<p>1、项目功能介绍</p> <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> <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> <p>本项目主要实现以下功能：</p> <p>多角度光源控制 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。 低角度光用于突出划痕、裂纹、边缘毛刺等表面凹凸缺陷； 高角度光用于观察焊点轮廓、丝印清晰度、表面整体特征； 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。 分区独立亮度调节 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。 亮度等级调节 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。 色温调节功能 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。 预置检测模式 系统内置多种检测模式，包括： A 模式：低角度暗场模式，用于划痕、裂纹观察； B 模式：高角度均匀光模式，用于常规表面检测； 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； D 模式：暖色温增强模式，用于氧化、变色和焊盘色差观察。 亮度闭环控制 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。 人机交互功能 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> <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> <p>2、项目属性</p> <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> <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> <p>项目升级拓展部分包括：</p> <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； 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； 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； 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； 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> <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> <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> <p>3、开源协议</p> <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> <p>项目拟开源内容包括：</p> <p>MCU 固件源码； 光源控制逻辑； 亮度闭环控制算法； 预置模式切换逻辑； 上位机或触摸屏交互界面源码； 原理图与 PCB 设计文件； 结构设计说明； 项目调试文档和使用说明。</p> <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> <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> <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> <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> <p>4、硬件部分</p> <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> <p>4.1 硬件总体架构</p> <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> <p>硬件系统主要包括：</p> <p>主控 MCU 负责系统任务调度； 控制多路 LED 光源开关和亮度； 读取环境光传感器数据； 执行亮度闭环控制算法； 管理预置模式和用户自定义模式； 与触摸屏或 PC 上位机通信。 多角度 LED 光源模块 低角度光源：用于暗场照明，突出划痕、裂纹、毛刺等缺陷； 高角度光源：用于明场照明，观察焊点、丝印和表面整体状态； 同轴光源：用于垂直方向照明，适合高反射平面检测； 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。 恒流驱动模块 每路 LED 光源配置独立恒流驱动； 可选用 PT4115、AL8860 或线性恒流方案； 通过 PWM 或模拟电压调节 LED 电流； 优先采用模拟调光方式，降低频闪对显微成像的影响。 色温混光模块 每个光源区域配置暖白 LED 和冷白 LED； 暖白 LED 色温约 3000K； 冷白 LED 色温约 6500K； MCU 通过调节两组 LED 电流比例，实现混合色温调节。 环境光传感器模块 使用 BH1750 或 MAX44009 等 I²C 照度传感器； 安装于显微镜载物台附近； 实时采集工作区域照度； 为亮度闭环控制提供反馈数据。 人机交互模块 可选 3.5 寸 SPI 触摸屏； 或通过 UART / USB 与 PC 上位机通信； 实现模式切换、亮度调节、色温设置、分区控制和参数保存。 电源模块 系统采用 12V DC 输入； LED 光源由 12V 电源供电； MCU、传感器、显示屏通过 DC-DC 或 LDO 转换为 5V / 3.3V； 电源设计需考虑 LED 多路同时点亮时的电流余量。 4.2 工作原理</p> <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> <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> <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> <p>4.3 调试方法</p> <p>硬件调试主要分为以下步骤：</p> <p>检查 12V 输入、电源转换电路和 3.3V/5V 供电是否正常； 单独测试 MCU 最小系统，包括时钟、下载接口和串口输出； 逐路测试 LED 恒流驱动输出电流； 测试 PWM 或模拟调光控制是否线性变化； 测试环境光传感器 I²C 通信和照度数据读取； 测试触摸屏或上位机通信功能； 测试各光源模式切换是否正常； 使用照度计或传感器数据验证闭环控制效果； 使用 PCB、芯片或电子元器件样品进行实际显微观察测试。 4.4 测试目标</p> <p>项目硬件测试目标如下：</p> <p>三种照明角度均可独立点亮； 每个分区可独立控制； 每路亮度至少支持 16 级调节； 色温可在暖白与冷白之间连续变化； 载物台工作区域照度可稳定在 1000-1500 lux 参考范围； 光照均匀度尽量达到 90% 以上； 长时间点亮后光源亮度无明显漂移； 系统切换模式时响应稳定，无明显闪烁或异常重启。 5、软件部分</p> <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> <p>5.1 软件总体架构</p> <p>软件系统主要包括以下模块：</p> <p>系统初始化模块 初始化 MCU 时钟； 初始化 GPIO； 初始化 PWM / DAC； 初始化 I²C； 初始化 SPI / UART； 初始化显示屏或通信接口； 读取用户保存的模式参数。 LED 驱动控制模块 控制各路 LED 开关； 设置各路 LED 亮度； 控制高角度光、低角度光、同轴光； 控制不同分区亮度； 控制暖白 LED 与冷白 LED 的混光比例。 检测模式管理模块 A 模式：低角度暗场； B 模式：高角度均匀光； C 模式：多分区轮扫渐变； D 模式：暖色温增强； 用户自定义模式保存与调用。 环境光采样模块 周期性读取环境光传感器； 对照度数据进行滤波； 判断当前照度是否偏离目标值； 向闭环控制模块提供反馈数据。 亮度闭环控制模块 设置目标照度值； 比较目标照度与实际照度； 根据误差调整 LED 亮度； 支持简单比例调节或 PID 调节； 限制最大亮度和最小亮度，避免过曝或过暗。 人机交互模块 处理触摸屏按键或滑动条输入； 显示当前模式、亮度、色温、分区状态； 处理 PC 上位机下发的控制命令； 回传当前系统状态。 参数存储模块 保存用户自定义光源模式； 保存亮度、色温、分区参数； 上电后自动加载上次使用配置。 5.2 软件流程</p> <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> <p>基本流程如下：</p> <p>系统上电； MCU 初始化外设； 读取默认参数； 初始化显示界面或上位机通信； 等待用户选择检测模式； 根据模式控制 LED 光源； 周期性采集环境照度； 执行亮度闭环调节； 实时响应用户调节； 保存用户自定义参数； 持续运行检测辅助照明。 5.3 亮度闭环算法说明</p> <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> <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> <p>简化控制逻辑如下：</p> <p>error = target_lux - current_lux; led_output = led_output + Kp * error;</p> <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> <p>5.4 色温调节算法说明</p> <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> <p>简化计算方式如下：</p> <p>CCT_mix = (CCT_C * I_C + CCT_W * I_W) / (I_C + I_W);</p> <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> <p>5.5 编译与烧录说明</p> <p>本项目 MCU 固件可使用以下开发环境之一：</p> <p>Keil MDK； STM32CubeIDE； MounRiver Studio； VS Code + GCC 工具链。</p> <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> <p>6、BOM清单</p> <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> <p>序号 名称 型号参考 数量 用途 1 主控 MCU CH32H417 / CH32V407 / STM32 系列 1 系统主控、光源控制、传感器采样 2 LED 恒流驱动芯片 PT4115 / AL8860 若干 多路 LED 恒流驱动 3 暖白 LED 3000K，CRI≥90 优先 若干 暖色温照明 4 冷白 LED 6500K，CRI≥90 优先 若干 冷白光照明 5 环境光传感器 BH1750 / MAX44009 1 检测工作面照度 6 MOS 管 逻辑电平 NMOS 若干 LED 通道开关或调光 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 8 DAC 芯片 MCP4728 / MCU 内置 DAC 1 模拟调光控制 9 触摸屏 3.5 寸 SPI 电容触摸屏 1 人机交互 10 DC 电源接口 12V DC 座 1 系统电源输入 11 DC-DC 电源芯片 12V 转 5V / 3.3V 若干 给 MCU、屏幕、传感器供电 12 半反半透镜 45° 安装 1 同轴光结构 13 铝基板 定制 LED 灯板 若干 LED 光源安装和散热 14 散热结构件 铝件 / 散热片 若干 LED 散热 15 结构外壳 3D 打印 / CNC / 亚克力 1 套 固定光源与显微镜结构 16 电阻电容 常规阻容器件 若干 滤波、分压、采样 17 接插件 PH / XH / Type-C / 排针 若干 模块连接 18 PCB 嘉立创打样 1 套 主控板、驱动板、LED 灯板 7、大赛 LOGO 验证</p> <p>这里可以先写：</p> <p>项目 PCB 将按照大赛要求放置大赛 LOGO 丝印，LOGO 将放置在主控 PCB 或光源驱动 PCB 的明显区域。待 PCB 设计完成并打样后，将上传包含大赛 LOGO 丝印的实物照片，用于完成大赛 LOGO 验证。</p> <p>8、演示项目视频说明</p> <p>这里可以先写：</p> <p>项目演示视频将采用横屏拍摄，分辨率不低于 1280×720，视频格式为 MP4。演示内容计划包括以下部分：</p> <p>项目背景与功能介绍； 系统硬件结构展示； 多角度光源模式演示； 分区独立控制演示； 色温调节演示； 亮度闭环控制演示； PCB / 芯片 / 电子元器件样品显微观察效果对比； 项目总结与后续优化方向。</p> <p>视频标题计划采用：</p> <p>立创电赛：《多角度可编程显微光源》-项目功能演示</p>