基于单片机和Android系统的智能LED光闪烁系统的设计和实现

齐成玺 曹玉柱 郑旭媛 刘迢迢

摘  要： 神经科学领域利用一定频率的闪光刺激调控阿尔茨海默病（AD）模型动物的Aβ淀粉样蛋白沉积。因此，频率可调的LED光源在AD的发病机制和神经调控中有很好的应用。文中根据频率可调的需求，设计基于Android的频率可调LED光源。使用Android客户端，通过蓝牙模块与底层MCU SRC89C52进行通信，底层MCU负责执行命令，控制LED驱动电路的开关，实现LED的频率可调控制。实验结果表明，该装置具有成本低、操作简单等特点。

关键词： LED光源; 频率调节; 单片机; Android; 无线通信; 结果分析

中图分类号： TN911?34                            文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）06?0030?04

Design and implementation of intelligent LED light scintillation system based on singlechip and Android system

QI Chengxi， CAO Yuzhu， ZHENG Xuyuan， LIU Tiaotiao

（College of Biomedical Engineering and Technology， Tianjin Medical University， Tianjin 300070， China）

Abstract： In the field of neuroscience， a flash stimulation with certain frequency is used to regulate and control the Aβ?amyloid deposition in Alzheimer's disease （AD） model animals. Therefore， the LED light source with adjustable frequency has a good application in the pathogenesis and neural regulation of AD. A frequency?adjustable LED light source based on Android is designed according to the requirements of adjustable frequency. Android client is used to communicate with the bottom MCU src89c52 through Bluetooth module. The bottom MCU is responsible for executing the command， controling the switch of LED driver circuit， and realizing the adjustable control of frequency of LED. The experimental results show that the device has some advantages of low cost and simple operation.

Keywords： LED light source; frequency adjustment; singlechip; Android; wireless communication; result analysis

0  引  言

阿爾茨海默病（Alzheimer disease，AD）的主要病因是大脑β?淀粉样蛋白异常沉积，β?淀粉样蛋白沉积形成的神经炎性斑块和 Tau蛋白过度磷酸化形成的神经原纤维缠结（Neurofibrillary tangles，NFTs），最终表现为皮质的持续皱缩以及海马等脑区神经元的大量丢失[1]。大脑神经元网络同步激活时，会产生神经振荡， 其中gamma振荡（30～90 Hz）是大脑普遍存在的神经电活动，与感觉和感知、信息存储和提取、编码等认知过程密切相关，特别是在学习和记忆中起了重要的作用。研究发现AD患者的自发gamma节律同步性和多种AD转基因小鼠模型中局部场电位gamma频段的功率降低[2]。 Iaccarino等人指出gamma振荡下降后，β?淀粉样蛋白累积形成斑块，导致其认知能力的衰退[3]。利用光遗传技术刺激AD模型小鼠海马区内的神经元产生gamma振荡，导致小胶质细胞形态转变为吞噬状态，小胶质细胞是一种免疫细胞，可以清除脑内β?淀粉样蛋白。Singer等人研究发现40 Hz闪烁灯光也可产生上述效果[4]。

LED光源与人们生活息息相关。光在人们的日常生活中发挥着重要的作用，其对动植物的形态形成、生理代谢和生长发育有着重要的调节作用[5]。LED发光二极管是一种能够将电能转换为可见光的固态半导体器件，其核心是一个由两部分组成的半导体的晶片：一部分是空穴占主导地位的P型导体;另一部分是电子占主导地位的N型导体，当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，从而形成光[6]。LED灯不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220 V的交流市电，它需要恒流驱动。LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源，同时按照LED器件的要求完成与LED的电压和电流的匹配[7]。

本文采用C语言开发了一款基于Android系统的可控制LED光源频率客户端。通过蓝牙模块与底层MCU SRC89C52进行通信，底层MCU负责执行命令，利用PWM波控制LED驱动电路的开关，从而实现LED的频率可调控制，实现非侵入性地降低AD模型小鼠海马β?淀粉样蛋白的浓度和沉积。该装置具有成本低、操作简单等特点，在AD发病机制和神经调控方面，具有广阔的应用前景。

1  基于Andriod的频率可调LED光源的系统设计

1.1  系统硬件设计

频率可调LED光源的硬件系统包括电源系统（数字电源和LED驱动电路）、单片机系统和通信模块，其组成框图如图1所示。

1.1.1  LED基板

LED基板模块包括LED阵列。根据LED的参数特性，采用12 V电源给LED供电，LED采用串联的形式布局，如图2所示。由图2可知，OUT1接LED驱动控制电路的控制输出端。

1.1.2  STC89C52单片机控制系统

本系统选用STC89C52单片机作为控制系统。STC89C52是STC公司生产的使用经典的MCS?51内核的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 KB系统可编程FLASH存储器、512 B数字存储器、看门狗电路、内置4 KB E2PROM和4个外部中断，全双工串行口[8]。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35 MHz。采用11.059 2 MHz的无源晶振，为了使晶振稳定，靠近晶振的两个引脚对地放置了22 pF电容。该单片机外围电路简单，且技术成熟可靠，降低了成本，增加了可靠性，其电路图如图3所示。由图3可知，STC89C52单片机最小控制系统由STC89C52、RC复位电路和外部晶振组成。

1.1.3  通信电路

本控制系统可以与手机进行实时通信。单片机与手机通信采用蓝牙无线通信模块，LED光源的频率可以通过手机Andriod客户端进行实时设定和监控底层单片机的工作。由于系统无线传输的数据量较少，蓝牙模块与主机通信采用串口的方式，通信速率为9 600 b/s。蓝牙是一个开放性的无线通信模式，虽然通信距离较短，但是方便快捷、应用广泛和低成本，其设计电路图如图4所示。由图4可知，蓝牙最小系统包括指示灯、外部按键清除记忆、状态控制脚和通信引脚。由于蓝牙模块供电是3.3 V电平，而单片机STC89C52是5 V供电，两者的收发引脚需要进行电压匹配。

1.1.4  系统电源电路

系统电源电路包括LED灯的频率控制电路和系统工作电源电路。本控制系统采用外部12 V电源输入，通过线性稳压源LM7805将12 V转换为5 V给单片机STC89C52进行供电，同时，使用AMS1117?3.3线性稳压源给蓝牙模块进行供电。其设计电路分别如图5和图6所示。

由图5可知，为了方便调试和电源识别故障，对12 V，5 V和3.3 V供电都增加了显示灯功能。由图6可知，LED灯的频率控制电路采用低压控制高压模式，采用NMOS管作低端驱动，PMOS管作高端控制。当CON输出高电平时，Q2导通，Q1 G脚被拉低，LED有电流通过，LED亮起。同理，当CON输出低电平时，Q2不导通，Q1 G脚被上拉，LED没有电流通过，LED灯不亮。

1.2  底层单片机嵌入式软件设计

系统底层单片机嵌入式程序采用由第三方开发的IAR嵌入式工作平台。IAR Embedded Workbench（EW）是一种用于开发应用各种不同目标处理器的灵活的集成环境，简单易学，它提供一个方便地窗口界面用于迅速的开发调试[9]。EW包括了嵌入式C/C++优化编译器、汇编器、连接定位器、库管理员、编辑器、项目管理器和C?SPY调试器。使用IAR的编译器最优化最紧凑的代码，节省硬件资源，缩短开发时间。

底层单片机软件的好坏对系统有很大的影响。为了保证系统的稳定性、可编辑性和长期可靠性，软件设计采用模块化设计思路，整个软件系统由以下几个子模块组成：主程序模块、LED频率控制模块、存储模块和通信模块，各个模块单独完成各自的功能，分别由主模块调用。

主程序框图是程序的总体思路，软件主程序流程图由图7所示。由图7可知，系统首先进行初始化，进行系统参数的设置和读取。其中LED频率控制模块I/O引脚初始化低，通信模块初始化通信参数波特率为9 600 kb/s，蓝牙模块的STATE引脚配置为高电平，并与蓝牙模块进行连接通信。为了增加程序的可维护性，给各个状态设定特定的返回值，Android端可以通过返回值，进行故障识别。软件采用无线中断的形式，进行数据的接受和发送。在获取到Andriod端的命令之后， 要先对其进行地址识别，正确的地址才进行命令接受和解析。当命令解析完以后，根据Andriod命令请求调用相对应的模块，LED光源的频率控制采用引脚脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）波控制LED灯电源使能。STC89C52内部具有三个14位的定时器，程序可以调用内部的定时器参数PWM波，从而实现频率的控制。

1.3  Andriod客户端软件设计

Andriod客户端是本系统的重要组成部分，它具有设置和显示的功能，用户可以通过客户端对LED光源的频率进行设置。Andriod客户端采用Java语言编写，界面友好、易于操作。使用手机自带的蓝牙模块与底板蓝牙进行通信连接，实现与LED光源系统的无线连接[10]。利用现有的成熟的蓝牙通信协议，减少了设计难度，增加了设计可行性。在数据发送格式上采用先发送指令，在发送数据的编排方式，通过给LED光源不同的参数设置不同的指令码，数据通过蓝牙传到单片机以后，由单片机串口中斷进行数据解析，然后执行命令，并上传返回值。软件上设置不同状态的返回值，调试时通过返回值可以很快识别故障。

2  结果与分析

搭建平台以后，在Andriod客户端设置1～100 Hz范围内不同的LED光源频率和占空比，示波器查看单片机输出引脚的PWM波频率和占空比与设置值均相对应，LED光源的频率也与设置值相对应。

客户端使用时先点击“打开蓝牙”和“开始扫描”，单片机和手机连接起来，此时LED光源闪烁频率为40 Hz，在此基础上，通过“增频”和“降频”按钮调节闪烁频率（10～100 Hz）。使用完后，点击“关闭扫描”和“关闭蓝牙”，单片机和手机连接断开，LED光源停止闪烁。客户端操作界面如图8所示。

3  结  语

本文首先介绍了诱导gamma振荡调控AD和LED光源的频率重要性，然后利用Andriod客户端通过蓝牙与底层单片机STC89C52进行通信，单片机STC89C52利用内部计时产生相对应的PWM波频率和占空比来控制LED驱动电路的使能，从而实现了低成本、高可靠的基于Andriod的频率可调的LED光源系统。

注：本文通讯作者为刘迢迢。

参考文献

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