.5时的要求;一个调光方法采用关闭部分观片灯灯管，因而无法满足标准中所规定的散射系数和均匀系 (g＞0.5)的要求［2］。随着LED产业化进程和技术的深化，LED观片灯以发光亮度高、寿命长、节能环保、抗震性好等优势，已成为工业观片灯发展的必然趋势［3］。

针对目前检测用观片灯存在的问题，对此我们研制开发了一种带温度控制的触摸型LED工业X射线观片灯，其不仅要满足对各种曝光条件和密度级别的底片观片和评片的需要，而且还具有光强记忆、节能、操作方便等特点，因此被广泛应用。

2 基本原理

目前的LED调光技术主要有模拟调光、PWM(脉宽调制)调光这两种。模拟调光就是通过不断调整LED正向电流的大小来调节LED的亮度，但有系统功耗大和色偏的缺点［4］。PWM是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量［5］。PWM调光技术较之模拟调光，具有以下几个优点: (1)不会产生色偏现象，因为PWM调光是保持LED的正向电流恒定，所以不会像模拟调光一样会变化。(2)调光精确度高，因为脉冲波形能控制很高的精度。(3)在大范围内调光，不会发生闪烁，因为工作频率高且不会改变恒流源的工作条件。为保证负载LED的发光质量，所以本设计LED的调光方式选择PWM调光。

3 设计思想

3.1 设计方案

首先确定LED的个数及其排布方式，然后确定开关电源驱动电路拓扑结构，接着选择开关电源的调光方式。根据脉冲宽度调制原理，通过单片机产生可调占空比的PWM波输出信号，用该PWM信号控制LED驱动芯片调节LED上的平均工作电流，用PWM信号占空比的改变来调节LED的亮度。

3.2 组成结构

该触摸型高亮度LED工业X射线观片灯由LED灯阵列、主控制板、触摸板、脚踏开关、温度测控装置五部分组成。LED阵列是观片灯光源，以提供高亮度的白光;主控板主要是驱动LED阵列以及控制LED调光还有工作模式的切换;触摸板和脚踏开关是人机交互部分，主要是作为工作模式切换输入以及调光输入;温度测控装置由温度传感器DS18B20测量LED散热片温度，根据不同温度控制风扇的转速。

3.3 技术指标

(1)供电电压:24V

(2)最大电流:4.4A

(4)最大功率:105.6W

4 硬件设计

4.1 整机框图及工作原理

整机方框图如图1所示，工作原理如下:开机时，控制LED调光的PWM，占空比固定，此时不可调光;当触摸手动按键时进入手动工作模式占空比变为55%，此时可以触摸UP和DOWN按键调节LED光强，当再次触摸手动按键时占空比固定回到初始设定值且光强固定，当第二次进入手动工作模式时光强回到上次设定值;当踩动脚踏开关时进入脚踏模式，脚踏模式优先级最高，只要脚踏立即进入脚踏模式，此时占空比变为55%，可以触摸UP和DOWN按键调节LED光强，当脚踏松开时占空比回到初始设定值光强固定，当第二次进入脚踏模式时光强回到上次设定值;在整个工作过程中隔一段时间采集一次LED散热片的温度，当温度高于设定值时散热风扇开始转动，温度每升高一个间隔风扇转速提高一个级次，直到风扇全速运转，当温度降低时，风扇转速下降，直到不转为止;重新开机后如此反复工作。

图1 整机方框图

4.2 单元电路设计

4.2.1 LED阵列排布

为满足GB/T 19803—2005标准中对应黑度大于4.5，均匀系数大于0.5的要求，设计中采用深圳红绿蓝光电科技有限公司生产的高效率发光二极管STPB2-3630DB-G3-L。该型LED正向电流为150mA，消耗功率为500mW，正常工作温度在－20℃到80℃之间［6］。几百个LED排列在线路板上，如何串并联来保证电路易控制、稳定性可靠、耗能低，且万一有LED损坏又不会对底片评定质量造成影响成为了关键。鉴于3630DB型号LED的特性及参数，本设计共采用120个 LED，分为4组，每组都由一个PT4115驱动，每组为30个LED，由6个LED串联，5串LED并联。为了提高可靠性，每一组LED增加了五条线，最终LED的排列方式如图2所示。

图2 LED阵列排布

4.2.2 驱动部分

大功率LED驱动常见的有电阻限流、专用芯片等方式，而电阻限流方式能量消耗大，不能达到节能的目的，而且传统的驱动方式中LED的输出波长随着LED驱动电流变化而变化，这样在不同输出光强度下，LED排列模块的色温不一。因此本设计选用BUCK式专用驱动芯片来驱动大量LED阵列。

PT4115由国内LED驱动领先的华润矽威科技(上海)有限公司新推出，是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，可用于驱动一颗或多颗串联LED。PT4115输入电压范围从6V到30 V，最大可达1.2 A。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态，具有 LED 开路保护［7］［8］。LED 阵列驱动电路，共四路，每一路驱动一组LED阵列，共驱动120个LED，如图3所示。

式中：∀a∈A，∀b∈B，∀c∈C；A、B、C分别为εXOZ、ΔεXOZ、ΔPXOZ-1的论域。μAi(a)、μBj(b)、μCij(c)分别为元素a、b、c在论域Ai、Bj、Cij中的隶属度。

每一个pt4115输出的平均电流:

图3 LED阵列驱动电路

Rs为采样电阻。本设计采样电阻为1/11欧，故每一路输出为1.1A，所以四路输出最大电流为4.4A。

4.2.3 控制部分

控制系统选用STC12C5410AD作为主控芯片，5V电源供电，时钟选择8MHz，内部Max810专用复位电路，用仿真器调试，专用下载器下载。控制芯片输出两路PWM波，一路控制LED驱动芯片调光，一路控制风扇的通断调速。如图4所示。

图4 主控制系统

4.2.4 触摸按键部分

本设计中共有四个按键，分别为UP、DOWN、HAND、FOOT，如图5所示，其中前三个键都通过电容触摸按键实现，FOOT键外接按键的方式。UP键和DOWN键用来调节LED观片灯的亮度，UP键提高PWM信号的占空比，而DOWN键而减小PWM信号的占空比;而HAND键和FOOT键分别为观片灯的手控模式按键和脚踏模式按键。

触摸输入方式已经在许多的领域得到了应用，例如手机触摸屏、MP3触摸滑条、抽油烟机触摸按键等。根据采用触摸传感器类型的不同，触摸输入方式可以分为电阻式、电波式 (如表面声波)、光学式 (红外线)、电感式、电容式和电磁式等几种类型。与传统的机械式按键相比，电容式触摸感应按键美观、寿命长，因此本设计采用电容触摸输入。触摸调光的优点:可以快速的实现调光，不用像用电位器那样调光慢，克服电位器易坏的缺点，经久耐用［9］。

触摸按键即是一个焊盘，与地构成一个感应电容，在周围环境不变的情况下电容值固定为微小值，具有固定的充放电时间，而当有一个导体向电极靠近时，会形成耦合电容，这样就会改变固有的充放电时间，而手指就是这样的导体。通过测量充放电时间的改变即可检测是否有按键被按下。充放电时间的计算公式如下:

图5 触摸按键电路

式中，t、R、C分别为充放电时间、电阻值、电容值;V1为充放电终止电压值;V2为充放电起始电压值;Vt为充放电t时刻电容上的电压值。首先，开关在断开的状态下按键被上拉电阻拉高，电势为5V，这时开关闭合开始对按键充电，等充满电稳定后再断开开关，这时按键开始放电，并用定时器记录这段放电时间为t1，反复该过程。当有手指触碰按键时，放电时间会改变为t2，由此即可判断出手指是否触摸到该按键［10］。

4.2.5 散热部分 (见图6)

图6 温度测控电路

LED为冷光源，怕热，有80%之多的电能转化为热能，必须有散热措施，虽然LED发光技术已有飞跃发展，有每瓦发光200lm的报道，但LED散热却是LED灯中非常头痛，但仍还没得到有效解决的办法。因此散热技术也是一个关键的技术之一，该设计主要的散热技术有:①PCB布线措施:尽可能加大焊盘的尺寸;走线允许的情况下用较宽的线;在LED散热端外加走线，加大散热面积。②铝基板散热片。③温控系统:采用DS18B20检测温度，当LED阵列温度较低时，控制风扇不转，当温度达到设定值，PWM调整占空比进而控制风扇转速。

4.2.6 电源部分 (见图7)

系统由外部提供24V直流电源，经LM2576后得到5V电源，其中24V给驱动电路和散热风扇供电，5V给单片机STC12C5410AD、触摸芯片ST04D和温度传感器DS18B20供电。

图7 系统电源

5 软件设计

5.1 主流程图 (见图8)

图8 整机工作流程

开机后首先系统初始化，包括时钟、看门狗、中断、IO口、定时器等，此时输出固定占空的PWM波;然后进入按键扫描程序检测是否有按键按下;接着判断是否是脚踏模式，如是脚踏模式则设定PWM占空比为55%，如果不是则判断是否是手动模式，如果不是手动模式则保持PWM为初始占空比，若是手动模式则设定PWM占空比为55%;接着判断UP、DOWN是否按下如果UP按下则增大占空比，如果是DOWN则减小占空比;最后在返回按键扫描处，如此反复工作。在整个工作过程中设定一定间隔的定时，定时时间到则采集DS18B20温度，然后调节风扇的转速，达到控制散热片温度的目的。

5.2 子流程

5.2.1 模式切换及LED调光(见图9)

图9 调光流程

模式切换采用中断方式，Hand和Foot是下降沿触发。脚踏优先级最高，在手动模式下，一旦脚踏，立即进入脚踏模式。调光UP和DOWN采用扫描查询方式，当手动按下时，LED观片灯亮度可以调节，脚踏无效;当手动没按下，脚踏按下时，LED观片灯亮度可正常调节 (可加入一个预设亮度);当手动没按下，脚踏也没按下时，LED观片灯亮度不可调节，回到一个预设低亮度。

5.2.2 温度调控 (见图10)

图10 DS18B20读取数据流程

温度测量和风扇控制采用中断方式，设定一定的时间，定时时间到达进入中断，采集温度，然后按照预定的调速方案进行风扇转速调节。设置几个固定占空比的PWM信号及与之相对应的温度范围，在温度传感器读出检测温度后，判断该检测温度是在哪个温度范围内，并开启该温度范围对应的PWM信号输出，该信号输出作为风扇 (控温部分)的控制信号，占空比越大，则对应风扇的转速越大 (见图11)。

图11中A、B、C都为预先设定的温度值，且A＜B＜C，而X、Y为预设PWM占空比。

6 结论

图11 温度测控流程

触摸型LED观片灯与传统观片灯相比有亮度高，调光方便快捷，经久耐用，并且为满足使用者的习惯，设置有脚踏工作模式和手动工作模式，温度自动调控，以及光强记忆功能，从而方便了广大使用者。随着触摸技术和LED技术的不断发展，相信该类型的产品性能会更加优越，应用会更加广泛。

［1］徐富民，冯洪刚.IDL系列智能调光式工业射线底片观片灯的研制 ［J］，无损探伤2006，30(4):24.

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［3］郑春蕊.我国LED产业发展现状及前景展望 ［J］.产业与科技论坛，2008，7(11):79～80.

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［6］STPB2-3630DB-G3-L datasheet.

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［8］陈雷，赵艳军.基于PT4115的大功率LED恒流驱动的设计 ［J］，灯与照明，2008，32(4):31～34.

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［11］秦彪.详解实现LED照明灯模块标准化技术方案，半导体照明网.