基于触摸屏的舞台彩灯控制系统设计

基于触摸屏的舞台彩灯 控制系统设计 摘 要 触摸屏的应用随着信息社会的发展越来越普遍，目前触摸屏产品在中国已开始形成了产业。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器。而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给 同时能接收 来的命令并加以执行。 ， 即可编程逻辑控制器 。 基于 计算机技术和自动控制理论发展而来的，它不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统。 它采用一类可 编程 的 存储器 ，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。 在现代演出中，灯光的强度、色彩、照明区的分布、灯光 的运动等都具有较大的可塑性与可控性。舞台灯光的艺术效果是随着演出的进展、舞台气氛的不断变换而展现的。舞台灯光是空间艺术与时间艺术的结合体，舞台灯光的历史发展是同戏剧的演变以及科学技术的进步密切相联的。 关键词 ： 触摸屏 ； 可编程逻辑控制器 ； 自动控制 ； 舞台灯光 he of of is to by a in of to a of to it to to it PU is on of it is a to as or of or In of of of is of is of of of is of of 目 录 摘 要 . 2 . 3 前 言 . 1 第一章 绪 论 . 2 台彩灯控制系统的起源及背景 . 2 台彩灯控制系统研究的意义 . 3 台彩灯控制系统的研究现状 . 3 第二章 总体方案设计 . 4 体思路 . 4 作设备的选择 . 5 台模型的设计 . 5 台彩灯的控制电路与程序的设计 . 6 台彩灯的选择 . 6 台彩灯的控制电路 . 6 台彩灯的程序 . 7 摸屏界面的设计 . 7 源的选择 . 7 第三章 模块电路设计 . 8 电源模块 . 8 控电路模块 . 9 阻的选择 . 9 台中央彩灯 . 9 台中央彩灯电路原理 . 11 明灯电路模块 . 14 景灯控制模块 . 14 第四章 程序软件设计 . 15 样一 . 15 样三 . 18 样四 . 19 明灯的状态转移图 . 20 件 清零状态转移图 . 21 入输出关系表 . 22 第五章 触摸屏界面设计 . 23 界面 . 23 控界面 . 23 央舞台灯界面 . 24 明灯界面 . 25 境渲染灯界面 . 26 景灯界面 . 26 第六章 调试 . 27 第七章 结 论 . 29 总结与体会 . 30 致 谢 . 31 参考文献 . 32 附录一：外文资料 . 34 附录 二 ：中文翻译 . 44 - 1 - 前 言 随着科技日新月异的发展，以及人们生活环境的不断改善和 美化，在许多场合我们都可看到彩色灯。 色灯由于其丰富的灯光色彩、低廉的造价以及控制简单等特点而得到广泛运用，用彩灯来装饰街道和城市等建筑物已经成为了一种时尚。 在现代生活中，彩灯作为一种装饰，既可以增强人们的感观，起到广告宣传的作用，又可以增添节日气氛，为人们的生活增添亮丽，用在舞台上增强晚会灯光效果。舞台灯光在现代舞台演出中的作用：照明演出，使观众看清演员表演和景物形象 ;导引观众视线 ;塑造人物形象，烘托情感和展现舞台幻觉 ;创造剧中需要的空间环境 ;渲染剧中气氛 ;显示时、空转换，突出戏剧矛盾 冲突和加强舞台节奏，丰富艺术感染力。有时也配合舞台特技。在现代演出中，灯光的强度、色彩、照明区的分布，灯光的运动等都具有较大的可塑性与可控性。舞台灯光的艺术效果是随着演出的进展、舞台气氛的不断变换而展现的。舞台灯光是空间艺术与时间艺术的结合体，舞台灯光的历史发展是同戏剧的演变以及科学技术的进步密切相联的。 在本设计中，本打算主要运用 实现实现舞台彩灯的控制。但由于资源有限，只用到了一个 I/O 口有限，所以在使用 制的同时，采用硬件电路来弥补 I/O 不足的问题。如今，触摸屏慢慢的渗入我们生活的 每一个角落，由此，采用人机界面的方式来控制舞台彩灯，似乎是不可避免的趋势。基于触摸屏的舞台彩灯控制系统，具有重要的实践意义。 - 2 - 第一章 绪 论 台彩灯控制系统的起源及背景 早期戏剧曾有露天或半露天的演出史，都以日光为光源。但随着演出场所搬进室内或夜间 演出，开始出现了舞台灯光。 国内： 据文中记载， 北宋的汴梁，每逢元宵节都演出“百戏”，看台楼下用坊木垒成舞台，台两旁的垛楼上各挂灯球一枚，大有丈余，内燃椽烛，这是中国人造光源之始。中国宋代以后，舞台上就曾使用过人工照明，清代 张岱 的陶庵梦忆有文字记载，彩灯也始于宋代。刘辉吉在演出 唐明皇游月宫 时就使用过灯光变化。光绪十年 (1884)慈禧寿诞时，一次演出就用去蜡烛 448枝，而民间演出的牛郎织女也用了许多喜鹊灯。辛亥革命后， 中国剧场 一般使用汽灯或电灯照明。从 1933年 上海 上演怒吼吧，中国！时起，中国舞台上开始建立了舞台聚光投射系统。 1954年后，先后建成了一些符合国际标准的剧场，引进并建立了中国自己的舞台灯光系列，发展了中国独特的幻灯表现艺术。 国外： 20世纪初，钨丝灯泡问世后，为舞台提供了发光集中的聚光灯，并为表现舞台空间、创造舞台气氛提供了有利条件。 20世纪初瑞士舞台美术家 台美术家戈登格雷先 后提出了灯光艺术造型理论，要求灯光表达出视觉雕塑感、音乐感和舞台空间中的运动与节奏感。实践证明它为灯光艺术开拓了广阔的天地。在现代派的演出中，未来主义和表现主义的演出都很重视舞台灯光的作用。如利用闪烁的灯光制造出动荡的舞台气氛；以切光代替闭幕，制造舞台上的蒙太奇场面等。 20年代 德国 导演 影 手法。 50年代中捷克 斯洛伐克 的舞台美术家 层次多角度的投映技术和不同的灯光塑形技术，从而丰富了舞台灯光的造型语言，促进了灯光艺术的进一步发展。 舞台彩灯的灵活运用后，人们渐渐的不再满足与灯光的效果和角度等用人工来控制。随着科技与电子技术的发展，舞台彩灯的控制渐脱离人工控制，逐渐向自动化和集成化发展。 - 3 - 台彩灯控制系统研究的意义 市场上各式样的 灯控制有些是用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外，功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。 且在当前，大型文艺演出灯光控制系统的性能是否良好，会直接关系到晚会各节目的灯光效果，也将直接关乎电视播出的质量。因此，将控制系统集成化与控制方法简单化具有重大的 意义。 出现，为此提出了解决方案。 随着人们对艺术水平的不断提高，人们对彩灯的要求也越来越高。另一方面，随着电子技术的发展，应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展，而术的应用引起电子产品及系统开发的巨大变革。梯形图语言作为可编程逻辑器件的标准语言，其描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，在实际应用中越来越广泛。据此，人们可以追求贯彻整个系统设计的自动化，可以从繁重的设计工作中彻底解脱出来，把精力集中在创造性的方案与概念构思上，从而可以提高设计效率，缩短产品的研制周期。整个过程通过 动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，减少了出错的机会，并且提高了设计质量。 触摸屏，也是本作品中的一个亮点，在这个信息时代里，人们越来越多地谈到与接触到触摸屏，因为触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的输入设备，触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，用户只要用手指轻轻地指碰触摸屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术极大方便了那些不懂电脑操作的用户。 综上所述，将触摸屏与 合起来，使控制系统显得更加直观又易 于操作。 台彩灯控制系统的研究现状 随着人们生活水平的提高，对文化、娱乐产业的发展灯光大型歌剧院、舞台的建设要求越来越高。 专业舞台灯光设备控制技术的发展从 15 世纪欧洲宫廷及贵族欣赏节目演出开始，到后来伴随电力的发明产生焕然一新的变化。舞台灯光控制技术经历 了原始控制技术阶段、模拟控制技术阶段、数字化技术控制阶段、以及智能化网络化 - 4 - 控制阶段。现今随着计算机网络技术的普及，灯光控制系统的网络化日益成熟，智能化网络化灯光控制系统已经形成大势。在演播室内或演出场所可以把所有的灯光操作控制设备，包括电脑调光台 、电脑效果灯控制台、数字机械灯控制台、电动吊杆控制台、激光控制台、换色器控制台等，通过网络工作站与受控设备，包括调光立柜、电脑效果灯具、机械灯、电动吊杆、激光灯、换色器等连接在一起。它们单独采用 采用 太网与传统的 制技术相结合的方式，来控制整个灯光系统。 第二章 总体方案设计 体思路 根据毕业设计的题目要求可知，可将其设计的内容分为三大模块： （ 1） 舞台模型的设计，以及彩灯摆放位置的设计； 由于舞台彩灯的 摆放位置很多都不能定死在电路板上，需要灵活一些，才能方便 - 5 - 的安放在舞台模型上。为了方便确定彩灯的摆放位置，需要在现有材料的基础上先搭建一个舞台模型。舞台模型的内部材料最好使用能够方便固定灯的材料。 （ 2） 舞台灯的控制电路与程序的设计； 首先确定想要实现的彩灯花样，再由此确定控制电路和程序。在最初的构想中，实现的目标有：背景彩灯的闪烁、部分彩灯的流水、图案的显示以及一些照明灯。 （ 3） 触摸屏界面的设计； 据题目要求，需要控制界面以及监控界面。由此可以看出，第三模块的设计是建立在（ 1）和（ 2）设计模块的基础 上的，所以将模块三的设计放在了最后。 作设备的选择 方案一： 选择使用西门子的设备。 优点：西门子梯形图的编写直观，容易理解；通信能力强。 缺点：通信比较繁琐，要学习西门子设备的使用方法。 方案二： 选择使用三菱的设备。 优点：触摸屏的设计软件容易上手；。 缺点：梯形图的编写不直观。 方案选定： 若使用西门子设备的话，可以学到很多新的知识，但根据实验室的现有条件，选择了方案二。 台模型的设计 （ 1）舞台模型的形状设计 舞台的形状，最初是设计成椭圆形。椭圆形给人的感观效果要比其它形状要好的多 ，但是根据现有条件裁橡胶板很难裁出椭圆形，且若舞台的底部为椭圆形，舞台的四面“围墙”很难制作。而若做成长方体，要容易的多。综上所述，舞台的形状选择了长方体。 （ 2） 舞台模型的内部设计 舞台的内部设计，根据查阅的大量舞台模型的图片。获得了一些灵感： 舞台的底部留有一定高度和空间，将其制作为小盒子，方便安放底部的灯和控 - 6 - 制电路； 用黑色的泡沫板，将其中下部掏空出一个大拱形，然后在拱形的上方镶嵌一些彩灯，黑泡沫板作为背景 1。背景 1 不能完全的贴着舞台的“后墙”，要与“后墙”之间留有一定的间隔，用于插放背景图片； 舞台 的内部需要一个架子来安放和固定舞台的照明灯、聚光灯等。所以选用了实验室里的现有材料搭建了一个简易且能安放彩灯的架子； 为了能够凸显舞台底部彩灯的灯光效果。取有一定厚度的白泡沫板打孔，将中央彩灯独立的分隔开。用透明的塑料板作为舞台的“地板”，中央彩灯的灯光就可通过透明塑料板折射出来。 台彩灯的控制电路与程序的设计 台彩灯的选择 方案一： 选择普通的 ，使用大量不同颜色的单色灯。 优点：数量多，有充实感；价格低廉。 缺点：占有空间大，给人一种繁杂感；需花大量的时间去布置和焊接灯。 方案二： 选择具有特效的 ，使用不同效果的彩灯。 优点：所用灯的数量减少；节省了空间；节省了 I/O 口；简化了程序。 缺点：价格比普通单色 高。 方案选定： 综合上述，虽然普通单色 比较便宜，但它却实现不了特效 的特殊效果。且若用单色灯，所需灯的数量要比特效灯多许多，那么在价格方面就和特效灯差不多。所以选择了方案二。 台彩灯的控制电路 方案一： 不用设计和焊接控制电路，直接用 制灯的效果。 优点：省去了设计和焊接电路的时间；简化硬件。 缺点：使软件程序复杂化，需要 大量 I/O 口。 方案二： 使用数字电路制作控制电路，用计数电路计脉冲产生的个数，再由脉冲数来 - 7 - 决定彩灯的效果。 优点：简化了程序；节省了 I/O 口。 缺点：在一定程度上限制了彩灯效果的花样种类。 方案选定： 综合上述，由于设备有限，且毕业设计的题目中有明确提到“设计主控硬件电路”。所以选择了方案二。 台彩灯的程序 在舞台彩灯的控制程序里，最主要的难点是：怎样产生脉冲，每种花样对脉冲的要求并不一致。以下有几种产生脉冲的方案： 方案一： 使用 身所带的时钟脉冲。 优点：简化了主控程 序。 缺点：缺乏灵活性。 方案二： 用计数器、定时器制作脉冲。 优点：脉冲的调整具有灵活性。 缺点：使程序复杂化。 方案选定： 综合上述，为了使程序更具灵活性，使程序的编写不受限制。所以选择了方案二。 摸屏界面的设计 触摸屏的界面设计，最初的设计思路是，多页面制作。若用一个页面涵盖整个舞台的内容，就会使触摸屏设计显得结构单一化，且整个画面显得很拥挤。多页面制作，将舞台彩灯的各个模块分开制作在各个页面上，使思路变得清晰。为了触摸屏界面的美观，在最终将会插入精美图片作为背景。 源的选择 由于本设 计控制电路，用的是数字电路，所以就选择使用 5V 的电源。即需要做的电源就是将 220V 交流转 5V 直流。若选电池供电，要随时更换电池，不经济又不方便。所以做了电源电路。 - 8 - 方案一：开关电源方案 开关型稳压电路将输入的直流电转换成脉冲电压，再将脉冲电压经过 波转换成直流。 优点：功耗小，电路效率高。 缺点：输出纹波电压比较大。 方案二：串联型稳压电源方案 串联型稳压源工作在放大状态，调整管功耗较大。 优点：电路结构简单、调节方便、输出电压较稳定、文波电压小 缺点：功耗大，效率低。 方案选定：由于串联型稳压 电源电路结构简单，且实验室里有所需的元器件，所以选择了方案二。 第三章 模块电路设计 电源模块 双电源的电路图，如图 3示： 图 3双电源电路图 在本设计中所用的 晶体管输出，晶体管输出的 要一个直流电源，同时主控电路也需要供直流电，所以使用了双电源电路。主控电路大部分器件都是数 - 9 - 控芯片，其供电电压为 56V，所以制作了输出为 5V 的电源。图中的 1 和 2分别接插头的两根线。 控电路模块 阻的选择 在电阻的选择上需要注意的问题如下： 主控电 路提供的电源为 5V； 要让 足够亮，使舞台灯光效果良好； 将电阻接在灯的阴极还是灯的阳极。 经过实验测试，当经过 的电流达到 8上的时候比较亮。以此为准，三色灯的红、蓝、绿三色分别接的电阻为 330、 175和 150。慢闪灯接 220（ 照明灯接 150（ 雾灯接 175（ 将电阻接在灯的阴极还是阳极，一般电路中并没有多大差别。但后来经过测试发现，设计中所使用的三色灯是共阴的，且三种颜色的导通压降不一致。红色灯的导通压降为（ 绿色灯的导通压降为（ 蓝色灯的导通压降为（ 如若把电阻接在阴极，红色灯可能会将电压钳制住，导致绿灯和蓝灯不亮。所以将电阻接在了阳极上，且电阻的大小不一致。其它种类的灯（如：白灯、雾灯等），若在共阳后接一个电阻，当这些灯的总功率超过了电阻所能承受的，那么电阻将会被烧坏。为了电路的可靠性且实验室中只有普通的电阻，所以在每个灯上都接了一个电阻。 台中央彩灯 舞台的中央彩灯用的灯的种类都是三色灯（ ），总的用了 25 个灯， 示： - 10 - 图 3内部结构图 若要用 接控制这 25 个灯，虽然花样的形式不受控制，选择空间大了，但至少需要 75 个输出口。明显设备不够，所以本设计中用数字电路来弥补这个缺陷。虽花样的形式受到了限制，但是需要输出口的数量大幅度的减少，在本设计中，控制电路部分只用到了 6 个 输出口，分别控制脉冲的输出和中央舞台彩灯花样的形式。剩下的输出口可以用来控制其它的舞台灯。 中央舞台彩灯的布局和花样效果对硬件主控电路有决定性的影响，所以在此先对中央舞台灯的布局和花样形式做介绍。中央舞台灯的布 局，如图 3示： 图 3中央舞台灯的布局 中央舞台彩灯的花样类型主要分为两种：一种是，以圆的形式，由内圆到外圆逐 - 11 - 渐点亮；另一种是，以扇形扫的形式，顺时针依次点亮。在这两种形式的基础上可以实现很多种花样。由此，需要计数器来计数脉冲，再由脉冲来决定是点亮哪些灯。计数器选用了十进制计数器（ 比二进制计数器更符合设计需求。十进制计数器的工作电压范围为 3V15V。 台中央彩灯电路原理 在此需要注意：若用三色灯画电路图，将会重复用到很多元器件，且需求量很大。在一个画面上容不下 。所以 在电路中只绘出了单色灯的电路图。在实际电路中总的用了 6 片十进制计数器（ 1 片非门（ 74 21 片或门（ 74 4 片光电耦合器（ 数字电路 十进制计数 /分频器，它的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是 、 两个时钟端 用时钟脉冲的上沿计数，则信号从 输入；若用下降沿计数，则信号从 输入。此设计中用的是上沿计数。 清零端，当在 上加高电平或 正脉冲时其输出 高电平，其余输出端（ 为低电平。设计中即用到了高电平清零，又用到了正脉冲清零。 - 12 - 主控电路的电路图，如图 3示： 图 3中央舞台控制电路 设计中有两种花样形式，两种花样形式分别用到了两片 片工作。根据此特性用一个非门，就可由 口来决定是哪 - 13 - 片芯片工作，即选择花样形式。 由图 3知，中央舞台灯由四圈构成，所以花样形式一计脉冲数到 5 时清零，将第一片 在清零端（ 中央舞台灯由 8 列灯组 成，同样的道理，花样形式二计脉冲数计到 9 时清零，将第二片 在清零端。 图 3，花样形式切换时，使用了 脉冲清零的功能。由端口 状态切换时产生的正脉冲来清零。 两种花样形式就决定了同时有两根线要接在同一个灯上的情况，所以在此用到了或门。 在花样形式二中，最中心的灯比较特殊，其在形式二时一直都是亮着的。所以，用 口来决定其的亮灭。在此需要注意一个细节：要求不是让它在选中该芯片的瞬间就点亮，而是在第一个脉冲来了之后再亮，所以将 行与运算，取反。将其结果值和 行与运算。 见图 3的左上角，可看到两个 光电耦合器。用光电耦合器的原因：由于需要用 生比较快的脉冲，而继电器输出的 能产生快速的脉冲。所以改用了晶体管输出的 体管输出的外部接线如图 3示： 图 3部接线图 据图 3知，在外部需要接直流电源，且负载是共阳的。用光电耦合器既是起转换的作用，又起到将两个电源分开，隔离的作用。图中的 1 接 生脉冲的输出端， 2 接 制花样选择的端口。 - 14 - 明灯电路模块 照明灯模块电路图如图 3示： 图 3照明灯电路图 照明灯电路模块包括：前照明灯、后照明灯、聚光灯、雾灯以及背景上的慢闪烁灯。其中前照明和后照明共用了 12 个白光灯；聚光灯 5 个白光灯；白雾灯 8 个；慢闪烁灯 17 个。这些灯的焊接很简单，接上电阻共阳即可。这些灯不是焊接电路板上，而是用软电线接在一起，安装在舞台的铁架子上。图中的 别接 5 个输出端口。 景灯控制模块 背景灯控制电路中用了 3 片光电耦合器（ 1 片非门（ 74 3 个 景灯控制电路如图 3示： - 15 - 图 3背景灯控制 电路图 在最初的设计中并没有用到非门。在该电路中用到三个光电耦合器的原因与电路图 3同，接线的方法也相同。但在测试的过程中发现，时常会出现灯不亮的情况，多次拆下来查看，发现并不是灯烧坏产生的问题。功率不够也有可能会导致灯不亮的现象，接非门是为了放大功率。所以在图 3电路中，电阻接的位置也发生了改变，构成两次取反。接上非门后，多次测试，再没出现灯不亮的情况。 第四章 程序软件设计 在程序的设计中，主要是怎样产生脉冲，由于用的是三色灯，所以用了三路脉冲，为的是能够让 能够显示出七 种颜色。在程序中还要编写怎样据脉冲数来显示花样和颜色。在程序中共编写了四种花样，花样形式包括：花样一和花样二；花样形式二包括：花样三和花样四。 样一 花样一的时序图，如图 4示： - 16 - 图 4“花样一”时序图 “花样一”是单圈灯亮，由内向外亮。 图中， 脉冲产生的间隔时间。改变 大小可改变脉冲产生的快慢。 花样一”由内圆亮到外圆，直到熄灭，总的需要 5 个脉冲。所以“花样一”以5 个脉冲为一个周期。图中的 值为 由于将 于触摸屏上监控灯的颜色显示 ，所以是一个大的周期：颜色数 *单色周期脉冲数 =总的脉冲数（即： 7*5=35）。图中的 表的是七种颜色。 值 06 分别代表的颜色是：红、