郭要強(qiáng) 劉路

【摘要】介紹了一種基于STC12C5A60S2型單片機(jī)為核心的控制模塊和以HV9910B為核心的驅(qū)動(dòng)電路組成的新型LED手術(shù)無(wú)影燈控制系統(tǒng)，分析了LED驅(qū)動(dòng)電路的組成和MCU的控制方法。本文設(shè)計(jì)中的LED無(wú)影燈相比于傳統(tǒng)無(wú)影燈來(lái)說(shuō)功耗更低、顯色性能更好、安全度更高、舒適度更好，更加符合醫(yī)院手術(shù)室的功能特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】手術(shù)無(wú)影燈;控制模塊;LED驅(qū)動(dòng)電路;MCU

Abstract：This paper introduced a new LED astral lamp system based on the STC12C5A60S2 microcontroller as the control module and the HV9910B as the core of the drive circuit.It mainly analyzes the structure of the LED drive circuit and the control method of MCU.This LED astral lamp has lower power consumption，higher coloration，safer performance and better comfort，so it is in line with the functional characteristics of the hospital operating room by compare with the traditional astral lamps.

Key words：astral lamp;control module;LED drive circuit;MCU

手術(shù)燈以及醫(yī)院用的照明設(shè)備主要是要與醫(yī)院的功能特點(diǎn)相結(jié)合，提高醫(yī)院手術(shù)治療工作效率，同時(shí)還要能夠?qū)Σ∪说牟∏榻o以正確的診斷、治療創(chuàng)造條件，而LED手術(shù)無(wú)影燈正好是專為醫(yī)院手術(shù)室在手術(shù)治療過(guò)程中設(shè)計(jì)使用的。

一、研究背景

目前醫(yī)院手術(shù)和檢查照明等醫(yī)療專用的照明燈基本上都使用的是鹵素?zé)艋颦h(huán)形節(jié)能燈作為光源，它主要是通過(guò)多面反射鏡將光線反射到手術(shù)部位，盡管其技術(shù)指標(biāo)基本上能夠滿足醫(yī)院臨床手術(shù)的要求，但是仍然存在一些缺陷，如工作狀態(tài)下的溫度過(guò)高，色溫不可調(diào)，不能滿足臨床手術(shù)中對(duì)不同組織的顯色特性的客觀要求，該光源的手術(shù)燈整體系統(tǒng)功耗較大，鹵素?zé)艄庠词褂脡勖?，發(fā)出的光譜中含有紫外到紅外的光線，長(zhǎng)時(shí)間使用這種手術(shù)燈會(huì)使病人產(chǎn)生灼熱與不適，甚至對(duì)病人的皮膚和手術(shù)部位會(huì)造成傷害。

現(xiàn)代LED手術(shù)無(wú)影燈都是采用環(huán)保型、節(jié)能、大功率燈珠作為光源，其在功能和性能上相比于傳統(tǒng)鹵素?zé)艄庠吹氖中g(shù)燈來(lái)說(shuō)有很大的優(yōu)勢(shì)，從基本性能上來(lái)說(shuō)LED手術(shù)無(wú)影燈具有以下優(yōu)勢(shì)[2]：

（1）節(jié)能與環(huán)保：傳統(tǒng)鹵素手術(shù)燈的功耗一般是400W左右，發(fā)熱很高，LED手術(shù)無(wú)影燈功耗為180W左右，產(chǎn)生的熱量幾乎為零。LED手術(shù)無(wú)影燈對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染，同時(shí)更省電節(jié)能，同等亮度條件下普通白熾燈的耗電量是LED手術(shù)無(wú)影燈的10倍，鹵素?zé)舻氖荓ED手術(shù)無(wú)影燈的20倍。

（2）安全性高：本次設(shè)計(jì)中的LED手術(shù)無(wú)影燈電源是采用低壓直流供電及其電源組件，具有很好的過(guò)壓、短路保護(hù)功能，徹底消除光源、電源燒毀等安全隱患，最大程度的保證醫(yī)生和病人的人身安全。

（3）高效、舒適：LED手術(shù)無(wú)影燈色溫為4300K的手術(shù)燈光，顯色指數(shù)達(dá)到94，更有利于醫(yī)生快速地有效地分辨手術(shù)傷口部位的各種組織、器官;同時(shí)冷光源燈珠為直流供電，無(wú)頻閃，能夠有效緩解醫(yī)生的視覺(jué)疲勞。

（4）技術(shù)性能高：LED無(wú)影燈具有超長(zhǎng)的使用壽命，光源的壽命高于60000小時(shí)，是傳統(tǒng)手術(shù)燈的30-50倍。亮度高，中心照度大于140000LUX，采用MCU專用亮度控制系統(tǒng)，用數(shù)字式LEVEL對(duì)輸出亮度進(jìn)行30%～100%的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使得無(wú)影燈在調(diào)低亮度的同時(shí)還能保持其準(zhǔn)確的色溫，幫助醫(yī)生準(zhǔn)確識(shí)別各組織臟器。光源采用精密光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和多層透鏡原理發(fā)光，每個(gè)光源芯片實(shí)現(xiàn)一次聚光，固定聚焦深度高于800mm，光斑均勻，d50和50%d10幾乎重合，光斑均勻度>90%，無(wú)影效果好，清晰度高。

（5）穩(wěn)定性高：LED芯片采用美國(guó)原裝進(jìn)口，超長(zhǎng)壽命得以良好保障，而且抗震，防摔，耐沖擊，耐腐蝕。手術(shù)燈反應(yīng)迅速，采用軟開關(guān)技術(shù)，即開即亮，沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)間。

（6）操作方便：配置輕巧平衡臂懸掛系統(tǒng)的LED手術(shù)無(wú)影燈，采用國(guó)際通用的六維萬(wàn)向關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，移動(dòng)輕巧，定位準(zhǔn)確，360°的全方位設(shè)計(jì)，沒(méi)有照射死角，可滿足手術(shù)中的任何高度和角度。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（一）總體結(jié)構(gòu)

該LED手術(shù)無(wú)影燈是由LED燈頭、MCU控制系統(tǒng)、平衡臂懸掛系統(tǒng)和電源驅(qū)動(dòng)組件組成。其中燈頭為4個(gè)，3個(gè)成花瓣?duì)?，中心成圓形狀，固定在平衡臂懸掛系統(tǒng)上，能做垂直或循環(huán)移動(dòng)，可滿足手術(shù)中不同高度和角度的需求。燈頭采用大功率燈珠作為光源，應(yīng)用固態(tài)冷光源LED照明技術(shù)，壽命長(zhǎng)，溫升低，無(wú)頻閃;采用PWM連續(xù)可調(diào)亮度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LED手術(shù)無(wú)影燈亮度連續(xù)調(diào)節(jié)[3]。

（二）電路設(shè)計(jì)思路

電路輸入級(jí)由全波整流橋和一個(gè)濾波電容組成，完成對(duì)交流電的整流濾波?？刂萍?jí)由HV9910B芯片搭建，經(jīng)輸入級(jí)濾波后的電壓輸入到芯片的Vin，作為電路的輸入電壓VI，其峰值是310V，均值為190V。VDD、LD、PWMD端通過(guò)電容器接GND端，以維持相應(yīng)引腳的片內(nèi)電壓。

由GATE端輸出頻率一定的方波脈沖信號(hào)作為開關(guān)信號(hào)控制開關(guān)管，其頻率由RT端所接的電阻設(shè)定，脈沖寬度由CS端采樣電阻RCS反饋的LED電流信號(hào)控制。電感L1在電路中起著至關(guān)重要的作用，為驅(qū)動(dòng)電路提供濾波和儲(chǔ)能以及續(xù)流供電，以保持負(fù)載中電流的均衡性，恢復(fù)二極管完成構(gòu)建續(xù)流通路的作用。在開關(guān)信號(hào)開通半周內(nèi)，由前級(jí)濾波后的電勢(shì)向LED負(fù)載直接供電，并給L1充電;在開關(guān)信號(hào)關(guān)斷半周內(nèi)，由充滿能量的L1給快恢復(fù)二極管、LED組成的回路供能，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)周期內(nèi)完成對(duì)LED的持續(xù)驅(qū)動(dòng)。總體設(shè)計(jì)思路框圖如圖2.1所示。

圖2.1 總體設(shè)計(jì)思路框圖

三、關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

（一）LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

導(dǎo)通后的LED的I-V特性曲線不是線性的[4]，所以LED正向電壓不能過(guò)高，不然電流非常大，發(fā)熱量劇增，會(huì)損壞二極管。當(dāng)LED工作電流值不同時(shí)，其發(fā)光強(qiáng)度也不同，因此LED的驅(qū)動(dòng)電路一般選擇恒流驅(qū)動(dòng)模式，相應(yīng)的LED陣列亦采用串聯(lián)方式連接，驅(qū)動(dòng)電流一般設(shè)為L(zhǎng)ED額定電流的70%-85%以保護(hù)LED。同時(shí)采用PWM脈寬調(diào)節(jié)控制，PWM開關(guān)電路由4部分組成，即輸入整流濾波、PWM控制、開關(guān)器件和輸出濾波。根據(jù)PWM方式開關(guān)電路設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖3.1所示。

圖3.1 LED驅(qū)動(dòng)電路框圖

HV9910B是PWM高效率LED驅(qū)動(dòng)IC，它允許電壓從直流電壓為8V-450V而對(duì)HBLED有效控制。LED串是受到恒定電流的控制而不是電壓，如此可提供持續(xù)穩(wěn)定的光輸出和提高可靠度。對(duì)一個(gè)LED串的輸出電流能被編程設(shè)定在0和它的最大值之間的任何值，它由輸入到HV9910B的線性調(diào)光器的外部控制電壓所控制。

圖3.2 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

由芯片HV9910B控制的LED恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖3.2所示，HV9910B作為開環(huán)電流LED驅(qū)動(dòng)IC，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)恒定電源模式或關(guān)斷時(shí)間模式，其非常適合于降壓LED驅(qū)動(dòng)器，由于HV9910B在開環(huán)電流模式，在不需要任何補(bǔ)償?shù)那闆r下能達(dá)到很好的輸出電流。PWM調(diào)光響應(yīng)僅受限于電感電流的起伏頻率，能夠承受很短的升降時(shí)間。

圖3.3 單片機(jī)MCU控制以及外部存儲(chǔ)模塊電路

（二）控制板電路設(shè)計(jì)

控制板是整個(gè)無(wú)影燈控制器的核心，主要由一個(gè)STC12C5A60S2和X25045監(jiān)控芯片組成。

STC12C5A60S2系列單片機(jī)是一種單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

X25045是一種三合一功能監(jiān)控芯片，具有EEPROM，電壓跌落檢測(cè)、看門狗復(fù)位等功能，用SPI總線與單片機(jī)處理器通信，是最有存儲(chǔ)檢測(cè)的單片機(jī)系統(tǒng)的最佳選擇。單片機(jī)MCU控制以及外部存儲(chǔ)模塊電路如圖3.3所示。

采用新型的LED冷光源，智能化LED手術(shù)無(wú)影燈具有發(fā)光效率高、發(fā)熱量低、熱輻射低、能耗低、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及易于設(shè)計(jì)各項(xiàng)安全保護(hù)措施等顯著優(yōu)點(diǎn)。采用LED恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，再加上智能化控制接口，給醫(yī)生的手術(shù)工作帶來(lái)了較大便利，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]朱根娣，劉敏娟.新型手術(shù)無(wú)影燈的光照度特性的研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2009（3）：183-187.

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[3]王聲學(xué)，吳廣寧等.LED原理及其照明應(yīng)用[J].燈與照明，2006：32-35.

[4]邱云峰，尹杰等.大功率LED高頻驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].燈與照明，2010.

作者簡(jiǎn)介：

郭要強(qiáng)（1980—），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)供職于河南駝人集團(tuán)產(chǎn)品研究院。

劉路（1991—），男，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)供職于河南駝人集團(tuán)產(chǎn)品研究院。