基于LM3402的新型LED无影灯控制系统设计

2010-12-29 20:56:47来源: 微型机与应用 关键字:微处理器  手术无影灯  高亮度LED阵列  脉宽调制
  摘要: 介绍了一种基于恒流驱动电路LM3402 的新型LED 无影灯控制系统, 分析了恒流驱动电路的构成以及微处理器的控制方法。该系统基于高亮度白光LED 阵列,由一个LM3402 控制一组发光二极管,根据设定的照度,微处理器P89LPC932 通过脉宽调制进行恒流控制。实践证明,该系统能够满足手术无影灯的各项要求,工作稳定可靠,而且提高了无影灯的使用性能,降低了功耗。

  无影灯是用来照明外科手术部位不可缺少的重要设备, 要求能以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度、大小、对比度低的物体。因此, 除需要“ 无影” 以外,还需要光照度均匀、光质好, 能够很好地区分血液与人体其他组织、脏器的色差。此外, 无影灯还须能长时间地持续工作, 而不散发出过量的热, 因为过热会使手术者不适, 也会使处在外科手术区域中的组织干燥。

  目前手术灯一般都采用环形节能灯或卤素灯, 但随着发光二极管LED 技术的不断发展, 特别是高亮度白光LED 的发展,LED 无影灯彻底解决了环形节能灯自身存在的先天缺陷, 是环形节能灯的升级换代产品。目前,LED 无影灯的优越性逐渐被显微镜使用者所了解和接受, 使用成本亦较环形节能灯低, 减少了每1~2 个月就需更换环形灯管的麻烦。

  目前, 在技术上已成功解决了大功率LED 的封装、恒流驱动、散热以及照度控制等问题, 可实现无影灯照度的多级调控,调光灵活、方便。LED 无影灯的优点有:

  (1) 出色的冷光效果: 采用新型的LED 冷光源作为手术照明, 是真正冷光源, 医生头部和伤口区域几乎无温升。

  (2) 光质好: 白光LED 具有区别于普通手术用无影灯光源的色品特点, 可以增加血液与人体其他组织、脏器的色差, 使得手术中医生的视觉更加清晰, 在流淌、渗透的血液中人体的各个组织、脏器更容易被区分出来,这是普通手术用无影灯所不具备的。

  (3) 亮度无级调节: 采用数字方式无级调控LED 的亮度, 操作者可根据自身对亮度的适应性随意调节亮度, 使其达到最为理想的舒适度, 使长时间工作的眼睛不易产生疲劳感。

  (4) 无频闪: 因为LED 无影灯为纯直流供电, 无频闪, 不易使眼睛产生疲劳感, 亦不会对工作区域的其他设备产生谐波干扰。

  (5) 光照度均匀: 采用特殊的光学系统,360°均匀照射在被观察物体上, 无虚影产生, 清晰度高。

  (6) 寿命长:LED 无影灯平均寿命长(35 000 h), 远大于环形节能灯(1 500~2 500 h) , 寿命为节能灯的十倍以上。

  (7) 节能环保:LED 具有较高的发光效率, 耐冲击,不易破碎、无汞污染, 且其发出的光不含红外和紫外成分的辐射污染。

1 系统结构

  1.1 总体结构

  由于单个LED 的发光效率不能满足手术无影灯的光照强度和均匀性的要求, 因此需要用多个LED 组成阵列, 并要求排列合理, 分布均匀, 使得每个目标平面的光照度符合要求, 以此来决定LED 的数量以及分布规则。

  虽然LED 的发光效率高, 产生的热量少, 但是如此多的LED 在一个密封的箱体内, 还是会产生大量的热量, 温度甚至会高达60℃~80℃, 所以必须合理设计散热器以及散热通道, 以有效地降低系统热阻。

  LED 手术无影灯由多个灯头组成, 成花瓣状, 固定在平衡臂悬挂系统上, 定位稳定, 能做垂直或循环移动,可满足手术中不同高度和角度的需求。整个无影灯有144 个高亮度白色LED,8 个串联成一组, 即称为高亮度发光二极管串HBLEDs(High Brightness Lighting EmittingDiode) , 以18 组并联而成。每组相互独立, 若有一组损坏, 其他照样能够继续工作, 所以对手术的影响较小。每组由一个LM3402 单独进行恒流驱动, 并根据用户需要,接受一个微处理器(CMU)P89LPC932 的PWM 脉宽调节控制, 可无级调节, 流过每个LED 的电流约为120 ~320 mA。LED 无影灯电气原理图如图1 所示。


图1 LED 无影灯电气原理图。

  1.2 操作面板

  操作面板上有4 个按钮( 环境照明、关闭、调亮和调暗按钮)和8 个LED 指示灯。按下环境照明按钮, 表示只需腔镜环境照明, 只留下其中一路的3 个LED 用于照明, 而关闭其余LED 发光二极管串; 按下关闭按钮, 将熄灭所有8 路LED 发光二极管串, 再次按下此按钮, 则可以回到原照度显示状态, 掉电或重启也可回到设定照度状态; 调亮和调暗按钮用于改变无影灯的照度, 对应8 个指示灯, 指示8 挡亮度, 从左到右每增加一挡就增加一个指示LED 点亮, 无影灯处于关灯状态时, 最右边2 个指示LED 点亮。所有操作信息均是通过RS485 总线传输给驱动板MCU

  

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关键字:微处理器  手术无影灯  高亮度LED阵列  脉宽调制

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2010/1229/article_1765.html
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