牛萍娟1，2，3，朱文睿1，于莉媛1，2，3，郭高攀1，马
楠1，吴英蕾1，薛卫芳1
（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津
300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津
300387；
3.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程中心，天津
300387）
摘要：为克服现阶段光疗系统普遍存在的效率低、副作用多、人机交互困难等缺陷，根据国内外光疗设备现状，设
计一种大功率LED 医用光疗系统.设计了光疗系统的光源模块、恒流驱动模块、显示控制模块和人机交互模块，实现了光辐照度稳定输出并且可线性调节.实验结果表明：该光疗系统可正常工作，蓝绿光辐照度 、光均匀性均达标，与传统光疗系统相比，具有更安全、高效、稳定及人机交互便捷等优点.
关键词：LED ；光疗系统；电路控制；光辐照度中图分类号：TN383.1；R318.51
文献标志码：A
文章编号：1671-024X （2017）01-0067-04
Design and implementation of an electronic medical LED phototherapy system
NIU Ping-juan 1，2，3，ZHU Wen-rui 1，YU Li-yuan 1，2，3，GUO Gao-pan 1，
MA Nan 1，WU Ying-lei 1，XUE Wei-fang 1
（1.School of Electronic and Information Engineering ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ；2.School of Electrical Engineering and Automation ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ；3.Engineering of
Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education ，Tianjin Polytechnic
University ，Tianjin 300387，China ）
Abstract ：In order to overcome the defects of the prevalence of low efficiency,side effects and the difficulty of man-ma 鄄
chine interaction in the present phototherapy system,a high-power LED medical phototherapy system was de 鄄signed based on the status quo of the phototherapy equipments in China and abroad.The light source module,the constant current driver module,display module and man-machine interaction module of the phototherapy system were designed and the light irradiance stable output was realized and could be adjusted linearly.The ex 鄄perimental results show that the phototherapy system can work normally,blue and green light irradiance is stan 鄄dard with the advantages of being more secure,efficient,stable and convenient in man -machine interaction compared with the traditional phototherapy system.
Key words ：LED ；phototherapy system ；circuit control ；light irradiance
收稿日期：2016-01-15
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（11204211）
通信作者：牛萍娟（1973—），女，博士，教授，主要研究方向为光源与照明系统.E-mail ：*****************
随着半导体技术的高速发展，LED 产品的应用拓
展到各行各业中.LED 应用于生物医学领域是目前最热门的研究课题之一，特别是以LED 作为光源的光疗仪，是目前医学领域的研究热点[1].LED 有着效率高、功耗低、产热少、寿命长、绿环保的特点，在光疗领域作为一种高效安全的光源被广泛使用[2].而现阶段光疗系统普遍存在效率低、副作用多、电路复杂难以维护、人机交互困难等缺陷[3].本文根据国内外光疗设备现状，提出一种大功率LED 医用光疗系统.通过电子系统开发软件Altium desigher summer 设计驱动显示电路，光学仿真软件Tracepro 模拟系统光线追迹确
定设计参数的合理性，采用AMC7150芯片构建恒流驱动模块，采用AT89C52单片机和LCD12864构建显示控制模块，采用Labview 设计上位机界面实现人机交互.和传统光疗系统相比，该系统效率高，副作用少，利于人机交互和维护，该光疗系统特别适合应用于新生儿黄疸等疾病的[4].
1系统概况和设计
LED 光疗系统主要由以下4个模块：均匀照明模块﹑恒流驱动模块、显示控制模块以及人机交互模块.
天津工业大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＩＡＮＪＩＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
第36卷第1期２０17年2月
Vol.36No.1February 2017
DOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2017.01.013
. All Rights Reserved.
天津工业大学学报第36卷
1.1
LED 照明模块
影响光疗疗效的光度量分别是光辐射度和光均
匀度[5].针对459nm 蓝光LED 和500nm 绿光LED 的不同的光电特性，采用蓝绿光LED 特殊阵列排布
满足光疗强度和光均匀度.根据国家医用电气设备光设备安全专用要求[6]，设计光斑面积S =250mm ×500mm ，蓝光辐照度E 蓝光≥2mW/cm 2，绿光辐照度E 绿光≥1.5mW/cm 2，光均匀度=E 辐照度平均值/E 辐照度最大值>80%.设计的光疗指征可以有效严重的黄疸症患儿，克服传统光疗仪的诸多副作用及不稳定性，不再需要给患儿采用换血等痛苦手术疗法.预实验初步确定的光源阵列排布如图1所示.
运用Tracepro 软件对光源建模进行光线追迹，
在工作距离400mm 处的工作平面[7]得到一个面积为250mm ×500mm 的光斑，均匀度高到80%，如图2所示.
1.2显示控制模块
AT89C52显示控制模块如图3所示.
基于AT89C52单片机在特定的I/O 端口产生PWM 使能信号[10]通过小信号高速开关二极管IN4148加至AMC7150引脚OSC.通过调节PWM 占空因数，则可以
实现三路LED 亮度调节.而液晶显示模块LCD12864采用串口通信方式和单片机进行数据的传输和显示.AT89C52单片机同时连接DS1302时钟电路、DS18B20温控电路、MAX232电平转换电路等，采用24V 直流电源给整个系统供电保障系统的正常工作[11].
图1LED 光源阵列模块Fig.1
LED source array
module
图3AT89C52显示控制模块
Fig.3Display control module based on AT89C52
VCC GND
GND
URB2405YMD-6W
1
2
345
P1
黑发液
VIN VIN
+VD 0V
-VD
GND
VCC
PC2
+E2U35V
1234567891011121314151617181920
1284
n
VCC
VCC
GND
GND
R1310k Ω
液晶显示
GND
R S W R L C D E N L C D L A
R D D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7VCC
VCC
GND
C15
C13
C12C14
C16U6
123456781615
14131211109
MAX232
DOUI DIN P30P31C1+V1+C1-C2+C2-V I2OUI R2IN VCC GND I1OUI R1IN R1OUI I1IN I2IN R2OUT GND
GND GND
DS1302
DS1302VCC2
C10
C11
U2
VCC 1
2
3
4
567812222
Y2
22P
X1
X2
GND VCC1SCUK rO RST TX31TX21TX11
D31
D32D333T1
金属表面喷涂
3ouop
25020015010050
0-50-100-150-200
-250
Y /m m
-200-150-100-500
50
100150200250-250
-200-150-100-500
50100200250-250
250
200150100500-50-100-150-200
-250
150X /mm
W/m 2
1.000.950.900.850.800.750.700.650.600.550.500.450.400.350.300.250.200.150.100.050
图2光斑
Fig.2Spot
68——. All Rights Reserved.
第1期1.3
恒流驱动模块
基于设计参数的要求，光疗系统需要10颗波长姿=459nm 蓝LED 和15颗波长姿=490nm 绿LED ，芯片连接方式和光电参数测试如表1所示.
AMC7150是一种仅需外加5个外部元件的PWM 功率LED 驱动芯片，效率高成本低，适合用作功率光疗系统驱动[8]，单个恒流驱动模块如图4所示.输入电压4~40V ，驱动电流从0~1.5A 动态可调.三路电路分别接上AMC7150，同时接受单片机产生的PWM 使能信号的调光控制[9].
1.4
人机交互模块
采用Labview 编写设计光疗系统的人机交互[12]界
面.图5为该交互界面的前面板，用于信息的输入和处理后数据的显示.
图5中，串口配置模块主要有串口号、波特率、数据位、停止位、校验位等参数；串口号用于设置PC 机与仪器设备之间的通信接口，波特率用于设置PC 机与仪器设备之间通信速率，默认9600bit/s.患者信息模块用于录入患者的具体情况，有姓名、性别、出生天数、黄疸类型等信息.方案模块用于设置三路LED 灯的亮度与光照时间.将灯的亮度与光照时间等信息设定好后，点击“开始”按钮，PC 机将参数下发到仪器设备中，同时患者的信息与方案的参数会保存到excel 文件中.仪器根据接收到的命令输出PWM 控制LED 灯的亮度，当时间达到设置值后，LED 停止工作.在过程中，可以通过点击“停止”按钮强制结束.
图6为交互界面的后面板，后面板是功能的具体实现，通过G 语言编写完成.主要完成数据处理、存盘等功能.
图6人机交互界面后面板
Fig.6Back panel of human-computer interaction interface
性别漆雾净化器
姓名
出生天数
日期
时间
时间设定2
停止按钮
确定按钮
配置串口（波特率、数据位、奇偶、停止位和流控制）
绿光绿光蓝光已用时间
写入字节质端口
关闭端口会话柄注：关闭串口可如许其它
应用程序无需退出Lab －VIEW 就可使用该串口
timeout （10sec ）VISA resource name baud rate data bits parity stop bits
short
真
真
牛萍娟，等：一种医用LED 电子光疗系统的设计与实现
图4AMC7150恒流驱动模块
Fig.4Constant current drive module based on AMC7150
21AMC7150
G N
D
2
1
香仁夏露
YL1直插电阻预留
GND
3C S
V C C
O U T Header2EN1
D25
1N4148C4
C7
5VIN
U35V
R120R51
24
L1
180μH D281N5819
U3
Header2
J3O
表1LED 光电参数
Tab.1Photoelectric parameters of LED
芯片个数连接方式电流/A 电压/V 蓝LED 10串联0.71531.2绿LED 10串联0.71531.2绿LED
5
串联
0.720
15.7
2实验部分
利用SMT 回流焊技术将大功率LED 灯珠安装在
散热型PCB 灯板对应位置上[13]，灯板和驱动显示电路连接.
点击“开始”，光疗系统启动并开始正常工作，如图7所示.当设置不同光百分比参数时，光辐照度不
图5人机交互界面
Fig.5Human-computer interaction interface
69——
. All Rights Reserved.
天津工业大学学报第36卷
同.当参数全部为100%，光疗辐照强度到达最大；当参数全部设置为50%，光疗辐照强度只有最大值的1/2.
选用北京泊菲莱科技有限公司I400光辐照度检
测计进行光学参数检测[14].当光疗辐照强度到达最大时，在距离光源400mm 工作平面处测量的蓝绿光辐照度结果如图8所示.有效照明平面内光谱辐射度总体趋势平稳，根据光均匀度的定义计算可得蓝绿光辐照度[15]符合设计要求，光疗系统达标.
3结语
本研究针对目前国内外光疗仪的诸多缺陷，根据理想光疗标准，提出了一种医用LED 电子光疗系统解决
方案，通过光学参数设计和电学实验，光疗系统正常工作，蓝绿光辐照度、光均匀性均达标.使光疗系统具有更安全、更高效、更稳定、更人性化、更便捷等优点.参考文献：
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图7系统正常工作
Fig.7System operation
（a ）100%强度的光疗（b ）50%强度的光疗
图8辐照度Fig.8
Irradiance
2.22.0
1.8
1.61.4辐照度/（m W ·c m -2）
50
100
FABS-034
150200250
100
200300
400
500有效光疗
光照区域
距
离
/m m
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