舞臺光效控制系統(tǒng)設計

PAGEPAGE13哈爾濱工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）I-摘要舞臺燈光特效是舞臺重要的組成部分，傳統(tǒng)的舞臺燈光控制裝置是人工控制或者機械傳動來完成的，響應速度慢，容易出故障，因此，需要新的控制系統(tǒng)來解決傳統(tǒng)舞臺光效控制系統(tǒng)的痛點，使舞臺燈光控制方式效率變高，提升舞臺效果，防止升降舞臺無法同步升降而導致演出事故，燈光是舞臺表演中的重要因素，起到對舞臺效果的烘托和渲染作用，隨著人們生活水平的提高和各種先進技術的發(fā)展，舞臺燈光的數(shù)里和種類越來越多，必須采用先進的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對舞臺燈光的控制。本文設計了一種基于單片機的舞臺燈光控制系統(tǒng)，針對舞臺燈數(shù)量較多，且閃爍效果多變的特點。結合單片機控制的優(yōu)點，通過單片機、角度傳感器、無線通信模塊實現(xiàn)對燈光的控制，通過對電機的控制來實現(xiàn)二維運動、顏色透鏡的控制，達到預期的設計功能。其次，針對升降舞臺同步控制系統(tǒng)大慣性、非線性、時變性等特點，結合單片機控制的優(yōu)點，通過角度傳感器和電機驅動裝置實現(xiàn)LED射燈的同步控制，可以遠程手動操作和自動控制，實現(xiàn)燈光的不同效果組合，通過軟硬件設計使系統(tǒng)達到系統(tǒng)同步性、快速性、穩(wěn)定性的要求。關鍵詞：單片機；角度傳感器；燈光控制；遠程操作AbstractThestagelightingeffectisanimportantpartofthestage.Thetraditionalstagelightingcontroldeviceismanuallycontrolledormechanicallydriven,whichisslowinresponseandpronetofailure.Therefore,anewcontrolsystemisneededtosolvethepainpointofthetraditionalstagelightingeffectcontrolsystem,improvetheefficiencyofthestagelightingcontrolmode,improvethestageeffect,andpreventtheliftingstagefrombeingunabletorisesynchronously.Lightingisanimportantfactorinstageperformance,whichplaysanimportantroleinsettingoffandrenderingstageeffect.Withtheimprovementofpeople'slivingstandardsandthedevelopmentofvariousadvancedtechnologies,therearemoreandmorekindsofstagelighting.Advancedcontrolsystemmustbeusedtocontrolstagelighting.Inthispaper,astagelightingcontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputerisdesigned,aimingatthecharacteristicsofmorestagelightsandchangeableflashingeffect.Combinedwiththeadvantagesofsingle-chipmicrocomputercontrol,throughthesingle-chipmicrocomputer,anglesensor,wirelesscommunicationmoduletoachievethecontroloflight,throughthecontrolofthemotortoachievetwo-dimensionalmovement,colorlenscontrol,toachievetheexpecteddesignfunction.Secondly,accordingtothecharacteristicsoflargeinertia,non-linearandtime-varyingoftheliftingstagesynchronouscontrolsystem,combinedwiththeadvantagesofconventionalPIDcontrol,thesynchronouscontrolofthestagesystemisrealizedbyanglesensorandmotordrivedevice,whichcanbecontrolledmanuallyandautomaticallyremotely,andrealizethedifferenteffectcombinationoflights.Thesystemcanachievethesynchronization,rapidityandstabilitythroughthedesignofsoftwareandhardware.Requirements.Keywords：Singlechipmicrocomputer;anglesensor;lightcontrol;remoteoperation

目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景及意義 11.2國內外研究現(xiàn)狀 21.3課題的設計目標 21.4課題研究的主要內容 3第2章系統(tǒng)設計與方案論證 42.1系統(tǒng)總體方案設計 42.2主控芯片的選擇 52.3角度傳感器的選擇 62.4系統(tǒng)驅動電路的選擇 72.4.1電機的選擇 72.4.2電機驅動模塊的選擇 82.4.3燈光控制芯片的選擇 82.5顯示模塊的選擇 92.6無線通信的選擇 102.7系統(tǒng)電源的選擇 11本章小結 12第3章系統(tǒng)硬件電路設計 133.1最小核心系統(tǒng)設計 133.2角度檢測電路設計 143.3步進驅動電路設計 143.4遠程控制電路設計 153.5系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路設計 163.5燈光控制電路設計 163.7系統(tǒng)電源電路設計 17本章小結 18第4章系統(tǒng)的軟件設計 194.1系統(tǒng)主程序設計 194.2數(shù)據(jù)顯示子程序設計 204.3步進電機控制子程序設計 20本章小結 21第5章系統(tǒng)實物調試 225.1系統(tǒng)調試 225.2調試結論 235.3實物圖片 23本章小結 24結論 25致謝 26參考文獻 27附錄一 28附錄二 29第1章緒論1.1課題背景及意義燈光是舞臺重要的特效，通過燈光可以提升舞臺的效果，達到渲染環(huán)境的目的，而舞臺的燈光并不是簡單的燈光設備的組合，為了表達出燈光的效果，包括色彩的切換，明暗變化等，都是需要通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的，并實現(xiàn)精準的控制才能達到最好的舞臺效果，實現(xiàn)對燈光的亮度控制，色彩變換，位置移動等效果。傳統(tǒng)的舞臺燈光控制系統(tǒng)包含三個部分，分別是對光強弱進行調節(jié)的調光系統(tǒng)，通燈光方向和動作控制的主控系統(tǒng)，對色彩進行變換的控制系統(tǒng)，而燈光系統(tǒng)的控制方式也由傳統(tǒng)的模擬法變成數(shù)字控制，再到遠程的無線網(wǎng)絡控制等，傳統(tǒng)的燈光控制系統(tǒng)都是分別控制的，各自獨立的系統(tǒng)，但是進入到網(wǎng)絡時代后，三個系統(tǒng)融合起來，并對舞臺的光效進行控制，這種系統(tǒng)功能更強大，同時操作簡單，能夠滿足大部分舞臺燈光特效的需求，舞臺燈光網(wǎng)絡系統(tǒng)的組成滿足了舞臺特效的要求，通過舞臺燈光控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸機制控制系統(tǒng)中的調光單元，運動控制單元，換色器等設備，這些設備又通過網(wǎng)絡進行連接，這樣設備在局域網(wǎng)內進行互通互聯(lián)，但是由于舞臺燈光控制系統(tǒng)內的設備使用的協(xié)議是DMX協(xié)議，需要進行協(xié)議轉換才能夠使用，這樣就增加了設備的數(shù)量和系統(tǒng)的復雜性，操作起來容易產(chǎn)生錯誤，因此，目前市場上的舞臺燈光控制系統(tǒng)還比較復雜，且需要專門人員進行調試和操作，不能滿足環(huán)境的變化需求，因此隨著嵌入式技術的發(fā)展，舞臺燈光控制系統(tǒng)的自動化程度和控制的靈活性也得到了提高。在國際潮流和科技的推動下，舞臺燈光控制系統(tǒng)向著自動化，集成化發(fā)展，通過電腦的控制就能夠完成所有的舞臺燈光的控制，降低了系統(tǒng)的操作難度，同時向相比于傳統(tǒng)的舞臺燈光控制系統(tǒng)，采用無線控制的舞臺燈光系統(tǒng)更加高效，適應能力強，同時也徹底改變了舞臺控制系統(tǒng)的布線方式，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無線控制，且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，不僅沒話了舞臺空間，還使得舞臺效果更容易控制和多樣，同時也要提高舞臺控制系統(tǒng)的安全性。燈光舞臺控制系統(tǒng)是舞臺的重要組成部分，它的控制精度和效果有著舉足輕重的影響，先進的舞臺控制系統(tǒng)可以很大程度將舞臺的燈光效果展示出來，并隨著數(shù)字技術的發(fā)展，數(shù)字化和網(wǎng)絡化也推動了人舞臺燈光控制系統(tǒng)的發(fā)展。1.2國內外研究現(xiàn)狀國外對舞臺燈光控制系統(tǒng)的研究比較早，例如英國寶沙公司生產(chǎn)的第一臺由電腦控制的PULSAR108控臺，它是一種模擬技術的控制臺，可輸出0-10V信號，RS232信號和DMX512信號，并且有108路的控制通道，并在程序的設定下，對126個場景進行記憶，，54個跑燈的運行進行記憶，還有6個遠景燈等等。愛富麗公司研制的AZURE2000控制臺更加先進功能也更多，設備可以輸出四路標準DMX512信號，控制端口可以達到2048個，可以滿足更大型的舞臺燈光的控制，同時可以控制200個電腦燈，對400個場景進行記憶，通過內部的軟盤驅動器可存儲或載入燈光程序，同時為了滿足不同的需求，還可以進行軟件安裝及控臺升級，通過VGA連接顯示器，了解系統(tǒng)的運行工作狀態(tài)。我國在舞臺燈光的美觀設計上的技術已經(jīng)非常成熟，只是在舞臺燈光系統(tǒng)的實際控制方面稍有欠缺，缺乏技術儲備，有一些廠商已經(jīng)開始對舞臺燈光控制系統(tǒng)進行資金投入，開發(fā)出新的舞臺燈光控制系統(tǒng)，但是還不能完全取代成熟的國外產(chǎn)品。北京零眾文化的舞臺燈光控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對舞臺、酒店、演唱會等場地進行舞臺燈光的控制。昇銳文化公司研發(fā)的數(shù)字舞臺燈光控制臺，實現(xiàn)對場地燈光的遠程控制，金舞臺川系列-GLODSTAGEⅢ，金舞臺一Ⅲ系列網(wǎng)絡調光臺是國內最高檔次的可配置雙主機熱備份系統(tǒng)的燈光臺。它具有強大的非常人性化和智能化的編排監(jiān)控功能，用戶不僅可以方便地編排各種燈光場景還能監(jiān)控調光系統(tǒng)的實際運行狀況?，F(xiàn)今隨著計算機網(wǎng)絡技術的普及，燈光控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化日益成熟，智能化網(wǎng)絡化燈光控制系統(tǒng)已經(jīng)形成大勢。單獨采用TCPIP以太網(wǎng)網(wǎng)絡技術，或采用TCPIP以太網(wǎng)與傳統(tǒng)的DMX控制技術相結合的方式，來控制整個燈光系統(tǒng)。1.3課題的設計目標隨著嵌入式技術的發(fā)展，人們對生活質量的提高，越來越多的燈光裝飾進入到我們的生活中，其中舞臺燈光作為渲染環(huán)境氣氛，增強人們感官的裝置，也越來越常見，步進為人們的生活增加樂趣，同時也為各種舞臺、演唱會、聚會等活動帶來絢麗的燈光效果。并且隨著技術的發(fā)展，舞臺燈光控制系統(tǒng)也向著更加小型化，智能化，精準化的方向發(fā)展，隨著嵌入式技術的發(fā)展，舞臺燈光控制系統(tǒng)也進行了更新?lián)Q代，通過微處理器實現(xiàn)對舞臺燈光的控制，因此，本課題以舞臺燈光控制系統(tǒng)為目標，系統(tǒng)采用可編程單片機做系統(tǒng)的主控芯片，通過單片機來控制外圍的電路，包括對燈光承載平臺的控制，平臺可以實現(xiàn)X和Y軸的運動，是一種二維云臺。單片機通過控制X軸和Y軸的電機來實現(xiàn)對云臺的控制，同時為了更精準的實現(xiàn)遠程控制命令，系統(tǒng)的前端為角度傳感器，通過安裝在云臺上的角度傳感器來感受云臺的運動狀態(tài)，并根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)來調整云臺的姿態(tài)，通過傳感器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)閉環(huán)的控制，調整云臺的角度，直到系統(tǒng)的云臺達到指定的狀態(tài)。完成云臺的控制后，還需要實現(xiàn)對顏色透鏡的控制，通過電機來切換透鏡達到燈光色彩的控制。為了提高系統(tǒng)的靈活性，系統(tǒng)不但能按照預先設定好的指令來執(zhí)行燈光的控制，還可以實現(xiàn)遠程的手動控制，通過無線裝置來實現(xiàn)遠程的控制，通過無線模塊發(fā)送指令來控制燈光云臺。舞臺燈光控制系統(tǒng)設計是遵循舞臺表演的規(guī)律和特殊使用要求進行配置的，其目的在于將各種表演藝術再現(xiàn)過程所需的燈光工藝設備按系統(tǒng)工程進行設計配置使舞臺燈光系統(tǒng)準確、快速。提高系統(tǒng)的自動化與智能化，減少了系統(tǒng)出錯的幾率，最終實現(xiàn)舞臺光效的控制。1.4課題研究的主要內容課題是基于單片機的舞臺光效控制系統(tǒng)，通過單片機來進行整個系統(tǒng)的控制和運行，首先選擇合適的角度傳感器，然后通過角度傳感器對二維云臺的和LED射燈的角度進行檢測，然后再通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給單片機數(shù)據(jù)信息，因此，前端傳感器的檢測值直接決定了系統(tǒng)處理電路的工作效率，系統(tǒng)的檢測電路完成后，對系統(tǒng)的控制電路進行設計，控制電路是根據(jù)系統(tǒng)前端檢測的角度的大小和差量來進行反饋的，控制部分使用驅動電路，將單片機的信號轉換成電流輸出，通過這種方式可以很精準的控制云臺角度，達到精準控制的目的，為了使系統(tǒng)的控制更加靈活，使用無線通信方式遠程手動控制，同時為了直接表達數(shù)據(jù)，通過液晶來顯示數(shù)據(jù)，實時掌握傳感器檢測的系統(tǒng)狀態(tài)，整個系統(tǒng)實際上形成了一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，主要功能是實現(xiàn)對角度的檢測和控制，課題的研究內容可以分成以下幾點。（1）對角度檢測裝置進行功能設計，針對技術難點進行研究；（2）通過對檢測系統(tǒng)的結構進行設計，并構思硬件原理；（3）系統(tǒng)可以分成幾個部分，包括處理數(shù)據(jù)部分，檢測部分，通信部分，執(zhí)行部分等；（4）通過軟硬件聯(lián)調實現(xiàn)對氣角度的檢測和控制；（5）優(yōu)化硬件電路設計和連接，提高系統(tǒng)抗干擾性第2章系統(tǒng)設計與方案論證舞臺光效控制系統(tǒng)需要有硬件系統(tǒng)的支持，但并不是所有的硬件都是用于控制系統(tǒng)中，因此，我們需要根據(jù)實際的需求和現(xiàn)象來對各個器件和模塊進行選型，包括單片機、傳感器、步進電機及驅動等等，方案論證為系統(tǒng)的選型和設計提供了參考的方案。2.1系統(tǒng)總體方案設計舞臺光效控制系統(tǒng)是基于單片機的一種精準的控制系統(tǒng)，通過角度感器實現(xiàn)對LED射燈的實時測量，并通過控制步進電機來改變LED射燈及二維云臺的狀態(tài)。其中微處理器使用八位單片機，并設計出合理的外圍電路和模塊，配合單片機進行反饋控制，當二維云臺在單片機的指令下進行運行時，它面臨的主要問題就是操作的準確性和快速性，因此在系統(tǒng)進入到運行狀態(tài)時，需要通PID算法來進行輔助控制，通過傳感器來進行傾斜角度的測量，配合單片機矯正二維云臺的狀態(tài)。在本次課題中將使用兩個角度傳感器對二維云臺的兩個方向進行控制，同時控制燈光的切換，在本次設計中，以單片機為主控制器進行系統(tǒng)的架構和建模，通過外圍模塊及電路對系統(tǒng)進行功能驗證，系統(tǒng)結構框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)結構框圖從舞臺光效控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構框圖中可知，左側為系統(tǒng)的輸入端，包括時鐘信號，復位信號等，這兩個信號是單片機最小系統(tǒng)的工作保證，還有角度傳感器電路，電源電路等，如果系統(tǒng)的運行停止在某一個狀態(tài)，則說明程序未進行，這時候可以通過復位電路來重啟系統(tǒng)，時鐘電路為系統(tǒng)的運行提供時鐘信號，單片機作為數(shù)據(jù)的接收端和指令的發(fā)送端，負責接收角度傳感器數(shù)據(jù)的接收，并將數(shù)字量顯示在顯示模塊上。左側為系統(tǒng)的輸出端，包括顯示電路、驅動電路、步進電機以及無線通信電路，形成一個數(shù)據(jù)和控制的閉環(huán)電路，并通過單片機實現(xiàn)對系統(tǒng)的核心控制。系統(tǒng)首先通角度傳感器發(fā)送角度數(shù)據(jù)到單片機的串口單片機對數(shù)字量進行處理，根據(jù)數(shù)字量得到實際的二維云臺角度，并將實際的角度與設定的角度進行對比，如果有誤差△S（代表角度差），則單片機控制驅動器和步進電機實現(xiàn)對二維云臺的控制，直到消除△S，這樣就完成了一次指令的操作，顯示部分可以試下能對系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，包括指令的執(zhí)行，角度的狀態(tài)等，通過單片機及外圍的電路實現(xiàn)了舞臺光效的控制。2.2主控芯片的選擇方案一：采用飛思卡爾MK60DN512單片機，它是16位單片機，處理能強，功耗低，通過匯編語言進行編程，可以通過內部的寄存器控制外圍電路，然后在經(jīng)過程序的控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和控制指令的輸出，有點是處理能力強，但是編程較麻煩。方案二：采用AT89C51單片機，它是比較常見的單片機，結構簡單，運行穩(wěn)定，內部有256K的存儲空間，可以滿足小系統(tǒng)的程序需求，同時他還有40個IO口可以使用，雖然沒有內部的AD轉換，單通過并口或者串口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞也可以滿足要求，它常用于簡單的嵌入式系統(tǒng)中，可以滿足大部分中低端設備的要求。方案三：采用STM8單片機，它是8位的單片機，內部有多種總線接口，可以靈活地進行系統(tǒng)的外部擴展和通信，開原資料比較多，直接頂層的程序來控制寄存器，內部有很多資源，可以使用外部的硬件資源，也可以使用內部的資源，增加了選擇性，作為8位單片機，它的主頻也達到了72MHz，運行速度更快，價格也十分合適。通過三種方案論證，選擇AT89C51單片機來作為舞臺光效控制系統(tǒng)的主控芯片，系統(tǒng)需要用到外部檢測模塊，傳感器，液晶顯示等功能，選擇AT89C51可以降低開發(fā)難度，提高快發(fā)速度，同時系統(tǒng)的使用單片機可以提高系統(tǒng)的靈活性，因此從性能和價格上綜合考慮系統(tǒng)使用AT89C51單片機為系統(tǒng)的微處理器。1．芯片介紹：AT89C51單片機內部的存儲器有4K字節(jié)的空間，而且可編程、擦除，電壓低、性能好，采用CMOS電平，是現(xiàn)在流行的8位微處理器。它的內部存儲器的查處次數(shù)有限。不同作用的功能電路被集成在8位的CPU內部，而且內部還帶有存儲器，存儲器被嵌入到芯片中。這種8位的為控制器完全可以駕馭普通的嵌入式系統(tǒng)中，同時性價比較高，為用戶提供了很多可參考的資源，是一種合理、高效，性價比很高的方案。2．芯片主要特性：.兼容51內核操作；.內部有4KB的FLASH存儲器；內部的程序可以在掉電的情況下保留；標準的工作電壓：4.0-5.5V之間均可以；完全的靜態(tài)穩(wěn)定工作的頻率范圍：0HZ-33MHz；內部有1MB的RAM；7.一共有P0-P3工48個IO，2個內部的定時器，5個中斷等；空閑工作狀態(tài)和掉電工作狀態(tài)：單片機使用的是內部的振蕩器和時鐘計數(shù)電路。2.3角度傳感器的選擇方案一：采用PU6050模塊傾斜度角度傳感器，傳感器可以感知X和Y軸方向的傾斜度，并通過內部的處理電路將數(shù)字量發(fā)送給單片機，不需要中間的轉換，芯片的內部增加了算法，可以大大的提高檢測精度。方案二：采用JY901傾角儀，其內部使用的是進口的MEMS傾角測量單元，內置工業(yè)標準級的MCU單元，集成先進的濾波算法，可以通過程序進行調平和調準，輸出可與485總線連接。方案三：采用LVT510T單軸傾角傳感器，它是一款低成本單軸電壓輸出傾角傳感器，輸出電壓0～5V，0～10V可選，內置了微機電生產(chǎn)工藝傾角單元，體積小，功耗低，并且微機電工藝的一致性和穩(wěn)定性很高。由于舞臺光效控制適用于小型舞臺，因此選用性價比較高的PU6050模塊傾斜度角度傳感器，其常用于工業(yè)和生活中，通過單片機可以方便的與其進行數(shù)據(jù)的交換，同時控制方式簡單，輸出數(shù)字量，性價比高。1.模塊介紹：PU6050是一款低成本傾斜度模塊，工作電壓3-5v功耗小，體積小。其工作原理是通過陀螺儀與加速度傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法最后得到直接的角度數(shù)據(jù)。此傾斜度模塊以串口TTL電平全雙工方式與單片機進行通信。其精度高，穩(wěn)定性高。能夠在任意位置得到準確的角度，可適應不同的工作環(huán)境。2.模塊主要性能：（1）模塊內部帶有校正功能，保持3秒以上靜止狀態(tài)；（2）模塊的角度誤差不超過0.1度；（3）直接輸出TTL信號，與單片機直接通信傳輸數(shù)據(jù)；（4）傳感器的數(shù)據(jù)輸出存在一定的滯后性；2.引腳說明：（1）VCC：模塊電源輸入；（2）GND：模塊電源輸出；（3）RX：接受單片機串口數(shù)據(jù)；（4）TX：通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機；（5）RST：連接單片機的復位，與系統(tǒng)同時復位，可以不接；（6）B0；內部使用，懸空；（7）SCL：IIC通信的時鐘信號線；（8）SDA：IIC通信的數(shù)據(jù)傳輸信號線；2.4系統(tǒng)驅動電路的選擇2.4.1電機的選擇方案一：使用直流電機R300C，直流電機的控制的方式簡單，通過驅動電路就可以實現(xiàn)電路的控制，且電機的種類范圍大，價格便宜，方便控制，但是缺點是不同實現(xiàn)精準的定位和控制。方案二：使用步進電機28YBJ-48，步進電機可以實現(xiàn)“步進制”通過信號來實現(xiàn)電機的一步一步的控制，通過將脈沖信號轉變成實際的轉速，控制旋轉的角度和線位移，實現(xiàn)精準的控制。通過方案論證，我們選擇步進電機28YBJ-48作為舞臺光效控制系統(tǒng)的控制電機，通過步進電機實現(xiàn)二維云臺的X和Y軸的控制，保證舞臺光效控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。1.性能指標：（1）電壓輸入為5V；（2）步距角可以達到5.625℃；（3）驅動方式為4相8拍；（4）絕緣強度可以達到300VAC/1mA/1S；（5）噪音小于40dB/A；（6）轉速比為1/64；（7）直流電阻200Ω±7%。2.4.2電機驅動模塊的選擇方案一：使用L298N驅動芯片，它是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是工作電壓高，最高工作電壓可達46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達到3A，持續(xù)工作電流為2A。方案二：使用H橋驅動電路，該驅動電路反應迅速，易于控制，功率效率高，通過PWM進行控制，不同側橋臂同時導通，能夠承受住驅動電壓，通過MOS管的開合將直流電逆變?yōu)槟硞€頻率的交流電，然后再驅動直流電機。方案三：使用ULN2003驅動芯片，它是高電壓大電流的驅動芯片，內部由達林頓組成，驅動能力強，結構簡單穩(wěn)定，單片機可以與之直接連接來控制步進電機，性價比較高。舞臺光效控制系統(tǒng)使用步進電機，因此需要步進電機的驅動來控制步進電機的運行，通過ULN2003驅動芯片來控制28YBJ-48運行，它能夠實現(xiàn)步進控制，在單片機的PWM脈沖信號下，實現(xiàn)精準的步進控制，可以保證LED射燈的和二維云臺的精準度。1.性能特點：（1）電流增益比較大，可達1000；（2）輸出端的負載能力大，可以達到500mA；（3）工作的溫度范圍較廣，可以在-40到85℃的環(huán)境下工作；（4）可對伺服電機，步進電機，電磁閥進行控制。2.4.3燈光控制芯片的選擇方案一：使用FZH100全彩LED驅動芯片，它是集成了通信電路，控制電路，編解碼等電路，實現(xiàn)對數(shù)碼管，LED等控制，采用CMOS工藝，可以控制多個LED，還可以通過按鍵或者單片機進行燈光的控制，通過串口與控制芯片進行通信。方案二：使用單片機IO口進行LED的驅動，單片機的IO口通過三極管放大電路與LED連接，直接通過三級管來驅動LED的開關和組合，但是缺點是單片機的IO口驅動能力較弱，通過單片機控制可能會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而導致云臺等系統(tǒng)控制不穩(wěn)定。方案三：使用SDMX5124驅動芯片，它是一款專用的RGB控制芯片，可以控制紅、綠、藍色LED，并通過單片機的信號來控制不同LED的運行，從而組合出不同顏色的舞臺燈光，內部帶有保護電路。舞臺燈光控制系統(tǒng)需要對燈光進行組合，以實現(xiàn)不同的光效和色彩的變換，方案一更適用于對數(shù)碼管的控制，方案二的缺點在于單片機及放大電路的驅動能力有限，會導致光效效果下降，因此選用SDMX5124控制芯片，實現(xiàn)對紅、綠、藍色LED燈的控制。1.芯片特性：（1）進行單線的級連控制或者通過鎖存器控制；（2）可進行多個控制芯片的級聯(lián)；（3）工作電壓5V，低漏電流；（4）內部帶有電流保護電路、靜電保護電路；（5）通過PWM芯片進行驅動；（6）全彩控制，每種色彩有16種灰度。2.芯片引腳說明：（1）OSCIN、OSCOUT：時鐘信號輸入輸出；（2）DIN、DCLKIN：數(shù)據(jù)和時鐘總線；（3）MCLKIN：主時鐘輸入；（4）MODE：模式選擇；（5）VCC、GND：電源輸入和地；（6）GREEN、BLUE、RED：LED控制；（7）DOUT、DCLKOUT：數(shù)據(jù)和時鐘輸出。2.5顯示模塊的選擇方案一：使用LCD12864，它的尺寸比較大，可以顯示很多字符和漢字，通過單片機的控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的刷新，這種液晶的功耗低，顯示數(shù)據(jù)清晰，是常見的顯示器之一。方案二：通過數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，數(shù)碼管由LED組成，顯示數(shù)據(jù)時比較直觀，可直接顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，單片機通過IO口控制每段二極管來顯示不同的數(shù)據(jù)，但是缺點是占用單片機的IO資源較多，不能夠顯示漢字等。方案三：使用IIC通訊的OLED作為系統(tǒng)的顯示電路，IIC的通訊方式比較靈活，不需要太多的連線，可以節(jié)省很多的IO資源，而且傳輸速度快，控制方式簡單，體積小但是可以顯示動態(tài)數(shù)據(jù)，漢字等信息。通過對比，舞臺光效控制系統(tǒng)使用0.96寸的OLED作為系統(tǒng)的顯示器，這種OLED功耗低，可顯示漢字字符符號等，可以清晰的描述角度傳感器測量的角度值或者單片機發(fā)送的指令。和傳統(tǒng)的LCD相比，OLED不需要背光燈，完全由LED點陣發(fā)光，這種顯示模塊的顯示范圍是128列、64行，可以顯示多個漢子和字符，實現(xiàn)數(shù)字和字符的同時顯示，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示更加明顯。1.性能特點：（1）廣視角，對比度高畫面不失真；（2）尺寸薄，發(fā)熱量小；（3）非常高的反應速度，溫度特性好；（4）岌光效率更高，能耗比LCD要低；（5）結構穩(wěn)定，抗震性能好。2.6無線通信的選擇方案一：采用NRF24L01模塊，相對而言，NRF24L01的傳輸速度快，功耗低。傳輸?shù)木嚯x在50-1000米之間，信號穩(wěn)定可靠，單片機使用模擬SPI與NRF24L01進行數(shù)據(jù)的傳輸，通信能力強，可適用于多種嵌入式通信系統(tǒng)。方案二：采用CC2430模塊，它是一種窄帶的無線模塊，也就是我們常說的短距離射頻通信，它的內核是Zigbee，通過外圍電路改變通信電路的信號頻段，在使用方法上與Zigbee的使用方法相同，它的最大的傳輸速率可以在200Kbps以上，同時它還兼有C51的內核，可是直接使用C編程。方案三：采用HC-05-06-08-02藍牙模塊，藍牙模塊可以實現(xiàn)對近距離數(shù)據(jù)的傳輸，且傳輸速度快，通過終端或者手機就可以實現(xiàn)命令的發(fā)送，其優(yōu)點是連接穩(wěn)定，傳輸速度快，易于控制，但是傳輸距離短，隨著距離的增加傳輸速率會大幅度的下降。通過方案論證，采用NRF24L01模塊來向控制舞臺光效控制系統(tǒng)發(fā)送指令，它的功耗低，使用開發(fā)方便，通過虛擬的SPI低速總線實現(xiàn)單片機和模塊的數(shù)據(jù)交換，在室內穩(wěn)定性好，可以實現(xiàn)指令的發(fā)送，響應迅速，體積小。1.芯片主要特性：（1）使用頻段在2.4到2.5GHz之間；（2）低功耗設計，最低為900nA；（3）發(fā)射功率有-12dBm接收功率-18dBm；（4）數(shù)據(jù)包可以包含32bit的數(shù)據(jù)；（5）可通過軟件設置工作頻率，數(shù)據(jù)包長度等。2.芯片引腳說明：（1）CE：使能發(fā)射或接收；（2）CSN，SCK，MOSI，MISO：通過SPI方式通配置NRF24L01；（3）IRQ：中斷標志位；（4）VDD：電源輸入端；（5）VSS：電源地；（6）XC2，XC1：連接振蕩器；（7）VDD_PA：1.8V電源；（8）ANT1，ANT2：天線接口；（9）IREF：參考電流輸入。2.7系統(tǒng)電源的選擇方案一：采用LM2596系列穩(wěn)壓芯片，LM2596是常見的電壓轉換芯片，輸入電壓在24V到8V之間，然后經(jīng)過旁路電容進行濾波得到穩(wěn)定的5V電壓，它的電路簡單，價格便宜，通過電阻的組合可以輸出不同的電壓值。方案二：采用TPS54620電源芯片，這種電源芯片的輸入范圍寬，輸出電壓可調，通過外部的阻容電路可以實現(xiàn)不同等級的輸出電壓，同時，它還可以實現(xiàn)AGND和DGND的分割，但是電路比較復雜，。方案三：使用線性電源，線性電源結構簡單，通過將市電或者直流電轉換成所需的直流電，電路結構簡單穩(wěn)定，但是輸入電壓的范圍比較窄，而且紋波較大，相對而言，線性電源更適用于比較簡單的系統(tǒng)中。通過方案論證，我們選用LM2596穩(wěn)壓芯片，這種電源價格便宜，穩(wěn)定可靠，12V直流電適配器經(jīng)過LM2596后變成5V的直流電，5V直流電用于給設計中的單片機進行供電，這種線性電路可以很好的屏蔽外部干擾，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。1、芯片主要特性：（1）芯片的輸出能力最大為2A；（2）可以通過不通型號的電路輸出不同的電壓值；（3）內部有過熱和過流保護；（5）輸出晶體管SOA保護。2、芯片引腳說明：（1）1腳為電壓輸入端，不能超過輸出端5V以上；（2）2腳為輸出引腳，需要連接濾波電路進行去紋波；（3）3腳為GND；（4）4腳電壓反饋控制引腳；（5）5腳為臨時斷開引腳。本章小結通過對系統(tǒng)中用到的模塊和電路進行方案論證，包括對主控芯片的方案論證和選型，步進電機芯片的選型，傳感器的選型，以及系統(tǒng)的主要通過方式，通過無線來實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制功能，并分析系統(tǒng)各個部分的邏輯關系，實現(xiàn)硬件平臺的選型和測試。第3章系統(tǒng)硬件電路設計系統(tǒng)需要有硬件系統(tǒng)的支持，但并不是所有的硬件都是用于控制系統(tǒng)中，因此，我們需要根據(jù)實際的需求和現(xiàn)象來對各個器件和模塊進行選型，包括測角模塊，控制方案，執(zhí)行結構等等。3.1最小核心系統(tǒng)設計在舞臺光效控制系統(tǒng)中，微處理器主要負責處理開關量，控制驅動電路、顯示電路等，通過對單片機進行編程，實現(xiàn)不同的工作狀態(tài)，但這些工作的前提是需要基于單片機的硬件最小系統(tǒng)，所以單片機的最小系統(tǒng)是最小的執(zhí)行機構，也是舞臺光效控制系統(tǒng)的核心部分，單片機通過連接、控制其他外圍硬件和電路來實現(xiàn)設計的目標，通過單片機的控制，才能使舞臺光效控制系統(tǒng)更加智能化，單片機最小系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1單片機最小系統(tǒng)電路復位電路由220uF電容串聯(lián)10K電阻構成，系統(tǒng)上電后，單片機的復位引腳是保持一個低電平的，如果需要復位，需要將單片機的復位引腳的電平拉高，因此需要復位電路來實現(xiàn)電平的拉高，當按鍵按下后，電容充電，它與電阻形成一個充電電路，可以根據(jù)公式來計算出充放電的時間參數(shù)，單片機需要保持一個12US以上的高電平才能進行復位，因此充電電路為單片機提供了足夠多的高電平的時間。晶振電路是用來為單片機提供時鐘信號的，晶振電路有晶振和電容來組成，電容為晶振提供頻率，XTAL1和XTAL2與外部的晶振連接在一起，內部有反相器，通過這個引腳來輸入脈沖信號，利用芯片內部的振蕩電路，通常晶振使用12MHz，電容使用22Pf。3.2角度檢測電路設計角度傳感器是舞臺光效控制系統(tǒng)的重要指標來源，通過PU6050模塊傾斜度角度傳感器采集角度數(shù)據(jù)，單片機通過模擬的IIC方式與模塊進行數(shù)據(jù)的交換，模塊還可以通過串口連接上位機，實現(xiàn)上位機的控制，角度傳感器在單片機的控制下實現(xiàn)對傾斜角度的測量，角度傳感器電路圖如圖3-2所示。圖3-2角度傳感器電路角度傳感器啟動后，單片機通過與其連接的引腳來發(fā)送一個10us的高電平來啟動傳感器模塊，然后模塊接收到信號后，開始通過傳感器內部的角度裝置來檢測傾角，并通過內部的算法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，單片機接收到數(shù)據(jù)后，在對數(shù)據(jù)進行分析，并實現(xiàn)PID調控。3.3步進驅動電路設計在系統(tǒng)中，步進電機使用的是28YBJ-48步進電機，在ULN2003的控制下可以實現(xiàn)步進控制，驅動芯片的驅動信號是通過單片機的并行數(shù)據(jù)口發(fā)送的，通過并口和鎖存器控制兩路的步進電機，實現(xiàn)對角度的調整，驅動電路圖如圖3-3所示。圖3-3步進電機驅動電路圖ULN2003是一個電流放大芯片，內部是有三極管組成的放大電路，可以通過TTL電平和CMOS電平直接連接，目的是為了增強單片機的IO口的驅動能力，然后再與單片機相連接，驅動步進電機的運行，步進電機的ABCD控制端與ULN2003的輸出端相連接。IN1-IN8是它的輸入端，ABCD是它的輸出端，輸出端再與28YBJ-48電機相連接。最后單片機通過程序將數(shù)據(jù)轉化成段選信號，再經(jīng)過驅動模塊來控制步進電機。3.4遠程控制電路設計無線電路是連接舞臺光效控制系統(tǒng)和上位機的紐帶，在本次設計中，控制系統(tǒng)通過無線模塊將數(shù)據(jù)反饋給上位機，上位機處理數(shù)據(jù)后，得到實際的角度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在經(jīng)過單片機進行算法處理，然后在對步進電機的姿態(tài)進行調整。這里我們使用的是NRF24L01通信模塊，這種模塊的成熟度較高，信號的完整性比較好，但是傳輸距離有限，大于1000米后，信號會出現(xiàn)衰減，因此，系統(tǒng)的使用還要注意距離的限制，無線通信電路的原理圖如圖3-4所示。圖3-4無線通信電路NRF24L01正常工作時需要一個外部參考時鐘，所以在XC1、XC2之間連接一個16M的晶振為NRF24L01提供外部參考時鐘。STC89C51單片機通過CE、IRQ控制著NRF24L01的工作模式，這兩個接口分別與STC89C51單片機的P1.2、P1.7引腳連接，單片機通過引腳控制無線模塊的工作方式，使用SPI的方式與單片機進行虛擬的通信，因為單片機沒有硬件上的SPI接口，因此，需要程序來模擬SPI接口，通過單片機的IO口來連接對應的SPI接口。分別與STC89C51的P1.6、P1.5、P1.4、P1.3引腳連接，在配置模式下STC89C51單片機通過SPI接口配置高頻頭的工作參數(shù)；在發(fā)射模式和接收模式下STC89C51單片機通過SPI接口控制NRF24L01數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。3.5系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路設計本系統(tǒng)使用0.96寸的OLED作為數(shù)據(jù)顯示器，這種OLED功耗低，可顯示漢字，字符，符號等，可以清晰的描述。和傳統(tǒng)的LCD相比，OLED不需要背光燈，完全由LED點陣發(fā)光，這種顯示模塊的顯示范圍是128列、64行，由2個液晶驅動器控制其中一片控制液晶的行顯示，另一片控制顯示器的列顯示，每片行控制器可以輸出128個驅動信號，每個列驅動器可以輸出64個驅動信號。只要向OLED提供外部電源，OLED就能產(chǎn)生驅動信號和同步信號，而單片機輸出的控制外部信號只與列OLED內部的驅動器有關，OLED的SCL引腳與51單片機的P3.7相連接，SDA引腳與單片機的P3.6相連，單片機通過協(xié)議來控制OLED顯示不同的數(shù)據(jù)。OLED電路如圖3-5所示。圖3-5液晶顯示電路3.5燈光控制電路設計在舞臺光效控制系統(tǒng)中，通過單片機和驅動芯片對LED進行控制，使舞臺的光效可控，可變，增加光效的靈活性，燈光控制采用SDMX5124驅動芯片，它需要連接外部的晶振電路來為芯片提供時鐘信號，通過IIC的方式與單片機進行數(shù)據(jù)和時鐘信號的交換，然后將LED連接到芯片的對應引腳上，實現(xiàn)對LED的控制，燈光控制電路如圖3-6所示。圖3-6燈光控制電路圖由SDMX5124燈光控制電路可知，單片機通過IIC方式和芯片進行數(shù)據(jù)的傳輸，通過P5.6和P2.6來進行，通過MODEA來控制芯片的工作模式，由于系統(tǒng)使用單個燈光，因此不需要對芯片進行級聯(lián)，通過RED、BLUE和GREEN來控制三色LED，在單片機的控制下控制燈光的模式，實現(xiàn)對舞臺燈光的控制。3.7系統(tǒng)電源電路設計LM2596是一種降壓型電源調壓器，輸出直流電流可以達到3A，具有良好的線性特性以及負載調節(jié)特性，與常見的穩(wěn)壓芯片相比，LM2596具有更好的帶載能力。該調壓器分為固定輸出版本和可調輸出版本，輸出電壓為1.2V～37V之間的任一電壓。LM2596內部集成固定頻率發(fā)生器和頻率補償器，開關頻率達到了150KHz，在給定輸入電壓和輸出負載的情況下，可以將輸出電壓的誤差保持在±4%以內，振蕩頻率的誤差保持在±15%以內；僅用80μA的待機電流，就可以實現(xiàn)回路的外部斷電，實現(xiàn)自我保護功能。LM2596的外圍電路只需要4個主要外接元件，外圍電路中可以使用市場上通用的標準電感，更加優(yōu)化了LM2596外圍電路，電路簡單，不像傳統(tǒng)的開關電源電路那樣復雜，電路如圖3-7所示。圖3-7電源電路本章小結第三章主要是對系統(tǒng)的外圍電路進行設計，通過芯片及其外圍電路來實現(xiàn)具體的功能，首先是單片機最小系統(tǒng)，設計好了最下系統(tǒng)就可以實現(xiàn)最基本的IO控制和數(shù)據(jù)的接收，然后再對其外圍電路進行設計，通過這些電路組合成一個完整的基于單片機的舞臺燈光控制系統(tǒng)。

第4章系統(tǒng)的軟件設計4.1系統(tǒng)主程序設計單片機通過程序來實現(xiàn)對外圍電路的控制，通過并口來控制驅動電路和穿那個群你電路，實現(xiàn)對二維云臺的的檢測和控制。首先單片機進行初始化，初始化完成后對各個子電路進行控制，先發(fā)送指令到模數(shù)轉換電路，對傳感器和角度進行轉換，轉換的結果在發(fā)送回單片機，單片機對數(shù)據(jù)處理，得到實際的角度數(shù)值，然后再通過液晶來顯示數(shù)據(jù)，通過無線通信電路可是實現(xiàn)上位機對系統(tǒng)的控制，通過控制電路控制步進電機的運行，通過反饋調節(jié)勻調電機的轉動角度，使其能夠完成指定方向的LED投射，系統(tǒng)主程序流程如圖4-1所示。圖4.1主程序流程圖4.2數(shù)據(jù)顯示子程序設計液晶顯示模塊OLED通過接收到單片機發(fā)來的控制信號和數(shù)據(jù)將信息顯示在OLED上。首先OLED內部的存儲器地址將初始化，它內部的鎖存器不能掉電后保存數(shù)據(jù)，因此每次顯示，都需要通過單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給OLED，然后再通過OLED顯示出來，液晶顯示子程序流程圖見圖4-4。圖4-4數(shù)據(jù)顯示子程序流程圖4.3步進電機控制子程序設計步進電機的運行是是通過單片機輸出脈沖信號來控制的，并通過驅動芯片來增強單片機的驅動能力，步進電機按照單片機的輸入脈沖實現(xiàn)精準勻速的線位移，保證車窗的穩(wěn)定運行。如果當單片機檢測到防夾信號或者上下限位開關信號，則停止對步進電機的控制，否則將對步進電機輸出脈沖，空閑時，如果車窗的壓力大于設定值也不對步進電機進行控制，只有在車窗運行時防夾傳感器的數(shù)據(jù)才會有效，電機控制子程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4電機控制子程序流程圖本章小結本章首先介紹了對系統(tǒng)的主程序進行設計，單片機是硬件電路的核心部分，通過寫入不同的子程序來實現(xiàn)不同的功能，其次分析了系統(tǒng)中使用的涉及到的子程序設計有顯示程序，最后通過這些子程序來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。第5章系統(tǒng)實物調試首先在軟硬件功能都實現(xiàn)的基礎上對系統(tǒng)進行聯(lián)調，對硬件電路進行檢測和調試，完善電路的功能，并對單片機進行程序的下載，驗證主程序的邏輯是否符合實際，并對系統(tǒng)的進行運行測試。5.1系統(tǒng)調試1、最小系統(tǒng)調試首先在單片機的P2_0引腳接個閃燈（電源、發(fā)光二極管、電阻和電容串聯(lián)接入單片機引腳P2_0引腳），然后通過實驗板上的下載口向單片機內下載閃燈程序，下載完成后發(fā)現(xiàn)閃燈沒有進行閃燈，經(jīng)過對比最小程序電路圖，發(fā)現(xiàn)單片機模擬電源引腳沒有接電源。出現(xiàn)了一些連線的錯誤，經(jīng)改正后，閃燈能夠按照程序理想的進行閃燈工作。因此，可以斷定單片機的最小系統(tǒng)的接線沒有問題，最小系統(tǒng)調試完成。2、傳輸距離調試為了確定該無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸能力，實驗對傳感器網(wǎng)絡的通信距離進行了測試。測試包括室內測試與室外測試。室內測試以墻壁為間隔，每隔一扇墻壁放置一個傳感器節(jié)點，室內測試在間隔三面墻壁以內時，數(shù)據(jù)出錯率在3%以內，間隔四面墻壁時錯誤率開始急劇上升。這是由于墻壁對無線電信號的吸收，房間內傳輸信號衰減得很快所導致的。室外測試選在空曠的公路邊進行，將其中一個節(jié)點放置在一固定地點，然后手持協(xié)調器沿直線行走，一邊走一邊將辦調器復位，將接收到的數(shù)據(jù)進行處理，在500

m以內時，數(shù)據(jù)出錯率在3%以內，可以保證數(shù)據(jù)正確有效地傳輸。3、傳感器精度調試對角度傳感器進行調試，傳感器模塊上有可以調節(jié)靈敏度的電位器，通過采集的數(shù)據(jù)進行分析。精度=(|測量值一標準值|

/標準值)△max

X

100%計算出該角度傳感器節(jié)點的測試精度達到了1°，可以看出角度傳感器能夠相對精確的完成待測區(qū)域的角度測量任務。4、液晶顯示調試對液晶顯示電路進行測試，上電后液晶不顯示任何信息，證明液晶顯示器已經(jīng)上電，然后通過單片機向P0口寫入數(shù)據(jù)，液晶顯示數(shù)字和文字信息，說明液晶電路可以使用，可通過電位器調節(jié)對比對等。待所有的功能都有效后，在進行控制電路的測量，單獨寫入控制電路的程序，通過單片機發(fā)送信號，用萬用表測量時有點平的變化，如果有，說明電路工作正常。到此為止，系統(tǒng)的硬件電路就測量完畢了，通過驗證，系統(tǒng)的所有模塊和電路都能正常工作，由于環(huán)境的以影響，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，但是通過算法補償，系統(tǒng)已經(jīng)將外界的影響降低到最小。5.2調試結論軟件設計與調試是分模塊實現(xiàn)的。軟件設計的調試模塊部分包括各模塊初始化功能，傳感器信號查詢功能，判斷功能，報警信息發(fā)送功能，將模塊程序的主程序加在一起，然后再對組合的程序進行調試。再次，燒寫進單片機可以看到在正常工作的實際電路板，用C語言編寫程序設計語言。通過仿真芯片，利用keil的debug功能進行仿真，在仿真中設置斷點，一步步的執(zhí)行程序，查看每條語句或者每個子函數(shù)的執(zhí)行結果是否能夠完成既定的目標，如果不能夠完成，需要對相應的語句進行修改，直到程序能夠完成所有的功能。在確認硬件及軟件沒有問題可以工作后，需要對軟硬件進行測試。在測試點陣電路，