基于PWM的LED机器视觉光源技术的研究优秀毕业论文.pdf

国内图书分类号：th741.8 学校代码：10213 国际图书分类号：681.7 密级：公开 硕士学位论文 基基于于 p pwwmm 的的 l le ed d 机机器器视视觉觉光光源源技技术术 的的研研究究 硕 士 研 究 生： 赵 媛 导师： 张 琢教授 申请学位级别： 工学硕士 学科： 仪器科学与技术 所 在 单 位：电气工程及自动化 答 辩 日 期： 2009 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tp741.8 u.d.c.: 681.7 dissertation for the master degree in engineering research on machine vision of led light source technology based on pulse width modulation candidate： zhao yuan supervisor： prof. zhang zhuo academic degree applied for： master of engineering specialty： instrumentation science and technology affiliation： school of automation testing and control date of defence： june, 2009 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -i- 摘 要 led 具有环保、寿命长、低功耗等特性，近年来在机器视觉领域快速 地应用和发展，led 驱动电路的研究和设计也成为关注的焦点。本课题设 计主要应用于神光 iii 原型装置靶场光电及控制系统中，监测仪和传感器的 ccd 用作在线观测靶场、摄取图像并进行图像处理，现场光线强弱对图像 的分析和处理具有十分重要的作用，为此实验设计了绿光（波长在 525nm 左右）led 照明光源系统，通过调节照明系统光强可以灵活改变图像的亮 度和对比度。 本课题根据靶场内监测仪和传感器的光学系统照明需求，制定了光源的 设计指标，如工作距范围、照明区域和 led 的倾斜角度等参数，提出了碗 型圆周阵列排布的光源设计方案，利用 matlab 软件进行图像处理和理论计 算，借助 tracepro 光学软件分析光源照度分布特点，设计电路并搭建光 路，并对光源设计进行合理性验证。同时通过研究脉冲宽度调制（pulse width modulation, pwm）技术的实现原理，由此设计基于脉冲宽度调制的 led 电源驱动器，编写 verilog 语言并运用 modelsim 和 ise 软件进行程序 的仿真和综合，实现光源的手动调节方式；规定 pc 机与单片机的通信协 议，pc 机通过 rs-232 总线与单片机实现异步全双工的数据收发模式，利 用现场可编程逻辑器件（field programmable logic array, fpga）实现程控 方式自动调节照明光源的光强。通过上述方法改善神光 iii 原型装置靶场光 电及控制系统中监测仪和传感器的 ccd 光照环境，提高图像品质，为图像 处理后数据的可靠性和准确性提供良好的保障。 关键词： led；脉冲宽度调制；可编程逻辑器件；串口通信 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -ii- abstract in recent years, led is developing and applying in machine visual field quickly, because of its characteristics of environmental protection, long life and low power consumption, and the research and the design on led driver circuit has also become the focus of attention. the subject is mainly used in the design and control of photovoltaic systems on sheng guang-iii prototype device. ccd in the monitors and sensors, are used for online observation range, image incepting and image processing. the green led light source (in 525nm wavelength) system has been experimented and been designed, because the strength of the light spot in image processing and analysis plays a very important role. the brightness and the contrast of images can been changed flexibly by adjusting the lighting system. this issue developed the design specifications on light source of monitor and sensor repeatedly, such as the parameters about the scope of the work regional, the lighting area on light source and the angle on leds, in accordance with the illumination requirements about the optics system of monitor and sensor, and put forward the light source array design about the bowl-type circular arrangement. the issue designed the circuit and structures the optical path by using image processing and theoretical calculations based on matlab software and analyzing illumination distribution of the light source by tracepro optical software, and verified the reasonableness of the design about the light source. it was been researched that the realization of the principle of pulse width modulation (pwm) technology, which designed the led driver of light source based on pwm at the same while. the system achieved the way of the manual adjustment to the light source through preparation of verilog programs and modelsim and ise software simulating and synthesising procedures；the communications protocol was been provisioned with mcu，thereby , pc machines sent and received data with mcu through rs-232 bus using the full- duplex asynchronous mode. finally using field programmable logic array (fpga) achieved the function of adjusting the lighting strength of the light source automatically by the way of programmable controller. the scheme 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iii- mentioned above can improve lighting conditions and enhance image quality to the ccds in the monitors and sensors of the design and control of photovoltaic systems on sheng guang-iii prototype device, and can provide the good protection to the reliability and the accuracy of data after image processing. keywords: led; pulse width modulation; field programmable logic array; serial communication 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目目 录录 摘要. i abstract.ii 第 1 章 绪论.1 1.1 课题研究的目的和意义.1 1.2 led 照明光源国内外发展现状.2 1.3 led 光源驱动技术的研究现状.4 1.4 课题主要研究内容 .6 第 2 章 照明系统的整体方案设计.7 2.1 照明系统的结构设计.8 2.2 照明光源设计方案 .9 2.2.1 照明光源的设计要求.9 2.2.2 光学软件介绍 .10 2.3 pwm 调光系统方案.11 2.4 本章小结.13 第 3 章 led 照明系统的设计研究.14 3.1 led 的选择 .14 3.2 led 结构及特性.15 3.2.1 led 的结构.15 3.2.2 led 特性介绍.15 3.3 监测仪照明光源的建模设计.18 3.3.1 建立单个 led 模型.19 3.3.2 建立 led 环形光源模型.20 3.4 传感器照明光源设计.23 3.5 本章小结.26 第 4 章 光源驱动及控制系统的设计.27 4.1 功能介绍.27 4.2 光源驱动器设计 .27 4.2.1 系统供电电路 .28 4.2.2 手动调节电路 .29 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 4.2.3 程控调节电路 .30 4.2.4 fpga 单元设计 .32 4.2.5 功率输出电路 .39 4.3 光源控制器设计 .40 4.3.1 硬件设计 .41 4.3.2 软件设计 .42 4.4 本章小结.44 第 5 章 系统的分析及优化.46 5.1 电路信号测试结果 .46 5.2 照明光源的验证 .48 5.2.1 光源的电路设计 .48 5.2.2 传感器光源光照均匀性验证.49 5.2.3 监测仪光源光照均匀性验证.53 5.3 照明光源的误差分析.57 5.4 光源驱动控制器的优化.58 5.5 本章小结.61 结论.62 参考文献.64 附录 1.68 附录 2.71 攻读学位期间发表的学术论文.78 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.79 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.79 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理.79 致谢.80 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的目的和意义 美国机器人工业协会（ria robotic industries association）的自动化对 机器视觉所做的定义是： “机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自 动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运 动的装置” 。 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断，即通过机器视 觉产品（即图像摄取装置，分 cmos 和 ccd 两种）将被摄取目标转换成 图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信 息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特 征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 机器视觉伴随计算机技术、现场总线技术的发展，技术日臻成熟，广泛 应用于食品和饮料、化妆品、制药、建材和化工、金属加工、电子制造、包 装、汽车制造等行业。机器视觉的引入，代替传统的人工检测方法，极大地 提高了投放市场的产品质量，提高了生产效率。 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视及零件识 别应用，例如零配件批量加工的尺寸检查，自动装配的完整性检查，电子装 配线的元件自动定位，ic 上的字符识别等。一个典型的机器视觉系统包括 照明、镜头、相机、图像采集卡和视觉处理器五个部分，其中照明是影响机 器视觉系统输入的重要因素，它直接影响输入数据的质量和应用效果。 光源起到的作用就是获得对比鲜明的图像。图像的质量好坏，也就是看 图像边缘是否锐利，具体来说：将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加 大；尽量消隐不感兴趣部分；提高信噪比，利于图像处理；减少因材质、照 射角度对成像的影响。常用的有 lighting emitting diode（led）光源、卤 素灯（光纤光源） 、高频荧光灯等。相对来说，目前光源最常用。 led 就是利用半导体 pn 结或类似结构把电能转化成为光能的半导体器 件1。近十几年，高亮 led2的研发问世为机器视觉光源发展推波助澜。据 国际权威组织预测，21 世纪将进入以 led 为代表的新型照明光源时代，被 称为第四代新光源3。因此，研究基于 led 的机器视觉光源技术的研究具 有重要的理论意义和应用价值。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 在神光 iii 原型装置靶场光电及控制系统4中，监测仪是用来监测靶场 各系统的位姿；而传感器负责监测靶的位姿和激光焦点注入靶丸的位置。对 监测仪和传感器的照明系统设计关系到在线图像获取的真实性以及图像处理 的精准度。由于靶场的情况复杂，图像处理对光线的依赖性较强等多方面因 素限制，靶场照明系统的照明精度必须具备严格要求。 图像质量随环境光线的变化有明显差异，如何在不同环境条件下取得较 优质图像成为本课题的设计重点。脉冲宽度调制（pulse width modulation, pwm）系统是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变电源的占 空比，进而达到改变 led 光源亮度。利用 pwm 电源的手动和程控方式灵 活调节 led 照明系统亮度，可以取得较理想的图像，为在线观测与后期图 像处理提供良好的保证。 1.2 led 照明光源国内外发展现状 led 芯片的研发技术已趋于成熟，同时 led 光源与其他的机器视觉光 源相比，有如下显著的特点5： （1）效率高 按一般光效定义的 led 的发光效率并不算高，但由于 led 的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到 80%90%，而白炽灯 的可见光转换效率仅为 10%20%。 （2）光色纯 光线质量高：单一颜色 led 的光谱狭窄，谱线单一集中在 可见光波段。 （3）能耗小 单体 led 的功率一般在 0.05w1w。 （4）寿命长 单体 led 在 10ma 电流时，典型的正向偏压为 2v。通常 需串联限流电阻或用电流源，它的寿命可超过 100000h。 （5）响应快 响应时间为纳秒级，白炽灯的响应时间为毫秒级。 （6）控制灵活 通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效 果。 led 光源可以分为两大类：一类是正面照明，一类是背面照明。 正面 照明用于检测物体表面特征，背面照明用于检测物体轮廓或通明物体的纯净 度。照明系统按其照射方法可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光 照明等。根据照明方式的不同，led 照明光源可分为同轴光源、背光源、 漫射光源、环形光源、线光源、电光源等。 目前，国内外许多公司都在研究开发 led 照明光源，其中国外主要有 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 日本 ccs 和 moritexg 公司、美国 ai 等公司；中国视觉龙、大恒光电和奥 普特等公司，下面简要介绍几款 led 机器视觉光源。 图 1-1a)是日本 moritex 公司生产的无阴影光源，它具有环状方式、低 角度环状方式及低角度方形方式三种形式，能够在物体上产生柔和、均匀、 漫射的效果，适宜用于防止晕状效果，晶体外观检测和电路板焊点检测。图 1-1b)是日本 ccs 公司生产的光纤端头，与常规卤素光纤灯相比，它能够明 显改善照度，光线完全覆盖视野。图 1-1c)所示为中国欧普特公司研发的球 积分光源，它具有积分效果的半球面内壁能够均匀反射从底部 360发射出 的光线，使整个图像的照度十分均匀。球积分光源主要适用于曲面、表面凹 凸，弧形表面检测，或金属、玻璃表面等反光较强的物体表面检测。图 1- 1d)所示为中国视觉龙公司研发的四面可调光源，它们由四条条形灯组合而 成，此系列支持 4 通道独立控制，照射角度可从 090自由设定。 图 1-1 led 机器视觉光源 a) 无阴影光源 b) 光纤端头 c) 球积分光源 d) 四面可调光源 a) b) c) d) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 目前，还有更多形式的 led 广泛应用于机器视觉领域，凭借 led 照明 技术的亮度高、使用寿命长、节能、绿色环保等显著优势，led 照明光源 的设计和开发将为机器视觉领域带来更加广阔的发展空间。 1.3 led 光源驱动技术的研究现状 在机器视觉领域中，随着新型 led 照明光源结构功能越发复杂，功能 越发强大，led 光源驱动电路设计也不断发展。传统 led 驱动电路以不能 满足照明光源的需求，在原有 led 驱动电路设计基础上，led 驱动电路又 增加许多新的功能。 （1）驱动电路的设计要求 a） 为满足便携式产品的低电压供电，驱动器有升压能力，以满足 13 节充电电池或 1 节锂离子电池供电要求，并要求工作到电池终止放电为止。 b） 驱动器有高的功率转换效率，以提高电池的寿命或两次充电之间的 时间间隔。 c） 在多个 led 并联使用时，要求各 led 电流相匹配，使亮度均匀。 d） 低功耗，静态电流小，并且有关闭控制，在关闭状态时一般耗电小 于 1a。 e） led 的最大电流 imax可设定，使用过程中 led 光源的亮度可调 节。 f） 有完整的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开路 和短路保护。 g） 对其他电路的干扰影响小。 h） 小尺寸封装，并要求外围电路元件少而小，占用电路板体积。 （2）led 驱动方式 下面介绍几款目前市场上推出的光源驱动控制器。图 1-2a)是美国 ai 公 司研发的一款型号为 ms210 光源控制器，该控制器具有 4 通道独立输出的 能力，输出信号强度由软件控制，前面板接线端子提供了一个模拟和数字 （开/关）控制输入端口；能够自动设置适当的输出电流阈值；外壳提供最 佳散热管理等性能。图 1-2b)是日本 ccs 公司推出的一款型号为 pd2-3024-8 的数字光源驱动器。它具有亮度的 pwm 调节方式；手动和程控选择输入亮 度方式；错误检测显示和错误检测输出；过流保护等功能。图 1-2c)所示是 日本 moritex 公司研制的一款型号为 mlek-a230w2lrdb 数字控制式光源 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 控制器。它具有独特的电流型 pwm 调光方式及系统冷却功能。图 1-2d）是 一款由中国视觉龙生产的数字式频闪 led 亮度控制器（电压型） ；具有常 规、频闪和 rs-232 程控模式，并具有延时开启/关闭、开机自检、触发控制 开/关、带看门狗等功能。 图 1-2 光源驱动控制器 a) ai 公司的光源控制器； b) ccs 公司数字光源驱动器 c) moritex 公司的数字控制式电源； d) 视觉龙公司光源亮度控制器 目前，从市场所推出的 led 驱动控制电路设计中可以看出，尽管 led 照明光源设计多种多样，但是 led 的驱动控制方式可概括为两类：模拟调 光和 pwm 调光。 a）模拟调光 即通过一个控制电压成比例地改变 led 驱动输出。模拟 调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰（emc/emi）频率。但这种方式调 光可能存在一些问题：首先 led 的相关颜色温度（cct）会改变。这是由 于 led 的一个基本性质：发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于 单色 led 来说，其主波长会改变。对白光 led 来说，其相关颜色温度会改 变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝 led 中几纳米波长的变化，特 别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。其 a) c) d) b) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 次，模拟调光电路的输出电流精度不高。再次，模拟调光电路功耗较大。 b）数字 pwm 调光 通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得 所需要波形（含形状和幅值）。pwm 调光时，其相关颜色温度不易改变； 能够提高电流精度、线性控制光输出到更低级。在同时对模拟调光电路和 pwm 调光电路供电时，根据 pwm 信号的实现原理，其输出有效电流小于 模拟调光电路的输出电流，采用 pwm 方式能够减小与驱动电路相连的 led 光源电路的热消耗。因此，pwm 调光是 led 照明光源主要的设计原 理。但是，pwm 的电磁干扰较大，同时在设计 led 驱动电路时，电路的 输出频率要大于 1khz。所以电路的设计要求比较严格。 1.4 课题主要研究内容 本课题根据神光 iii 原型装置靶场光电及控制系统中照明环境需求，研 究关于监测仪和传感器的 led 照明光源以及 led 光源驱动器，此光源系统 能够根据视场光线明暗实现手动和自动光源亮度调节。具体研究内容如下： （1）根据具体参数设计两类 led 环形照明光源，led 照明光源采用混 联方式驱动。设计电路板并验证通过光学软件建模的理论上的光学特性与实 际模型的光学特性的一致性。 （2）设计 pwm 光源驱动器，用来驱动四路 24v 的 led 照明光源，驱 动器具备 256 级亮度调节；电源频率在 62.5khz500khz 范围内，通过拨 码开关 4 档调节。 （3）设计 pwm 的前面板，通过前面板的粗调和细条档位，手动调节相 应通道的电压占空比。 （4）设计单片机的串口通信电路，pc 机通过单片机串口与电源电路板 通信。通过超级终端，软件控制电源相应通道的电压占空比，从而实现光源 系统的亮度调节。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 第 2 章 照明系统的整体方案设计 神光原型装置是我国正在筹建的惯性约束核聚变（icf）的实验装 置，icf 的主要原理是通过多路高能激光轰击目标靶实现的，因此靶场监测 系统是实验装置的重要组成部分，它相当于靶场的眼睛，对于打靶的成败起 着至关重要的作用，靶场监测系统结构图如下图 2-1 所示。靶场监测系统由 3 台具有自准直功能的显微监测仪、激光靶引导传感器、送靶机器人和激光 靶引导传感器支撑机构组成。 图 2-1 靶场监测系统结构图 其中，靶场监测仪由大工作距自准直与显微组合的光学系统，该光学系 统利用准直系统建立正交坐标系，利用不同倍率的显微镜实现大范围和高精 度的监测，使得靶场监测仪具有高精确度、高稳定性和高可靠性等特点。 基于光学共轭原理的激光靶引导传感器的工作原理是：通过 ccd 视觉 监测系统分别对激光光点和靶进行定位和引导，实现了多路激光和靶的并行 监测仪 2 监测仪 1 多光束传感器 传感器支撑 led 环形光源 1 led 环形光源 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 引导以及引导过程的可视化，从而缩短了激光引导时间4。其结构图如下图 2-2 所示。 由此可见，靶场监测仪或激光靶引导传感器的光学系统通过 ccd 进行 观测靶场内某些机构的工作情况，ccd 所摄取的图像质量决定着靶场坐标 系的精度、在线观测激光打靶真实度和图像离线处理准确度，因此，ccd 需要在良好的照明系统条件下采集图像，才能达到图像精准度。本章主要讨 论基于靶场监测仪和激光靶引导传感器 ccd 的照明系统整体设计方案。 2.1 照明系统的结构设计 本文主要研究传感器和监测仪的照明光源及光源的驱动控制系统。其 中，光源驱动控制系统采用手动和程控两种方式实现照明光源的亮度和对比 度可调，照明系统的结构设计如图 2-3 所示。 照明系统共由个部分组成，即 fpga 电路、手动调节电路、程控调节 电路、功率驱动电路、电源供电电路和照明光源电路。电源供电电路为 整个系统提供电源保障；fpga 电路是光源驱动控制系统的核心器件， 定位标志 上 激 光 反 射 图 2-2 基于共轭原理的靶面传感器结构图 中路 ccd 上 ccd 下 ccd led 环形光源 3 传动齿轮 上 显 微 物 中 ccd 调焦 平台 上支撑架 下支撑架 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- pwm 信号产生及系统输出频率可变均由 fpga 电路实现；手动调节电路可 以手动实现照明光源 256 级亮度变化；程控电路与 pc 机进行数据通信， fpga 将接收到的数据进行运算，从而实现光源亮度的自动调节；功率驱动 电路接收 fpga 输出的 pwm 信号，并将 pwm 信号升压输出，为后续的照 明光源提供亮度调节作用。本文后面几章将重点讲述各部分的具体设计原理 以及软硬件的设计流程。 fpga电路 手动电路 功率驱动 电路 led照明 光源 电源 供电电路 pc机程控电路 图 2-3 照明系统结构框图 2.2 照明光源设计方案 2.2.1 照明光源的设计要求 监测仪和传感器的 ccd 器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱 响应可延伸至 1.0m 左右，其响应峰值为绿光（波长在 525nm 左右） 。常见 的 led 光源有红光、绿光和白光等，不同颜色的光适用于不同的照明物 体。本文中的照明对象大都是黄色的金箔，通过绿光照明能够呈现出良好的 对比度。显微成像光学系统的分辨率由式(2-1)给出的瑞利判据决定 /6 . 0=na (2-1) 其中为照明光源的波长，na 为数值孔径，由于绿光波长小于红光波长， 所以从式 2-1 可以看出，绿光照明的分辨力高于红光照明分辨力。而白光的 波长范围宽，光学系统需要做消像差处理，增加光学系统的设计难度，因此 本文采用波长为 525nm 的绿光 led 制作光源。同时结合靶场内监测仪和传 感器的 ccd 的照明条件和光源的设计尺寸以及系统工作距约束，分别制定 监测仪和传感器中照明光源的设计要求。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -10- （1）监测仪外部的环形照明光源的设计要求 a） 照明光源的波长 520nm525nm，照明光源的能耗小，寿命长。 b） 光源内径 370mm，外径 430mm，工作距 3530mm。 c） 光源指向靶室中心，保证靶室中心均匀照明。 d） 在 3530200mm 工作距内有均匀照明区域，照明区域不小于 100mm。 （2）激光靶引导传感器中环形照明光源的设计要求 a） 照明光源的波长 520nm525nm，照明光源的能耗小，寿命长。 b） 光源内径 23mm，外径 28mm，工作距 20mm。 c） 保证照明中心亮度均匀。 d） 在 205mm 工作距内有均匀照明区域，照明区域不小于10mm。 本次实验研究主要分析传感器和监测仪照明光源的照度分布均匀性指 标，具体研究及设计方案将在下文详细讲解。 2.2.2 光学软件介绍 tracepro 是一种实体模型的光学分析软件，它利用“普适光线追迹”技 术来追迹光线，这种技术允许引入光线到一个模型，而在物体和表面的相交 处并没有引起额外的损失。在每个交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、 衍射和散射定律。 当光线在实体中沿不同路径传播时，tracepro 追踪每条光线的光通量。 tracepro 计算光的吸收、镜面反射及折射、衍射和散射能量。 开始一个新的 tracepro 工程时所要进行的一般步骤有6： （1）创建一个实体模型 建立或导入一个几何模型，代表所希望分析的 系统。 （2）定义属性 材料和表面属性代表希望物体所具备的特性，如反射、 折射、吸收和散射等。可以使用 tracepro 属性库里定义好的材料和表面属 性，也可以制定新的属性满足具体的设计需求。 （3）追迹光线 通过实体进行光线追迹，需先定义光线的起始点，有如 下几种定义方式：栅格光源、表面光源和导入已有光源。如何引入光源到模 型以及哪些光线追迹参数会被调用，需根据实际情况确定。 所以，在 solidworks 机械软件中设计 led 照明光源，结合 tracepro 光 学软件及某些软件操作便可以得到照明光源的光线追迹结果，包括光源的光 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -11- 强、照度、亮度等数据信息，以便于分析光源的整体特性。 图 2-4 是利用 tracepro 软件设计的传感器中照明光源的仿真图，该图将 照明光源设计成碗型的圆周阵列排布，仿真模型中光学参数分析将会在第 3 章详细介绍。 图 2-4 传感器照明光源的仿真图 2.3 pwm 调光系统方案 许多设计均可以实现 pwm 信号，归纳起来主要可以分为两类：软件和 硬件。下面举几个典型的电路具体说明。 （1）软件实现 下面主要介绍一种利用单片机软件实现 pwm 信号的方法。mcs-51 系 列典型产品 8051 具有两个 16 位计数器，通过控制其中某一个计数器和工 作寄存器，而实现从 8051 的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形，能够 有效的节省单片机的资源。 软件的基本思想是：首先将 t0 计数器进行初始化使之对一基准时间计 数，然后根据所需占空比对工作寄存器 r2、r3 、r4 和 r5 赋值（r4、r5 用于重装 r2、r3 的值） ，然后根据寄存器 r2、r3 中值的递减控制 p2.0 口 输出 pwm 脉冲的占空比。另外，还可以通过与外部中断 1 相连的三个按键 调整占空比。根据上述程序搭建实验电路，通过示波器观察到 p2.0 的输出 信号，如图 2-5 所示7，其中 a)中 pwm 信号占空比为 30%，b)中的 pwm 信号占空比为 25%。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -12- 1 r 4 r 3 r 2 r 1 c 2 c 3 c 1 u 1 v 1 2 3 4 5 6 7 vcc gnd 4.5k10k 600k 20k0.01uf0.05uf 0.01uf 8 555b 5v dc d1 trigger resetoutput contrlol threshold discharge a) b) a) pwm 信号的占空比为 30% b)pwm 信号的占空比为 25% 图 2-5 单片机程序产生的 pwm 信号 （2）硬件实现 a）采用 555 定时器构成的单稳态触发器 图 2-6 采用定时器构成的下降沿触发的单稳态触发器。由 555 定时器路 基础知识可知，单稳态触发器暂稳态停留时间 11 1 . 1crt =，实际电路中，电 容器容量的误差会造成定时宽度的变化。为此在控制端（5 脚）外接电位器 r3与电阻 r4 , 通过调节电位器 r3阻值来改变定时器中比较器的参考电平 值，从而补偿因电容的容差造成定时宽度的变化，实现精确定时8。 图 2-6 定时器构成的单稳态触发器 b）由 fpga/cpld 或 dsp 等高集成度芯片内部构成 pwm 信号 图 2-7 是利用 dspic30f4011 微控制芯片形成 pwm 系统的原理图。首先 介绍双零变换技术，包括零电压变换（zvt）和零电流变换（zct）两种， 它们的基本工作原理是采用辅助开关管与谐振电路共