基于单片机的换色器控制系统设计

I基于单片机的换色器控制系统设计摘要舞台灯光的色光变化是舞台艺术创作的重要因素。从综合艺术的角度来看，光与色是不可分割的统一体。这种观点源现代舞台艺术理论，已将色光的概念融入了舞台美术创作的基本规律中去。在客触发其相应的感觉联想。舞台艺术的创作者运用色光变化的表现手段去强调舞台环境气氛，刻画与塑造人物形象，揭示人物的内心变化，促进戏剧情节向深层次发展。当然，舞台色光的运用并不是孤立存在的，它是一个多元的时空艺术，在整个灯光艺术的创作体系中，它还需要各方因素的支持和牵引。换色器的诞生无疑为舞台照明艺术的发展提供了一个十分优越的条件。舞台灯光效果设计是舞台场景设计的重要组成部分。目前，舞台背景的要求越来越高，设计换色器控制系统具有重要的意义。本文介绍了基于单片机的换色器控制系统的设计，对单片机的选择，驱动电路，通信模块进行了阐述，并简要介绍了本控制系统的程序设计。IIconceptoflightinthefineartstocreatethebasicrulesofthestage.PeopleintheobjectiveisnaturalIII摘要第一章绪论研究的目的及意义状换色器未来发展方向研究内容文章结构与安排第二章方案论证系统设计思路通信方式的选择串行总线接口的选择驱动方式的选择第三章开发工具简介产品介绍使用简介创建项目文件源程序文件的建立第四章硬件电路的设计模块说明各模块电路的设计单片机驱动电路产生电路总线接口电路第五章系统软件设计主程序设计单片机控制模块产生模块通信模块IV扩展模块第六章总结致谢参考文献1 第一章绪论1.1研究的目的及意义舞台灯光的色光变化是舞台艺术创作的重要因素。从综合艺术的角度来看，光与色是不可分割的统一体。这种观点源现代舞台艺术理论，已将色光的概念融入了舞台美术创作的基本规律中去。在客触发其相应的感觉联想。舞台艺术的创作者运用色光变化的表现手段去强调舞台环境气氛，刻画与塑促进戏剧情节向深层次发展。当然，舞台色光的运用并不是孤立存在的，它是一个多元的时空艺术，在整个灯光艺术的创作体越的条件。舞台灯光效果设计是舞台场景设计的重要组成部分。目前，舞台背景的要求越来越高，设计换色器控制系统具有重要的意义。舞台灯光的色光变化是舞台艺术创作的重要因素。从综合艺术的角度来看，光与色是不可分割的统一体。这种观点源于现代舞台艺术理论，已将色光的概念融入了舞台美术创作的基本规律中去。在客观上是以人对自然环境和社会矛盾的反映为基础，巧妙地利用舞台色光的变化，引导观众的视觉反映，触发其相应的感觉联想，舞台艺术的创作者运用色光变化的表现手段去强调舞台环境气氛，刻画人物的内心变化，促进戏剧情节向深层次发展。当然，舞台色光的运用并不是孤立存在的，它是一个多元的时空艺术，在整个灯光艺术的创作体优越的条件。换色器有很多种类，有一种转盘式换色器，很早以前舞台上就出现了这种换色器，人们将薄铁板加工成圆形片围绕圆心等距开4~5个圆孔圆孔的大小相当于聚光灯镜片的大小在每个圆孔上分别粘贴不同颜色的色片纸用小型电机带动其旋转并用固定支架安装在灯具上来实现自动换色的目的。由于它换色器最早是应用在舞台投影幻灯上，除为天幕换色之外，主要用来自动更换幻灯片。扬旗式换色器运用丝杠带动片夹行走装置在设定的位置将片夹置入幻灯的光学系统间再按顺序将景片夹撤出，将需要的景片夹置入。随舞台幻灯应用的减少，这种换色方式也逐步退出舞台。现今只有追光灯采用这种换色器，而且一般都采用手动的形式。工作时由于色片装置呈上下或左右摆动，因此得名为扬旗式换采用小功率直流电机带动卷轴使色纸帘相互牵引卷绕运动，通过控制器及定位装置进行预选定位达到自动换色的目的。这种换色器具有较高程度的自动化功能，体积较小，使用方便，所以被人们广泛采用。从控制方式上看，目前国内市场上普遍流行的卷帘式换色器有模拟式和数字式两种。模拟式换色器是通过减速装置和在与卷轴相联动的电位器上获取采样信号来达到定位的，这种控制方式的定位精2 度较低，特别是在电位器磨损之后会出现色纸定位抖动或半格状态。另外实行若干编组或单控时则需敷设相应的复合电缆，比较麻烦。这种换色器只适合一般性演出和用量不大的场所，目前部分剧团仍在使用，而在市场上这种换色器已经被数字式换色器取代。数字式换色器是当今比较先进的一种通用产品，已作为主流器材进入演艺市场。定位精度是影响换色器质量的重要因素之一，数字式换色器一般选用光电传感器与齿轮形计数装置输出脉冲信号再进行编码取样。选用闭环控制系统进行锁定定位，即将色纸运行的取样信号同预置设定的定位数据信号进行比较，当两者信号完全吻合时，即发出停止信号使电机停转，使色纸完成定位，采用这种方法定位精度较高。数字式换色器的另一特点是采用了DMX512信号进行传输控制这种控制，方式不仅大大地扩展了编组和单控的数量级，而且可由一根信号电缆在较长的距离内同时控制成百上千的换色器，非常适合大型晚会及用量较大的舞台演出。数字式换色器因为采用了DMX512控制协议，所以也同电脑灯一样可单独控制。每台换色器均具有起始地址码设置开关，比较高级的换色器还设有功能开关可进行自检和复位。根据使用需要还可选择速度快式选择开关。另外在脱离控制台后还具备自动变换颜色的功能。都采用DMX512标准信号电缆传输。但往往有很多用户采用两芯话筒线做信号传送，这虽然也能使码的情况发生。有条件时应将最后一个分配器的讯号接口加一个110的终端电阻。数字式换色器的牵引与拖动大都采用小功率直流低压电机，因此必须配有直流供电电源。在常规的情况下，各厂家都将供电电源与信号隔离电路统一装在一起，称为电源分配器，每一台分配器可供V及控制电路工作。为了减轻重量，一般厂家都将分配器电机设计成开关式电源。无论何种分配器都设有220V交流电源输入插口和标准的DMX512信号输入(IN)插口和转接(THRO)插座。输出部分在都采用XLR4芯插座，输出复合信号电缆(包括电源和信号)首尾都装有XLR4芯插头，将分配器与换色器相接，并以此来区分与电脑灯信号电缆的差别(电脑灯信号电缆标准为XLR5芯插件)值得注意的是，国内生产的换色器产品其信号电缆至今没有统一的接法，阴阳插的采用也无定式，这在使用中经常会造成混乱。各厂家生产的分配器在复合信号输出插座的数量上也有差异。分别设有2肯定伴随着大量的电源分配器，这时可以采用信号分配器来进行连接1.3换色器未来发展方向用率等诸多优势博得了广大舞美工作者的青睐。但是，在换色器的发展过程中由于各方面条件的限制，人们对原材料的选择还缺乏经验，种种不足导致其在使用中故障频发，烦恼不断，曾一度使用户丧失了和开发潜力。(1)换色器与舞台常规灯具的一体化是该产品提档升级，更新换代的突破口。我们知道，3 的麻烦，又降低了运输和拆装而引发的故障率，这是一个以人为本的市场导向。(2)DMX512数字信号传输系统虽然使换色器以编辑地址码的方式达到分组或单控的目的，但同时还是脱离不了一些辅助装置，如开关电源，信号输入，信号输出电缆及插件等，这样势必要增加劳动强度。根据现代电力载波技一步研究)，这样既可节省安装时间又大大提高了机动性，故障率也相对减少。如果此项技术开发成功，将会带动相关产品的技术变革及市场变化。(3)采用复合结构设置，即两套色片分别换色或相互重叠组娱乐灯饰等其他领域产品。这也是相互促进，开拓视野，延伸挖潜，内外双赢的必经之路。(5)加强易损件的提供，保证优良的售后服务更是促进换色器市场兴旺发达的基础。1.4研究内容本课题主要任务是利用单片机等部件设计舞台灯光换色器，能够实现换色器色纸的精确定位。要实现色纸的精确定位，其根本就是要单片机精确控制电机运行，停止，而想要控制电机精确运行，则PWM制的方式，让电机运行确定的圈数来实现色纸的定位，本文主要介绍了换色器的设计思想，方案论证以及元件的选择等内容，整体上分为硬件部分和软件部分设计。本文首先扼要的对该课题的换色器进行总体的介绍，该课题的背景和选题意义，国内外现状，未来的研究方向等等；继的选择，串行接口的选择等；继而介绍了使用的Altium，Keil软件；然后阐述了该换色器的硬件软件的具体要求如下:在完成硬件电路设计的基础上，开发相应软件。实现系统联调。1.5文章结构与安排本篇报告主要分六章来介绍所研究的内容：第一章是绪论，简单介绍课题所处的背景及选题的意义，当前的发展状况与课题所研究的主要内容；第二章方案论证，对课题所选择的方案进行列举与选择，按照所要实现功能的程度与精确度进行器件和方案的选择；第三章是开发工具的介绍，就本设计所要用到是工具进行简单的介绍；第四章是系统硬件的设计，通过方案的选择确定，来对课题进行具模块的流程图和部分程序；第六章是小结，对于在设计过程中遇到的问题进行表述，以及如何解决完以上就是报告要完成的内容，通过六章的介绍可以详细地介绍在完成此课题时遇到的问题，问题4 的解决，方案的设计与选择，具体功能的实现等相关情况。5 方案论证设计一控制电路板，通过按键或者PC机通信来实现对换色器的控制，按下按键，换色器可以切换到按键所对应的颜色，或者通过与PC机通信，可以实现换色器的准确换色甚至按一定规律连续观色。本系统的设计可从几个部分考虑：微处理器的选择、通信方式的选择、串行接口电路的选择、驱通信模通信模块微处理器控制驱动模块图系统总体框架另外购买其他的芯片，如A/D转换及定时/计数器(PWM)等芯片，从而造成成本较高，性价比低。的要求，AT89C51芯片完全能够满足灯光控制系统所需要的处理器的性能和内存。故本设计采用该通信方式的选择并行通信是指一条信息的各位数据被同时传送的通信方式。并行通信的特点是：各数据位同时传6 几距数米)的通信，故不采用。串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。串行通信的特点是：数据位传送，按位顺序进行，最少只一需根传输线即可完成，成本低但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。由于串行通信方式具有使用线路少、成本低、特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用，因此本设计采用串行通信。串行总线接口的选择C线,包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制,例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离mRS－485是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差度、多点通讯制定的标准。150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点驱动方式的选择7 8 章开发工具简介产品介绍esignerAltiumDesigner包含所有设计任务所需的工具：原理图和HDL设计输入、电路仿真、信号完整er定制，以满足用户的各种不同需求。当您执行菜单命令[开始]-[所有程序]-[AltiumDesigner]启动AltiumDesigner时，您实际在启动单和快捷键。此性能意味着您可以随意在PCB布线、物料清单编制、瞬态电路分析和其它操作之间进行切换，当前菜单、工具栏和快捷键始终保持可用。另外还可根据您的偏好对所有工具栏、菜单和快捷键进行配置。使用简介1、建立一个原理图元件库和一个印制板图封装库：9 LibraryD第三单元：原理图的绘制画线;TAB键的功能;元件的删除。3、摆放元件:弹出元件属性对话框componentprpperties4、绘制禁止布线层:持 KeilC51集成开发环境是以工程的方法来管理软件的，而不是单一软件的模式，所有的软件包括源程序(包括C语言和汇编语言)、头文件、甚至说明性的技术文档都可以放在工程项目文件里。在tmelATC为工程项目设置软硬件调试环境。创建源文件并输入程序代码。序项目文件。加到项目中。3.2.2源程序文件的建立(1)为工程取一个名字，工程名应便于记忆且文件名不宜过程。(2)选择工程存放的路径。(3)进入工程目录输入工程名后，点击保存返回。毕用户可以根据需要选择相应的器件并选择相应器件的型号，本产品的单片机型号是STC的t4在原程序的编辑框内输入自己的代码，并将原程序添加到项目文件中。 章硬件电路的设计4.1模块说明按键输入PWM产生模块直流电机单片机闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FAlshProgrAmmABleAnd控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。)VSS(20)：接地，也就是GND。在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。 (5)ALE/PROG(30)：地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。(6)RST/VPD(9)：复位信号输入端/备用电源输入端。(7)EA/VPP(31)：内/外部ROM选择端(8)P0口(39-32)：双向I/O口。(9)P1口(1-8)：准双向通用I/0口。(10)P2口(21-28)：准双向I/0口。个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路(1)振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶XTAL信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。(2)芯片擦除：E操作必须被执行。CRAM。 图单片机最小系统驱动电路L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应 图模块电路如图：图图电路产生电路 统日时钟的技术以及发声系统的声源都是由8254芯片来完成的。(1)数据总线缓冲器数据总线缓冲器是一个三态、双向8位寄存器主要作用是与cpu进行数据交换，8位数据线D7~(2)读写逻辑工作方式。读/写控制逻(3)控制字寄存器的不同工作方式。(4)计数器各自可按照编程设定的方式工作。8254芯片共有六种工作方式，分别对应与六种不同的用途。(1)方式0：计数到0结束输出正跃变信号方式。(2)方式1：硬件可重触发单稳方式。(3)方式2：频率发生器方式。(5)方式4：软件触发选通方式。(6)方式5：硬件触发选通方式。 总线接口电路S的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7~+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。图图总线接口电路 第五章系统软件设计5.1主程序设计到指令后，产生相应的PWM波来驱动电机转动，电机带动色纸来实现换色的功能。我们可以先将总体程序划分为几个模块来设计，方便程序的完成，大概的模块划分如图5-1：换色器控制系统程序换色器控制系统程序波产生模块单片机主控制程序通信模块扩展模块图系统模块划分单片机控制模块单片机作为本设计的核心元件，在软件设计方面也占有绝对的主导地位，它是整个设计的关键，它不仅要实现与PC机的通信，还要在接收到输入信号后，迅速做出反应，驱动电机实现色纸换色， 始初始化N扩展颜色Y计算需运行距离驱动电机运行记录色纸位置黄色NYY图程序流程图如上图5-2所示，单片机在接收到信息之后判断需使用的色纸，然后计算从当前位置运行至目标位置所需的距离，随后产生相信的PWM信号驱动电机运行，从而实现精确定位，在全过程中，需要不停记录检测当前色纸位置，以便于下一次运行时能够快速准确的定位。产生模块低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接 速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=t／T，则电机的平均速度Vd的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控uchart*/{{{if(speed<0)/*速度值为负则反转*/ {}else/*不为负数则正转*/{}}{{}{}}}}voiddelay(uintj)/*简易延时函数*/{for(j;j>0;j--);}{ TH0=0x9B;/*装入定时器的初值*/EA=1;/*开中断*/while(1)/*电机实际控制演示*/{for(i=0;i<=100;i++)/*正转加速*/{}for(i=100;i>0;i--)/*正转减速*/{}for(i=0;i<=100;i++)/*反转加速*/{}for(i=100;i>0;i--)/*反转减速*/{}}}{ if(t==0)/*1个PWM周期完成后才会接受新数值*/{}}通信模块本设计通信采用芯片转换后再经过一个收发芯片连接单片机的和()的通信示例如下：sbitSHRL=P2^7;/*高电平发送，低电平接收*/{UartInit();SHRL=0;/*保持为发送状态*/{if(RI)//如果收到数据{RI;//清除接收标志}}}扩展模块本换色系统还可以加一些扩展，例如按键控制，电机转速检测等等，在此就不详细描述。 第六章总结及本课题知识不是很多，所看到的东西与本课题不太容易联系起来所以对本课题掌握并不是很理想。为了毕业设计有实践性，综合性，探索性，应用性等特点，本次选题的目的是换色器控制系统。随着毕自己满意的电路图，原理图，图等，我仔细学习了绘图技术。在设计电路初期，由于没