基于STM32的紫外光疗仪设计

基于STM32的紫外光疗仪控制系统设计

在慢性皮肤病治疗领域，银屑病、白癜风等疾病的长期管理一直面临疗效与安全性的双重挑战。近年来，紫外光疗因其非侵入性、副作用可控和临床验证充分，逐渐成为主流辅助疗法之一。然而，传统设备多依赖机械定时器或简单电路控制，存在剂量不准、无反馈调节、缺乏过热保护等问题，容易导致治疗不足或皮肤灼伤风险。

正是在这种背景下，嵌入式系统开始扮演关键角色。以 STM32F103C8T6 为代表的高性能ARM Cortex-M3微控制器，凭借其丰富的外设资源、实时处理能力和高集成度，为构建智能化、闭环控制的紫外光疗仪提供了理想平台。它不仅能实现精准的时间与剂量管理，还能通过传感器反馈动态调整输出，真正让“按需照射”成为可能。

这套系统的价值不仅体现在技术先进性上，更在于它解决了医疗应用中的几个核心痛点：如何确保每次治疗的剂量一致？怎样防止LED过热引发安全隐患？用户操作是否足够直观？而答案就藏在软硬件协同设计之中。

整个系统围绕STM32展开，集成了UV强度采集、温度监控、PWM调光、人机交互与异常响应机制。主控芯片通过ADC持续读取紫外传感器信号，并结合时间积分算法计算累计剂量（单位：J/cm²），一旦达到预设值即自动关闭光源——这比单纯依靠计时器要可靠得多。毕竟，LED老化、电源波动、环境温度变化都会影响实际辐照强度，仅靠固定时间无法保证治疗效果的一致性。

例如，在一段典型的治疗流程中，用户通过按键设置目标剂量为300 mJ/cm²。系统启动后，STM32输出一定占空比的PWM信号驱动UVB LED阵列发光。同时，每100ms进行一次ADC采样，将传感器电压转换为当前光强（mW/cm²），并累加至总剂量。假设某次测量得到平均强度为3 mW/cm²，则每秒贡献3 mJ/cm²，约100秒即可完成治疗。若因散热不良导致LED效率下降，光强降至2.5 mW/cm²，系统会自动延长照射时间，从而保障最终剂量不变。

这种闭环控制的背后，离不开高质量的传感元件。我们选用如GUVA-S12SD这类专用于紫外波段的光电二极管模块，其响应范围覆盖240–370 nm，灵敏度约为0.1 V/(mW/cm²)。虽然原始输出较弱，但通过运放放大后接入STM32内置的12位ADC（4096级分辨率），仍可实现精细量化。配合出厂校准因子，能将ADC读数稳定地转化为物理单位，误差控制在±10%以内。

与此同时，热管理同样不可忽视。尽管UVB LED属于冷光源，但其电光转换效率通常只有20%-30%，其余能量均以热量形式释放。长时间工作下，基板温度可能迅速攀升至60°C以上，不仅加速器件老化，还存在烫伤风险。为此，我们在LED铝基板上贴附NTC热敏电阻，实时监测温度变化。当检测到超过阈值（如60°C）时，MCU立即降低PWM占空比，进入降功率运行模式；若配有风扇，还可触发冷却逻辑。待温度回落至安全区间后再恢复常态，形成完整的温控闭环。

// sensor_control.c
float integrate_uv_dose(void)
{
    static float total_dose = 0.0f;
    uint16_t adc_val = Read_ADC_Channel(ADC_CHANNEL_UV);
    float voltage = (adc_val / 4095.0f) * 3.3f;
    float intensity = voltage * CALIBRATION_FACTOR;  // 单位：mW/cm²

    total_dose += intensity * SAMPLE_INTERVAL_S;  // 如0.1秒
    return total_dose;
}

void check_temperature_protection(void)
{
    uint16_t temp_adc = Read_ADC_Channel(ADC_CHANNEL_TEMP);
    float temp_voltage = (temp_adc / 4095.0f) * 3.3f;
    float resistance = (temp_voltage * R_REF) / (3.3f - temp_voltage);
    float temperature = B_VALUE / log(resistance / R25) - 273.15;

    if (temperature > 60.0f)
    {
        reduce_pwm_brightness();  // 降功率运行
        activate_cooling_fan();   // 若配有风扇
    }
    else if (temperature < 50.0f)
    {
        restore_normal_operation();
    }
}

上述代码片段展示了剂量积分与温度保护的核心逻辑。值得注意的是，温度计算采用了查表法结合Steinhart-Hart方程近似处理，避免浮点运算开销过大。而对于剂量累积，采样周期设定为100ms，既满足精度需求，又不会过度占用CPU资源。实践中建议启用定时器中断来调度这些任务，确保时间基准准确，而非依赖 HAL_Delay() 这类阻塞式延时。

驱动方面，采用DC-DC恒流源配合PWM调光是当前最主流的方案。相比模拟调光，PWM能保持LED色温稳定，且调光线性度更好。我们选择LM3409这类专用LED驱动IC，配合检流电阻构成电流反馈回路，确保输出恒定。STM32只需提供频率高于2kHz的PWM信号（防止可见闪烁和音频噪声干扰），即可实现从10%到100%的亮度调节。实际测试表明，该方式可在全范围内维持±5%的电流稳定性。

当然，再强大的功能也需要友好的交互支撑。系统配备OLED显示屏与三按键（上/下/确认）组合，支持多级菜单操作：用户可选择预设模式（如儿童模式、强化模式）、手动输入剂量、查看历史记录等。所有参数掉电后保存于内部EEPROM或外部存储器中，避免重复设置。一旦发生超时、高温或传感器异常，蜂鸣器立即报警，红色LED闪烁提示，并强制切断UV电源——这一系列动作由独立的GPIO中断和看门狗机制保障，即使主程序跑飞也能及时响应。

参数	典型值	来源
UV响应范围	240–370 nm	GUVA-S12SD datasheet
灵敏度	~0.1 V/(mW/cm²)	实测校准
ADC分辨率	12-bit（4096级）	STM32F103
温度采样精度	±1°C（NTC+查表法）	NTC 10kΩ B=3950

从工程角度看，有几个细节值得特别注意。首先是传感器安装位置——必须位于有效照射区域内且避免遮挡，否则反馈失真会导致剂量误判；其次，PWM频率不宜过低，推荐使用2kHz以上，既能消除人眼感知的闪烁，又能减少开关噪声对敏感模拟电路的影响；再者，整个高压驱动部分应与MCU侧做好电气隔离，必要时使用光耦或隔离电源模块，提升系统抗干扰能力。

此外，医疗设备的安全标准不容妥协。IEC 60601系列对漏电流、绝缘耐压、机械防护均有严格要求。外壳需具备防紫外线泄漏设计（如深色遮光罩、物理互锁开关），确保设备开启时患者不会意外暴露。PCB布局也应遵循EMI抑制原则：电源路径短而粗，高频走线远离模拟区，关键节点加磁珠和滤波电容。这些措施虽不直接体现功能，却是产品能否通过认证的关键所在。

// main.c 片段：主控制循环示例
#include "stm32f1xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim2;  // PWM控制UV灯
ADC_HandleTypeDef hadc1;  // 采集UV强度与温度
uint16_t uv_adc_value;
float uv_dose = 0.0f;
uint32_t treatment_time_s = 0;
uint8_t treatment_running = 0;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_TIM2_Init();
    MX_ADC1_Init();

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);  // 启动PWM输出

    while (1)
    {
        if (treatment_running)
        {
            uv_adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  // 获取UV传感器值
            float uv_intensity_mWcm2 = (uv_adc_value / 4095.0f) * 10.0f;  // 校准为mW/cm²
            uv_dose += uv_intensity_mWcm2 * 0.1f;  // 每100ms积分一次
            treatment_time_s += 0.1f;

            // 判断是否达到预设剂量
            if (uv_dose >= TARGET_DOSE || treatment_time_s >= MAX_TIME_S)
            {
                treatment_running = 0;
                __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 0);  // 关闭UV灯
                HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET);
            }
        }
        HAL_Delay(100);  // 100ms循环周期
    }
}

回到最初的设计目标：精准、安全、易用。这套基于STM32的控制系统不仅实现了剂量闭环控制，还通过多重软硬件保护机制提升了整体可靠性。相比传统8位单片机方案，Cortex-M3内核带来的性能跃升使得复杂算法（如积分、查表、PID调节）得以轻松运行，而丰富的外设接口大幅减少了外围芯片数量，降低了故障率。

更重要的是，这种架构具有良好的扩展潜力。未来可通过增加蓝牙模块实现手机端配置与数据同步，或将治疗日志上传至云端，供医生远程评估疗效。进一步结合AI算法分析个体反应趋势，甚至可发展为个性化推荐治疗方案的智能终端。

可以说，这不仅仅是一台光疗仪的升级，更是嵌入式技术赋能医疗健康的一个缩影。用一颗低成本的MCU，把原本粗糙的经验性治疗转变为可量化、可追溯、可优化的科学过程，真正体现了“科技服务健康”的本质。随着更多开发者加入这一领域，未来的家用医疗设备必将更加智能、安全且人性化。