<div> <p style="line-height:1.8;"> </p> <p>1、项目功能介绍</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目为基于多角度可编程光源的高倍显微缺陷检测辅助系统，面向 PCB 板、半导体芯片、电子元器件等精密电子制造检测场景，用于辅助显微镜下 10X-50X 高倍率缺陷观察。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>在实际电子制造检测过程中，传统显微镜照明方式通常为固定角度反射光，存在光照方式单一、缺陷特征不明显、亮度和色温不可灵活调节、检测人员经验依赖较强、检测标准难以统一等问题。本项目通过设计一套可编程多角度 LED 光源系统，为显微镜检测提供可调、可控、可复现的光照条件，提高划痕、裂纹、氧化、焊点润湿、丝印异常等缺陷的观察效率和一致性。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目主要实现以下功能：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>多角度光源控制<br>系统支持低角度暗场光、高角度明场光和同轴光三类照明方式。<br>低角度光用于突出划痕、裂纹、边缘毛刺等表面凹凸缺陷；<br>高角度光用于观察焊点轮廓、丝印清晰度、表面整体特征；<br>同轴光用于观察高反射平面、金属表面、晶圆或芯片表面的平整度问题。<br>分区独立亮度调节<br>光源结构划分为多个独立区域，每个区域可单独开关和调节亮度，适应不同元器件位置、不同观察角度和不同缺陷类型的检测需求。<br>亮度等级调节<br>每路光源支持至少 16 级亮度调节，用户可根据检测对象选择不同光强，提高图像对比度和缺陷可见性。<br>色温调节功能<br>通过暖白 LED 与冷白 LED 混合，实现 3000K-6500K 范围内的色温调节。暖色温可增强氧化、变色、焊盘色差等特征，冷白或标准白光适合通用检测。<br>预置检测模式<br>系统内置多种检测模式，包括：<br>A 模式：低角度暗场模式，用于划痕、裂纹观察；<br>B 模式：高角度均匀光模式，用于常规表面检测；<br>C 模式：多分区轮扫渐变模式，用于辅助判断三维形变和阴影变化；<br>D 模式：暖色温增强模式，用于氧化、变色和焊盘色差观察。<br>亮度闭环控制<br>系统配置环境光传感器，实时检测载物台附近照度变化，通过 MCU 控制光源亮度，尽量将工作面照度稳定在 1000-1500 lux 范围内，提升检测结果的一致性。<br>人机交互功能<br>系统可通过触摸屏或 PC 上位机进行参数设置，包括光源模式切换、亮度调节、色温调节、分区控制、自定义模式保存与调用等操作。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目综合涉及嵌入式控制、LED 恒流驱动、模拟调光、传感器采样、闭环控制、人机交互和光学结构设计，目标是制作一套成本可控、结构清晰、便于复刻和展示的显微检测辅助光源系统。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>2、项目属性</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目基于官方赛题 “基于多角度可编程光源的高倍显微缺陷检测辅助系统” 进行复刻开发，并在赛题要求基础上进行功能升级、体验优化和工程化拓展。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目属于面向精密电子制造检测场景的嵌入式硬件项目，主要围绕高倍显微镜下的缺陷观察需求，完成多角度 LED 光源结构设计、恒流驱动电路设计、MCU 控制系统设计、亮度闭环算法设计和人机交互功能开发。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>项目升级拓展部分包括：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>在基础多角度照明功能上，增加多种预置检测模式，方便用户一键切换不同检测场景；<br>在基础亮度调节功能上，增加基于环境光传感器的亮度闭环控制，提高检测环境稳定性；<br>在基础 LED 控制功能上，增加暖白与冷白 LED 混光控制，实现色温连续调节；<br>在基础分区控制功能上，增加多分区轮扫模式，用于通过阴影变化辅助判断缺陷形貌；<br>在交互体验上，设计触摸屏或 PC 上位机界面，使光源参数调节更加直观。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目的硬件结构、电路设计、嵌入式软件流程、控制逻辑和外观结构均由团队结合赛题需求进行自主设计。项目计划作为本次比赛作品进行公开展示，升级拓展部分为本团队原创设计内容。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>截至当前提交阶段，本项目未在其他比赛中获奖，未作为其他比赛或答辩项目重复提交。若后续项目参加学校答辩、路演或其他赛事，将在项目说明中补充相关记录。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>3、开源协议</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目计划采用开源方式发布核心设计资料，便于其他电子爱好者、学生团队和工程开发者复刻、学习和二次开发。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>项目拟开源内容包括：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>MCU 固件源码；<br>光源控制逻辑；<br>亮度闭环控制算法；<br>预置模式切换逻辑；<br>上位机或触摸屏交互界面源码；<br>原理图与 PCB 设计文件；<br>结构设计说明；<br>项目调试文档和使用说明。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目核心功能计划开源比例不低于 80%。其中，多角度 LED 光源控制、分区亮度调节、色温调节、预置模式切换、亮度闭环控制等均属于项目核心功能，将作为主要开源内容。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目软件部分计划采用 GPL-3.0 开源协议。在该协议下，使用者可以自由学习、修改和分发本项目代码，但基于本项目代码进行二次开发并发布时，也应遵循 GPL-3.0 协议继续保持开源。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>硬件设计文件可随项目一并公开，用于学习、复刻和非商业研究。如项目后续引用第三方开源代码、开源库、芯片官方例程或公开硬件设计，将在项目文档中注明来源，并遵循原作者对应的开源协议要求。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目不会将直接引用的第三方开源代码、官方例程或市场通用模块功能作为原创核心功能进行申报。项目核心创新点主要体现在多角度可编程光源系统设计、分区独立控制、色温调节、检测模式设计和亮度闭环控制的系统集成实现。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>4、硬件部分</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目硬件系统主要由 MCU 主控模块、LED 多角度光源模块、恒流驱动模块、环境光传感器模块、人机交互模块、电源模块和结构安装模块组成。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>4.1 硬件总体架构</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>系统以高性能 MCU 作为控制核心，通过 PWM、DAC、I²C、SPI、UART 等接口完成光源驱动、传感器采样和人机交互控制。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>硬件系统主要包括：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>主控 MCU<br>负责系统任务调度；<br>控制多路 LED 光源开关和亮度；<br>读取环境光传感器数据；<br>执行亮度闭环控制算法；<br>管理预置模式和用户自定义模式；<br>与触摸屏或 PC 上位机通信。<br>多角度 LED 光源模块<br>低角度光源：用于暗场照明，突出划痕、裂纹、毛刺等缺陷；<br>高角度光源：用于明场照明，观察焊点、丝印和表面整体状态；<br>同轴光源：用于垂直方向照明，适合高反射平面检测；<br>分区光源：环形光源或条形光源划分为多个独立区域，实现局部照明控制。<br>恒流驱动模块<br>每路 LED 光源配置独立恒流驱动；<br>可选用 PT4115、AL8860 或线性恒流方案；<br>通过 PWM 或模拟电压调节 LED 电流；<br>优先采用模拟调光方式，降低频闪对显微成像的影响。<br>色温混光模块<br>每个光源区域配置暖白 LED 和冷白 LED；<br>暖白 LED 色温约 3000K；<br>冷白 LED 色温约 6500K；<br>MCU 通过调节两组 LED 电流比例，实现混合色温调节。<br>环境光传感器模块<br>使用 BH1750 或 MAX44009 等 I²C 照度传感器；<br>安装于显微镜载物台附近；<br>实时采集工作区域照度；<br>为亮度闭环控制提供反馈数据。<br>人机交互模块<br>可选 3.5 寸 SPI 触摸屏；<br>或通过 UART / USB 与 PC 上位机通信；<br>实现模式切换、亮度调节、色温设置、分区控制和参数保存。<br>电源模块<br>系统采用 12V DC 输入；<br>LED 光源由 12V 电源供电；<br>MCU、传感器、显示屏通过 DC-DC 或 LDO 转换为 5V / 3.3V；<br>电源设计需考虑 LED 多路同时点亮时的电流余量。<br>4.2 工作原理</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>用户通过触摸屏或上位机选择检测模式，MCU 根据模式参数控制对应角度和分区的 LED 光源。LED 驱动电路以恒流方式输出，保证 LED 在不同温度和供电波动下仍具有较稳定的光强。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>当系统进入亮度闭环模式时，环境光传感器实时采集载物台附近照度。MCU 将采样值与目标照度值进行比较，并通过比例调节或 PID 算法调整 LED 输出电流，使工作面照度稳定在设定范围内。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>在色温调节模式下，MCU 分别控制暖白 LED 和冷白 LED 的输出电流比例，使混合光源在 3000K-6500K 范围内变化，以适配氧化检测、丝印检测、焊盘检测等不同需求。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>4.3 调试方法</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>硬件调试主要分为以下步骤：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>检查 12V 输入、电源转换电路和 3.3V/5V 供电是否正常；<br>单独测试 MCU 最小系统，包括时钟、下载接口和串口输出；<br>逐路测试 LED 恒流驱动输出电流；<br>测试 PWM 或模拟调光控制是否线性变化；<br>测试环境光传感器 I²C 通信和照度数据读取；<br>测试触摸屏或上位机通信功能；<br>测试各光源模式切换是否正常；<br>使用照度计或传感器数据验证闭环控制效果；<br>使用 PCB、芯片或电子元器件样品进行实际显微观察测试。<br>4.4 测试目标</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>项目硬件测试目标如下：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>三种照明角度均可独立点亮；<br>每个分区可独立控制；<br>每路亮度至少支持 16 级调节；<br>色温可在暖白与冷白之间连续变化；<br>载物台工作区域照度可稳定在 1000-1500 lux 参考范围；<br>光照均匀度尽量达到 90% 以上；<br>长时间点亮后光源亮度无明显漂移；<br>系统切换模式时响应稳定，无明显闪烁或异常重启。<br>5、软件部分</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目软件系统运行在 MCU 上，可采用裸机循环或 FreeRTOS 多任务架构实现。软件主要负责光源控制、模式管理、传感器采样、闭环调节、人机交互和参数存储。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>5.1 软件总体架构</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>软件系统主要包括以下模块：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>系统初始化模块<br>初始化 MCU 时钟；<br>初始化 GPIO；<br>初始化 PWM / DAC；<br>初始化 I²C；<br>初始化 SPI / UART；<br>初始化显示屏或通信接口；<br>读取用户保存的模式参数。<br>LED 驱动控制模块<br>控制各路 LED 开关；<br>设置各路 LED 亮度；<br>控制高角度光、低角度光、同轴光；<br>控制不同分区亮度；<br>控制暖白 LED 与冷白 LED 的混光比例。<br>检测模式管理模块<br>A 模式：低角度暗场；<br>B 模式：高角度均匀光；<br>C 模式：多分区轮扫渐变；<br>D 模式：暖色温增强；<br>用户自定义模式保存与调用。<br>环境光采样模块<br>周期性读取环境光传感器；<br>对照度数据进行滤波；<br>判断当前照度是否偏离目标值；<br>向闭环控制模块提供反馈数据。<br>亮度闭环控制模块<br>设置目标照度值；<br>比较目标照度与实际照度；<br>根据误差调整 LED 亮度；<br>支持简单比例调节或 PID 调节；<br>限制最大亮度和最小亮度，避免过曝或过暗。<br>人机交互模块<br>处理触摸屏按键或滑动条输入；<br>显示当前模式、亮度、色温、分区状态；<br>处理 PC 上位机下发的控制命令；<br>回传当前系统状态。<br>参数存储模块<br>保存用户自定义光源模式；<br>保存亮度、色温、分区参数；<br>上电后自动加载上次使用配置。<br>5.2 软件流程</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>系统上电后，MCU 首先完成硬件初始化，然后进入主控制流程。用户选择检测模式后，系统根据模式参数设置对应光源。如果开启亮度闭环，系统周期性读取照度传感器数据，并自动修正 LED 输出亮度。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>基本流程如下：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>系统上电；<br>MCU 初始化外设；<br>读取默认参数；<br>初始化显示界面或上位机通信；<br>等待用户选择检测模式；<br>根据模式控制 LED 光源；<br>周期性采集环境照度；<br>执行亮度闭环调节；<br>实时响应用户调节；<br>保存用户自定义参数；<br>持续运行检测辅助照明。<br>5.3 亮度闭环算法说明</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>亮度闭环控制的目标是使载物台工作面照度保持在设定范围内。例如用户设定目标照度为 1200 lux，系统读取环境光传感器数据后，计算当前照度与目标照度之间的误差。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>若当前照度低于目标值，系统提高 LED 输出亮度；若当前照度高于目标值，系统降低 LED 输出亮度。为了避免亮度突变，软件会对传感器数据进行滤波，并限制每次调节的最大步进。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>简化控制逻辑如下：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>error = target_lux - current_lux;<br>led_output = led_output + Kp * error;</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>后续可根据实际测试效果升级为 PID 控制，提高稳定性和响应速度。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>5.4 色温调节算法说明</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>系统通过调节冷白 LED 和暖白 LED 的亮度比例实现混合色温控制。设冷白 LED 色温为 6500K，暖白 LED 色温为 3000K，当冷白占比提高时，混合光偏冷；当暖白占比提高时，混合光偏暖。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>简化计算方式如下：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>CCT_mix = (CCT_C * I_C + CCT_W * I_W) / (I_C + I_W);</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>实际使用中，系统需要结合 LED 实测亮度和传感器反馈进行标定，使显示色温与实际观测效果尽量一致。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>5.5 编译与烧录说明</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>本项目 MCU 固件可使用以下开发环境之一：</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>Keil MDK；<br>STM32CubeIDE；<br>MounRiver Studio；<br>VS Code + GCC 工具链。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>具体开发环境根据最终选用 MCU 型号确定。程序编译完成后，通过 SWD、J-Link、DAPLink 或 WCH-Link 等下载器烧录至 MCU。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>6、BOM清单</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>以下为项目初步 BOM 清单，后续将根据最终原理图和 PCB 设计进一步完善。</p> <h3 style="line-height:1.8;"> </h3> <p>序号 名称 型号参考 数量 用途<br>1 主控 MCU CH32H417 / CH32V407 / STM32 系列 1 系统主控、光源控制、传感器采样<br>2 LED 恒流驱动芯片 PT4115 / AL8860 若干 多路 LED 恒流驱动<br>3 暖白 LED 3000K，CRI≥90 优先 若干 暖色温照明<br>4 冷白 LED 6500K，CRI≥90 优先 若干 冷白光照明<br>5 环境光传感器 BH1750 / MAX44009 1 检测工作面照度<br>6 MOS 管 逻辑电平 NMOS 若干 LED 通道开关或调光<br>7 运算放大器 通用低噪声运放 若干 模拟调光 / 电流采样扩展<br>8 DAC 芯片 MCP4728 / MCU 内置 DAC 1 模拟调光控制<br>9 触摸屏 3.5 寸 SPI 电容触摸屏 1 人机交互<br>10 DC 电源接口 12V DC 座 1 系统电源输入<br>11 DC-DC 电源芯片 12V 转 5V / 3.3V 若干 给 MCU、屏幕、传感器供电<br>12 半反半透镜 45° 安装 1 同轴光结构<br>13 铝基板 定制 LED 灯板 若干 LED 光源安装和散热<br>14 散热结构件 铝件 / 散热片 若干 LED 散热<br>15 结构外壳 3D 打印 / CNC / 亚克力 1 套 固定光源与显微镜结构<br>16 电阻电容 常规阻容器件 若干 滤波、分压、采样<br>17 接插件 PH / XH / Type-C / 排针 若干 模块连接<br>18 PCB 嘉立创打样 1 套 主控板、驱动板、LED 灯板</p> </div>