舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE13哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I-摘要舞臺(tái)燈光特效是舞臺(tái)重要的組成部分，傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈光控制裝置是人工控制或者機(jī)械傳動(dòng)來(lái)完成的，響應(yīng)速度慢，容易出故障，因此，需要新的控制系統(tǒng)來(lái)解決傳統(tǒng)舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)的痛點(diǎn)，使舞臺(tái)燈光控制方式效率變高，提升舞臺(tái)效果，防止升降舞臺(tái)無(wú)法同步升降而導(dǎo)致演出事故，燈光是舞臺(tái)表演中的重要因素，起到對(duì)舞臺(tái)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(jìn)技術(shù)的發(fā)展，舞臺(tái)燈光的數(shù)里和種類(lèi)越來(lái)越多，必須采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)燈光的控制。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，針對(duì)舞臺(tái)燈數(shù)量較多，且閃爍效果多變的特點(diǎn)。結(jié)合單片機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)單片機(jī)、角度傳感器、無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的控制，通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)、顏色透鏡的控制，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。其次，針對(duì)升降舞臺(tái)同步控制系統(tǒng)大慣性、非線(xiàn)性、時(shí)變性等特點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)角度傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)LED射燈的同步控制，可以遠(yuǎn)程手動(dòng)操作和自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)燈光的不同效果組合，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)使系統(tǒng)達(dá)到系統(tǒng)同步性、快速性、穩(wěn)定性的要求。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；角度傳感器；燈光控制；遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3課題的設(shè)計(jì)目標(biāo) 21.4課題研究的主要內(nèi)容 3第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方案論證 42.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 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(qū)動(dòng)電路的選擇 72.4.1電機(jī)的選擇 72.4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)線(xiàn)通信的選擇 102.7系統(tǒng)電源的選擇 11本章小結(jié) 12第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 133.1最小核心系統(tǒng)設(shè)計(jì) 133.2角度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 143.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 143.4遠(yuǎn)程控制電路設(shè)計(jì) 153.5系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì) 163.5燈光控制電路設(shè)計(jì) 163.7系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 17本章小結(jié) 18第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 194.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 194.2數(shù)據(jù)顯示子程序設(shè)計(jì) 204.3步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì) 20本章小結(jié) 21第5章系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試 225.1系統(tǒng)調(diào)試 225.2調(diào)試結(jié)論 235.3實(shí)物圖片 23本章小結(jié) 24結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 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(tái)重要的特效，通過(guò)燈光可以提升舞臺(tái)的效果，達(dá)到渲染環(huán)境的目的，而舞臺(tái)的燈光并不是簡(jiǎn)單的燈光設(shè)備的組合，為了表達(dá)出燈光的效果，包括色彩的切換，明暗變化等，都是需要通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制才能達(dá)到最好的舞臺(tái)效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的亮度控制，色彩變換，位置移動(dòng)等效果。傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)包含三個(gè)部分，分別是對(duì)光強(qiáng)弱進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)光系統(tǒng)，通燈光方向和動(dòng)作控制的主控系統(tǒng)，對(duì)色彩進(jìn)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(yuǎn)程的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制等，傳統(tǒng)的燈光控制系統(tǒng)都是分別控制的，各自獨(dú)立的系統(tǒng)，但是進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)時(shí)代后，三個(gè)系統(tǒng)融合起來(lái)，并對(duì)舞臺(tái)的光效進(jìn)行控制，這種系統(tǒng)功能更強(qiáng)大，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，能夠滿(mǎn)足大部分舞臺(tái)燈光特效的需求，舞臺(tái)燈光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成滿(mǎn)足了舞臺(tái)特效的要求，通過(guò)舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制控制系統(tǒng)中的調(diào)光單元，運(yùn)動(dòng)控制單元，換色器等設(shè)備，這些設(shè)備又通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，這樣設(shè)備在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行互通互聯(lián)，但是由于舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備使用的協(xié)議是DMX協(xié)議，需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換才能夠使用，這樣就增加了設(shè)備的數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性，操作起來(lái)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，因此，目前市場(chǎng)上的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)還比較復(fù)雜，且需要專(zhuān)門(mén)人員進(jìn)行調(diào)試和操作，不能滿(mǎn)足環(huán)境的變化需求，因此隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和控制的靈活性也得到了提高。在國(guó)際潮流和科技的推動(dòng)下，舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)向著自動(dòng)化，集成化發(fā)展，通過(guò)電腦的控制就能夠完成所有的舞臺(tái)燈光的控制，降低了系統(tǒng)的操作難度，同時(shí)向相比于傳統(tǒng)的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，采用無(wú)線(xiàn)控制的舞臺(tái)燈光系統(tǒng)更加高效，適應(yīng)能力強(qiáng)，同時(shí)也徹底改變了舞臺(tái)控制系統(tǒng)的布線(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)控制，且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，不僅沒(méi)話(huà)了舞臺(tái)空間，還使得舞臺(tái)效果更容易控制和多樣，同時(shí)也要提高舞臺(tái)控制系統(tǒng)的安全性。燈光舞臺(tái)控制系統(tǒng)是舞臺(tái)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(jìn)的舞臺(tái)控制系統(tǒng)可以很大程度將舞臺(tái)的燈光效果展示出來(lái)，并隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化也推動(dòng)了人舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的研究比較早，例如英國(guó)寶沙公司生產(chǎn)的第一臺(tái)由電腦控制的PULSAR108控臺(tái)，它是一種模擬技術(shù)的控制臺(tái)，可輸出0-10V信號(hào)，RS232信號(hào)和DMX512信號(hào)，并且有108路的控制通道，并在程序的設(shè)定下，對(duì)126個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行記憶，，54個(gè)跑燈的運(yùn)行進(jìn)行記憶，還有6個(gè)遠(yuǎn)景燈等等。愛(ài)富麗公司研制的AZURE2000控制臺(tái)更加先進(jìn)功能也更多，設(shè)備可以輸出四路標(biāo)準(zhǔn)DMX512信號(hào)，控制端口可以達(dá)到2048個(gè)，可以滿(mǎn)足更大型的舞臺(tái)燈光的控制，同時(shí)可以控制200個(gè)電腦燈，對(duì)400個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行記憶，通過(guò)內(nèi)部的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器可存儲(chǔ)或載入燈光程序，同時(shí)為了滿(mǎn)足不同的需求，還可以進(jìn)行軟件安裝及控臺(tái)升級(jí)，通過(guò)VGA連接顯示器，了解系統(tǒng)的運(yùn)行工作狀態(tài)。我國(guó)在舞臺(tái)燈光的美觀設(shè)計(jì)上的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只是在舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的實(shí)際控制方面稍有欠缺，缺乏技術(shù)儲(chǔ)備，有一些廠商已經(jīng)開(kāi)始對(duì)舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)進(jìn)行資金投入，開(kāi)發(fā)出新的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，但是還不能完全取代成熟的國(guó)外產(chǎn)品。北京零眾文化的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)、酒店、演唱會(huì)等場(chǎng)地進(jìn)行舞臺(tái)燈光的控制。昇銳文化公司研發(fā)的數(shù)字舞臺(tái)燈光控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地?zé)艄獾倪h(yuǎn)程控制，金舞臺(tái)川系列-GLODSTAGEⅢ，金舞臺(tái)一Ⅲ系列網(wǎng)絡(luò)調(diào)光臺(tái)是國(guó)內(nèi)最高檔次的可配置雙主機(jī)熱備份系統(tǒng)的燈光臺(tái)。它具有強(qiáng)大的非常人性化和智能化的編排監(jiān)控功能，用戶(hù)不僅可以方便地編排各種燈光場(chǎng)景還能監(jiān)控調(diào)光系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況?，F(xiàn)今隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，燈光控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化日益成熟，智能化網(wǎng)絡(luò)化燈光控制系統(tǒng)已經(jīng)形成大勢(shì)。單獨(dú)采用TCPIP以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，或采用TCPIP以太網(wǎng)與傳統(tǒng)的DMX控制技術(shù)相結(jié)合的方式，來(lái)控制整個(gè)燈光系統(tǒng)。1.3課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的提高，越來(lái)越多的燈光裝飾進(jìn)入到我們的生活中，其中舞臺(tái)燈光作為渲染環(huán)境氣氛，增強(qiáng)人們感官的裝置，也越來(lái)越常見(jiàn)，步進(jìn)為人們的生活增加樂(lè)趣，同時(shí)也為各種舞臺(tái)、演唱會(huì)、聚會(huì)等活動(dòng)帶來(lái)絢麗的燈光效果。并且隨著技術(shù)的發(fā)展，舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)也向著更加小型化，智能化，精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)也進(jìn)行了更新?lián)Q代，通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)燈光的控制，因此，本課題以舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)為目標(biāo)，系統(tǒng)采用可編程單片機(jī)做系統(tǒng)的主控芯片，通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制外圍的電路，包括對(duì)燈光承載平臺(tái)的控制，平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)X和Y軸的運(yùn)動(dòng)，是一種二維云臺(tái)。單片機(jī)通過(guò)控制X軸和Y軸的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的控制，同時(shí)為了更精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制命令，系統(tǒng)的前端為角度傳感器，通過(guò)安裝在云臺(tái)上的角度傳感器來(lái)感受云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整云臺(tái)的姿態(tài)，通過(guò)傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制，調(diào)整云臺(tái)的角度，直到系統(tǒng)的云臺(tái)達(dá)到指定的狀態(tài)。完成云臺(tái)的控制后，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色透鏡的控制，通過(guò)電機(jī)來(lái)切換透鏡達(dá)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(yù)先設(shè)定好的指令來(lái)執(zhí)行燈光的控制，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的手動(dòng)控制，通過(guò)無(wú)線(xiàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送指令來(lái)控制燈光云臺(tái)。舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是遵循舞臺(tái)表演的規(guī)律和特殊使用要求進(jìn)行配置的，其目的在于將各種表演藝術(shù)再現(xiàn)過(guò)程所需的燈光工藝設(shè)備按系統(tǒng)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)配置使舞臺(tái)燈光系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速。提高系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化，減少了系統(tǒng)出錯(cuò)的幾率，最終實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)光效的控制。1.4課題研究的主要內(nèi)容課題是基于單片機(jī)的舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的控制和運(yùn)行，首先選擇合適的角度傳感器，然后通過(guò)角度傳感器對(duì)二維云臺(tái)的和LED射燈的角度進(jìn)行檢測(cè)，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)發(fā)送給單片機(jī)數(shù)據(jù)信息，因此，前端傳感器的檢測(cè)值直接決定了系統(tǒng)處理電路的工作效率，系統(tǒng)的檢測(cè)電路完成后，對(duì)系統(tǒng)的控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制電路是根據(jù)系統(tǒng)前端檢測(cè)的角度的大小和差量來(lái)進(jìn)行反饋的，控制部分使用驅(qū)動(dòng)電路，將單片機(jī)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流輸出，通過(guò)這種方式可以很精準(zhǔn)的控制云臺(tái)角度，達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的，為了使系統(tǒng)的控制更加靈活，使用無(wú)線(xiàn)通信方式遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，同時(shí)為了直接表達(dá)數(shù)據(jù)，通過(guò)液晶來(lái)顯示數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握傳感器檢測(cè)的系統(tǒng)狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上形成了一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的檢測(cè)和控制，課題的研究?jī)?nèi)容可以分成以下幾點(diǎn)。（1）對(duì)角度檢測(cè)裝置進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究；（2）通過(guò)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并構(gòu)思硬件原理；（3）系統(tǒng)可以分成幾個(gè)部分，包括處理數(shù)據(jù)部分，檢測(cè)部分，通信部分，執(zhí)行部分等；（4）通過(guò)軟硬件聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣角度的檢測(cè)和控制；（5）優(yōu)化硬件電路設(shè)計(jì)和連接，提高系統(tǒng)抗干擾性第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方案論證舞臺(tái)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(shí)際的需求和現(xiàn)象來(lái)對(duì)各個(gè)器件和模塊進(jìn)行選型，包括單片機(jī)、傳感器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)等等，方案論證為系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)提供了參考的方案。2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)是基于單片機(jī)的一種精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)，通過(guò)角度感器實(shí)現(xiàn)對(duì)LED射燈的實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)改變LED射燈及二維云臺(tái)的狀態(tài)。其中微處理器使用八位單片機(jī)，并設(shè)計(jì)出合理的外圍電路和模塊，配合單片機(jī)進(jìn)行反饋控制，當(dāng)二維云臺(tái)在單片機(jī)的指令下進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，它面臨的主要問(wèn)題就是操作的準(zhǔn)確性和快速性，因此在系統(tǒng)進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要通PID算法來(lái)進(jìn)行輔助控制，通過(guò)傳感器來(lái)進(jìn)行傾斜角度的測(cè)量，配合單片機(jī)矯正二維云臺(tái)的狀態(tài)。在本次課題中將使用兩個(gè)角度傳感器對(duì)二維云臺(tái)的兩個(gè)方向進(jìn)行控制，同時(shí)控制燈光的切換，在本次設(shè)計(jì)中，以單片機(jī)為主控制器進(jìn)行系統(tǒng)的架構(gòu)和建模，通過(guò)外圍模塊及電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖從舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中可知，左側(cè)為系統(tǒng)的輸入端，包括時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位信號(hào)等，這兩個(gè)信號(hào)是單片機(jī)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(yùn)行停止在某一個(gè)狀態(tài)，則說(shuō)明程序未進(jìn)行，這時(shí)候可以通過(guò)復(fù)位電路來(lái)重啟系統(tǒng)，時(shí)鐘電路為系統(tǒng)的運(yùn)行提供時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)作為數(shù)據(jù)的接收端和指令的發(fā)送端，負(fù)責(zé)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(cè)為系統(tǒng)的輸出端，包括顯示電路、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)以及無(wú)線(xiàn)通信電路，形成一個(gè)數(shù)據(jù)和控制的閉環(huán)電路，并通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)的串口單片機(jī)對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)字量得到實(shí)際的二維云臺(tái)角度，并將實(shí)際的角度與設(shè)定的角度進(jìn)行對(duì)比，如果有誤差△S（代表角度差），則單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)二維云臺(tái)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(duì)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(guò)單片機(jī)及外圍的電路實(shí)現(xiàn)了舞臺(tái)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(jī)，它是16位單片機(jī)，處理能強(qiáng)，功耗低，通過(guò)匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，可以通過(guò)內(nèi)部的寄存器控制外圍電路，然后在經(jīng)過(guò)程序的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和控制指令的輸出，有點(diǎn)是處理能力強(qiáng)，但是編程較麻煩。方案二：采用AT89C51單片機(jī)，它是比較常見(jiàn)的單片機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，內(nèi)部有256K的存儲(chǔ)空間，可以滿(mǎn)足小系統(tǒng)的程序需求，同時(shí)他還有40個(gè)IO口可以使用，雖然沒(méi)有內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換，單通過(guò)并口或者串口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞也可以滿(mǎn)足要求，它常用于簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)中，可以滿(mǎn)足大部分中低端設(shè)備的要求。方案三：采用STM8單片機(jī)，它是8位的單片機(jī)，內(nèi)部有多種總線(xiàn)接口，可以靈活地進(jìn)行系統(tǒng)的外部擴(kuò)展和通信，開(kāi)原資料比較多，直接頂層的程序來(lái)控制寄存器，內(nèi)部有很多資源，可以使用外部的硬件資源，也可以使用內(nèi)部的資源，增加了選擇性，作為8位單片機(jī)，它的主頻也達(dá)到了72MHz，運(yùn)行速度更快，價(jià)格也十分合適。通過(guò)三種方案論證，選擇AT89C51單片機(jī)來(lái)作為舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)的主控芯片，系統(tǒng)需要用到外部檢測(cè)模塊，傳感器，液晶顯示等功能，選擇AT89C51可以降低開(kāi)發(fā)難度，提高快發(fā)速度，同時(shí)系統(tǒng)的使用單片機(jī)可以提高系統(tǒng)的靈活性，因此從性能和價(jià)格上綜合考慮系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的微處理器。1．芯片介紹：AT89C51單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)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(nèi)部存儲(chǔ)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(nèi)部，而且內(nèi)部還帶有存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)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(shí)性?xún)r(jià)比較高，為用戶(hù)提供了很多可參考的資源，是一種合理、高效，性?xún)r(jià)比很高的方案。2．芯片主要特性：.兼容51內(nèi)核操作；.內(nèi)部有4KB的FLASH存儲(chǔ)器；內(nèi)部的程序可以在掉電的情況下保留；標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部有1MB的RAM；7.一共有P0-P3工48個(gè)IO，2個(gè)內(nèi)部的定時(shí)器，5個(gè)中斷等；空閑工作狀態(tài)和掉電工作狀態(tài)：?jiǎn)纹瑱C(jī)使用的是內(nèi)部的振蕩器和時(shí)鐘計(jì)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(guò)內(nèi)部的處理電路將數(shù)字量發(fā)送給單片機(jī)，不需要中間的轉(zhuǎn)換，芯片的內(nèi)部增加了算法，可以大大的提高檢測(cè)精度。方案二：采用JY901傾角儀，其內(nèi)部使用的是進(jìn)口的MEMS傾角測(cè)量單元，內(nèi)置工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的MCU單元，集成先進(jìn)的濾波算法，可以通過(guò)程序進(jìn)行調(diào)平和調(diào)準(zhǔn)，輸出可與485總線(xiàn)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(nèi)置了微機(jī)電生產(chǎn)工藝傾角單元，體積小，功耗低，并且微機(jī)電工藝的一致性和穩(wěn)定性很高。由于舞臺(tái)光效控制適用于小型舞臺(tái)，因此選用性?xún)r(jià)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(guò)單片機(jī)可以方便的與其進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，同時(shí)控制方式簡(jiǎn)單，輸出數(shù)字量，性?xún)r(jià)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(guò)陀螺儀與加速度傳感器經(jīng)過(guò)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(jī)進(jìn)行通信。其精度高，穩(wěn)定性高。能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的角度，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。2.模塊主要性能：（1）模塊內(nèi)部帶有校正功能，保持3秒以上靜止?fàn)顟B(tài)；（2）模塊的角度誤差不超過(guò)0.1度；（3）直接輸出TTL信號(hào)，與單片機(jī)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(shuō)明：（1）VCC：模塊電源輸入；（2）GND：模塊電源輸出；（3）RX：接受單片機(jī)串口數(shù)據(jù)；（4）TX：通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)；（5）RST：連接單片機(jī)的復(fù)位，與系統(tǒng)同時(shí)復(fù)位，可以不接；（6）B0；內(nèi)部使用，懸空；（7）SCL：IIC通信的時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)；（8）SDA：IIC通信的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線(xiàn)；2.4系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的選擇2.4.1電機(jī)的選擇方案一：使用直流電機(jī)R300C，直流電機(jī)的控制的方式簡(jiǎn)單，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)電路的控制，且電機(jī)的種類(lèi)范圍大，價(jià)格便宜，方便控制，但是缺點(diǎn)是不同實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位和控制。方案二：使用步進(jìn)電機(jī)28YBJ-48，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)“步進(jìn)制”通過(guò)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的一步一步的控制，通過(guò)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成實(shí)際的轉(zhuǎn)速，控制旋轉(zhuǎn)的角度和線(xiàn)位移，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。通過(guò)方案論證，我們選擇步進(jìn)電機(jī)28YBJ-48作為舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)的控制電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)二維云臺(tái)的X和Y軸的控制，保證舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。1.性能指標(biāo)：（1）電壓輸入為5V；（2）步距角可以達(dá)到5.625℃；（3）驅(qū)動(dòng)方式為4相8拍；（4）絕緣強(qiáng)度可以達(dá)到300VAC/1mA/1S；（5）噪音小于40dB/A；（6）轉(zhuǎn)速比為1/64；（7）直流電阻200Ω±7%。2.4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案一：使用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，它是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)到3A，持續(xù)工作電流為2A。方案二：使用H橋驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路反應(yīng)迅速，易于控制，功率效率高，通過(guò)PWM進(jìn)行控制，不同側(cè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，能夠承受住驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)MOS管的開(kāi)合將直流電逆變?yōu)槟硞€(gè)頻率的交流電，然后再驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。方案三：使用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片，它是高電壓大電流的驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部由達(dá)林頓組成，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，單片機(jī)可以與之直接連接來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，性?xún)r(jià)比較高。舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)使用步進(jìn)電機(jī)，因此需要步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制28YBJ-48運(yùn)行，它能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)控制，在單片機(jī)的PWM脈沖信號(hào)下，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的步進(jìn)控制，可以保證LED射燈的和二維云臺(tái)的精準(zhǔn)度。1.性能特點(diǎn)：（1）電流增益比較大，可達(dá)1000；（2）輸出端的負(fù)載能力大，可以達(dá)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(duì)伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥進(jìn)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(qū)動(dòng)芯片，它是集成了通信電路，控制電路，編解碼等電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管，LED等控制，采用CMOS工藝，可以控制多個(gè)LED，還可以通過(guò)按鍵或者單片機(jī)進(jìn)行燈光的控制，通過(guò)串口與控制芯片進(jìn)行通信。方案二：使用單片機(jī)IO口進(jìn)行LED的驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)的IO口通過(guò)三極管放大電路與LED連接，直接通過(guò)三級(jí)管來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)和組合，但是缺點(diǎn)是單片機(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力較弱，通過(guò)單片機(jī)控制可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而導(dǎo)致云臺(tái)等系統(tǒng)控制不穩(wěn)定。方案三：使用SDMX5124驅(qū)動(dòng)芯片，它是一款專(zhuān)用的RGB控制芯片，可以控制紅、綠、藍(lán)色LED，并通過(guò)單片機(jī)的信號(hào)來(lái)控制不同LED的運(yùn)行，從而組合出不同顏色的舞臺(tái)燈光，內(nèi)部帶有保護(hù)電路。舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)需要對(duì)燈光進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)不同的光效和色彩的變換，方案一更適用于對(duì)數(shù)碼管的控制，方案二的缺點(diǎn)在于單片機(jī)及放大電路的驅(qū)動(dòng)能力有限，會(huì)導(dǎo)致光效效果下降，因此選用SDMX5124控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅、綠、藍(lán)色LED燈的控制。1.芯片特性：（1）進(jìn)行單線(xiàn)的級(jí)連控制或者通過(guò)鎖存器控制；（2）可進(jìn)行多個(gè)控制芯片的級(jí)聯(lián)；（3）工作電壓5V，低漏電流；（4）內(nèi)部帶有電流保護(hù)電路、靜電保護(hù)電路；（5）通過(guò)PWM芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；（6）全彩控制，每種色彩有16種灰度。2.芯片引腳說(shuō)明：（1）OSCIN、OSCOUT：時(shí)鐘信號(hào)輸入輸出；（2）DIN、DCLKIN：數(shù)據(jù)和時(shí)鐘總線(xiàn)；（3）MCLKIN：主時(shí)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(shí)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(guò)單片機(jī)的控制實(shí)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(jiàn)的顯示器之一。方案二：通過(guò)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(shí)比較直觀，可直接顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，單片機(jī)通過(guò)IO口控制每段二極管來(lái)顯示不同的數(shù)據(jù)，但是缺點(diǎn)是占用單片機(jī)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(xiàn)，可以節(jié)省很多的IO資源，而且傳輸速度快，控制方式簡(jiǎn)單，體積小但是可以顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，漢字等信息。通過(guò)對(duì)比，舞臺(tái)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(hào)等，可以清晰的描述角度傳感器測(cè)量的角度值或者單片機(jī)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(diǎn)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(gè)漢子和字符，實(shí)現(xiàn)數(shù)字和字符的同時(shí)顯示，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示更加明顯。1.性能特點(diǎn)：（1）廣視角，對(duì)比度高畫(huà)面不失真；（2）尺寸薄，發(fā)熱量小；（3）非常高的反應(yīng)速度，溫度特性好；（4）岌光效率更高，能耗比LCD要低；（5）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗震性能好。2.6無(wú)線(xiàn)通信的選擇方案一：采用NRF24L01模塊，相對(duì)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(hào)穩(wěn)定可靠，單片機(jī)使用模擬SPI與NRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通信能力強(qiáng)，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(wú)線(xiàn)模塊，也就是我們常說(shuō)的短距離射頻通信，它的內(nèi)核是Zigbee，通過(guò)外圍電路改變通信電路的信號(hào)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(shí)它還兼有C51的內(nèi)核，可是直接使用C編程。方案三：采用HC-05-06-08-02藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)近距離數(shù)據(jù)的傳輸，且傳輸速度快，通過(guò)終端或者手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送，其優(yōu)點(diǎn)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(huì)大幅度的下降。通過(guò)方案論證，采用NRF24L01模塊來(lái)向控制舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)發(fā)送指令，它的功耗低，使用開(kāi)發(fā)方便，通過(guò)虛擬的SPI低速總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和模塊的數(shù)據(jù)交換，在室內(nèi)穩(wěn)定性好，可以實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送，響應(yīng)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(shè)計(jì)，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(guò)軟件設(shè)置工作頻率，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度等。2.芯片引腳說(shuō)明：（1）CE：使能發(fā)射或接收；（2）CSN，SCK，MOSI，MISO：通過(guò)SPI方式通配置NRF24L01；（3）IRQ：中斷標(biāo)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(xiàn)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(jiàn)的電壓轉(zhuǎn)換芯片，輸入電壓在24V到8V之間，然后經(jīng)過(guò)旁路電容進(jìn)行濾波得到穩(wěn)定的5V電壓，它的電路簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，通過(guò)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(diào)，通過(guò)外部的阻容電路可以實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的輸出電壓，同時(shí)，它還可以實(shí)現(xiàn)AGND和DGND的分割，但是電路比較復(fù)雜，。方案三：使用線(xiàn)性電源，線(xiàn)性電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)將市電或者直流電轉(zhuǎn)換成所需的直流電，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，但是輸入電壓的范圍比較窄，而且紋波較大，相對(duì)而言，線(xiàn)性電源更適用于比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中。通過(guò)方案論證，我們選用LM2596穩(wěn)壓芯片，這種電源價(jià)格便宜，穩(wěn)定可靠，12V直流電適配器經(jīng)過(guò)LM2596后變成5V的直流電，5V直流電用于給設(shè)計(jì)中的單片機(jī)進(jìn)行供電，這種線(xiàn)性電路可以很好的屏蔽外部干擾，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(guò)不通型號(hào)的電路輸出不同的電壓值；（3）內(nèi)部有過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)；（5）輸出晶體管SOA保護(hù)。2、芯片引腳說(shuō)明：（1）1腳為電壓輸入端，不能超過(guò)輸出端5V以上；（2）2腳為輸出引腳，需要連接濾波電路進(jìn)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(shí)斷開(kāi)引腳。本章小結(jié)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中用到的模塊和電路進(jìn)行方案論證，包括對(duì)主控芯片的方案論證和選型，步進(jìn)電機(jī)芯片的選型，傳感器的選型，以及系統(tǒng)的主要通過(guò)方式，通過(guò)無(wú)線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，并分析系統(tǒng)各個(gè)部分的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的選型和測(cè)試。第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)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(shí)際的需求和現(xiàn)象來(lái)對(duì)各個(gè)器件和模塊進(jìn)行選型，包括測(cè)角模塊，控制方案，執(zhí)行結(jié)構(gòu)等等。3.1最小核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)在舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)中，微處理器主要負(fù)責(zé)處理開(kāi)關(guān)量，控制驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路等，通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)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(jī)的硬件最小系統(tǒng)，所以單片機(jī)的最小系統(tǒng)是最小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)的核心部分，單片機(jī)通過(guò)連接、控制其他外圍硬件和電路來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，通過(guò)單片機(jī)的控制，才能使舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)更加智能化，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路復(fù)位電路由220uF電容串聯(lián)10K電阻構(gòu)成，系統(tǒng)上電后，單片機(jī)的復(fù)位引腳是保持一個(gè)低電平的，如果需要復(fù)位，需要將單片機(jī)的復(fù)位引腳的電平拉高，因此需要復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的拉高，當(dāng)按鍵按下后，電容充電，它與電阻形成一個(gè)充電電路，可以根據(jù)公式來(lái)計(jì)算出充放電的時(shí)間參數(shù)，單片機(jī)需要保持一個(gè)12US以上的高電平才能進(jìn)行復(fù)位，因此充電電路為單片機(jī)提供了足夠多的高電平的時(shí)間。晶振電路是用來(lái)為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的，晶振電路有晶振和電容來(lái)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(nèi)部有反相器，通過(guò)這個(gè)引腳來(lái)輸入脈沖信號(hào)，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，通常晶振使用12MHz，電容使用22Pf。3.2角度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)角度傳感器是舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)的重要指標(biāo)來(lái)源，通過(guò)PU6050模塊傾斜度角度傳感器采集角度數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)模擬的IIC方式與模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，模塊還可以通過(guò)串口連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制，角度傳感器在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜角度的測(cè)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(dòng)后，單片機(jī)通過(guò)與其連接的引腳來(lái)發(fā)送一個(gè)10us的高電平來(lái)啟動(dòng)傳感器模塊，然后模塊接收到信號(hào)后，開(kāi)始通過(guò)傳感器內(nèi)部的角度裝置來(lái)檢測(cè)傾角，并通過(guò)內(nèi)部的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并實(shí)現(xiàn)PID調(diào)控。3.3步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)使用的是28YBJ-48步進(jìn)電機(jī)，在ULN2003的控制下可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)控制，驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是通過(guò)單片機(jī)的并行數(shù)據(jù)口發(fā)送的，通過(guò)并口和鎖存器控制兩路的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的調(diào)整，驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3-3所示。圖3-3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖ULN2003是一個(gè)電流放大芯片，內(nèi)部是有三極管組成的放大電路，可以通過(guò)TTL電平和CMOS電平直接連接，目的是為了增強(qiáng)單片機(jī)的IO口的驅(qū)動(dòng)能力，然后再與單片機(jī)相連接，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)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(jī)相連接。最后單片機(jī)通過(guò)程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成段選信號(hào)，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。3.4遠(yuǎn)程控制電路設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)電路是連接舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)和上位機(jī)的紐帶，在本次設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)后，得到實(shí)際的角度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行算法處理，然后在對(duì)步進(jìn)電機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)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(hào)的完整性比較好，但是傳輸距離有限，大于1000米后，信號(hào)會(huì)出現(xiàn)衰減，因此，系統(tǒng)的使用還要注意距離的限制，無(wú)線(xiàn)通信電路的原理圖如圖3-4所示。圖3-4無(wú)線(xiàn)通信電路NRF24L01正常工作時(shí)需要一個(gè)外部參考時(shí)鐘，所以在XC1、XC2之間連接一個(gè)16M的晶振為NRF24L01提供外部參考時(shí)鐘。STC89C51單片機(jī)通過(guò)CE、IRQ控制著NRF24L01的工作模式，這兩個(gè)接口分別與STC89C51單片機(jī)的P1.2、P1.7引腳連接，單片機(jī)通過(guò)引腳控制無(wú)線(xiàn)模塊的工作方式，使用SPI的方式與單片機(jī)進(jìn)行虛擬的通信，因?yàn)閱纹瑱C(jī)沒(méi)有硬件上的SPI接口，因此，需要程序來(lái)模擬SPI接口，通過(guò)單片機(jī)的IO口來(lái)連接對(duì)應(yīng)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(jī)通過(guò)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(jī)通過(guò)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(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)陣發(fā)光，這種顯示模塊的顯示范圍是128列、64行，由2個(gè)液晶驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，每個(gè)列驅(qū)動(dòng)器可以輸出64個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。只要向OLED提供外部電源，OLED就能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和同步信號(hào)，而單片機(jī)輸出的控制外部信號(hào)只與列OLED內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)器有關(guān)，OLED的SCL引腳與51單片機(jī)的P3.7相連接，SDA引腳與單片機(jī)的P3.6相連，單片機(jī)通過(guò)協(xié)議來(lái)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(shè)計(jì)在舞臺(tái)光效控制系統(tǒng)中，通過(guò)單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)LED進(jìn)行控制，使舞臺(tái)的光效可控，可變，增加光效的靈活性，燈光控制采用SDMX5124驅(qū)動(dòng)芯片，它需要連接外部的晶振電路來(lái)為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)IIC的方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)的交換，然后將LED連接到芯片的對(duì)應(yīng)引腳上，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)通過(guò)IIC方式和芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)P5.6和P2.6來(lái)進(jìn)行，通過(guò)MODEA來(lái)控制芯片的工作模式，由于系統(tǒng)使用單個(gè)燈光，因此不需要對(duì)芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)，通過(guò)RED、BLUE和GREEN來(lái)控制三色LED，在單片機(jī)的控制下控制燈光的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)舞臺(tái)燈光的控制。3.7系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)LM2596是一種降壓型電源調(diào)壓器，輸出直流電流可以達(dá)到3A，具有良好的線(xiàn)性特性以及負(fù)載調(diào)節(jié)特性，與常見(jiàn)的穩(wěn)壓芯片相比，LM2596具有更好的帶載能力。該調(diào)壓器分為固定輸出版本和可調(diào)輸出版本，輸出電壓為1.2V～37V之間的任一電壓。LM2596內(nèi)部集成固定頻率發(fā)生器和頻率補(bǔ)償器，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到了150KHz，在給定輸入電壓和輸出負(fù)載的情況下，可以將輸出電壓的誤差保持在±4%以?xún)?nèi)，振蕩頻率的誤差保持在±15%以?xún)?nèi)；僅用80μA的待機(jī)電流，就可以實(shí)現(xiàn)回路的外部斷電，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能。LM2596的外圍電路只需要4個(gè)主要外接元件，外圍電路中可以使用市場(chǎng)上通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，更加優(yōu)化了LM2596外圍電路，電路簡(jiǎn)單，不像傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源電路那樣復(fù)雜，電路如圖3-7所示。圖3-7電源電路本章小結(jié)第三章主要是對(duì)系統(tǒng)的外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)芯片及其外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能，首先是單片機(jī)最小系統(tǒng)，設(shè)計(jì)好了最下系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)最基本的IO控制和數(shù)據(jù)的接收，然后再對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)這些電路組合成一個(gè)完整的基于單片機(jī)的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)。

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)單片機(jī)通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路的控制，通過(guò)并口來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路和穿那個(gè)群你電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維云臺(tái)的的檢測(cè)和控制。首先單片機(jī)進(jìn)行初始化，初始化完成后對(duì)各個(gè)子電路進(jìn)行控制，先發(fā)送指令到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，對(duì)傳感器和角度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果在發(fā)送回單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理，得到實(shí)際的角度數(shù)值，然后再通過(guò)液晶來(lái)顯示數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信電路可是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的控制，通過(guò)控制電路控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)勻調(diào)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)計(jì)液晶顯示模塊OLED通過(guò)接收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)將信息顯示在OLED上。首先OLED內(nèi)部的存儲(chǔ)器地址將初始化，它內(nèi)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(guò)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給OLED，然后再通過(guò)OLED顯示出來(lái)，液晶顯示子程序流程圖見(jiàn)圖4-4。圖4-4數(shù)據(jù)顯示子程序流程圖4.3步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行是是通過(guò)單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)來(lái)控制的，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)增強(qiáng)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，步進(jìn)電機(jī)按照單片機(jī)的輸入脈沖實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)勻速的線(xiàn)位移，保證車(chē)窗的穩(wěn)定運(yùn)行。如果當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到防夾信號(hào)或者上下限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，則停止對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，否則將對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸出脈沖，空閑時(shí)，如果車(chē)窗的壓力大于設(shè)定值也不對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，只有在車(chē)窗運(yùn)行時(shí)防夾傳感器的數(shù)據(jù)才會(huì)有效，電機(jī)控制子程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4電機(jī)控制子程序流程圖本章小結(jié)本章首先介紹了對(duì)系統(tǒng)的主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)是硬件電路的核心部分，通過(guò)寫(xiě)入不同的子程序來(lái)實(shí)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(shè)計(jì)有顯示程序，最后通過(guò)這些子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。第5章系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試首先在軟硬件功能都實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，對(duì)硬件電路進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)試，完善電路的功能，并對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序的下載，驗(yàn)證主程序的邏輯是否符合實(shí)際，并對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試。5.1系統(tǒng)調(diào)試1、最小系統(tǒng)調(diào)試首先在單片機(jī)的P2_0引腳接個(gè)閃燈（電源、發(fā)光二極管、電阻和電容串聯(lián)接入單片機(jī)引腳P2_0引腳），然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)板上的下載口向單片機(jī)內(nèi)下載閃燈程序，下載完成后發(fā)現(xiàn)閃燈沒(méi)有進(jìn)行閃燈，經(jīng)過(guò)對(duì)比最小程序電路圖，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)模擬電源引腳沒(méi)有接電源。出現(xiàn)了一些連線(xiàn)的錯(cuò)誤，經(jīng)改正后，閃燈能夠按照程序理想的進(jìn)行閃燈工作。因此，可以斷定單片機(jī)的最小系統(tǒng)的接線(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題，最小系統(tǒng)調(diào)試完成。2、傳輸距離調(diào)試為了確定該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信距離進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試包括室內(nèi)測(cè)試與室外測(cè)試。室內(nèi)測(cè)試以墻壁為間隔，每隔一扇墻壁放置一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，室內(nèi)測(cè)試在間隔三面墻壁以?xún)?nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率在3%以?xún)?nèi)，間隔四面墻壁時(shí)錯(cuò)誤率開(kāi)始急劇上升。這是由于墻壁對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的吸收，房間內(nèi)傳輸信號(hào)衰減得很快所導(dǎo)致的。室外測(cè)試選在空曠的公路邊進(jìn)行，將其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)放置在一固定地點(diǎn)，然后手持協(xié)調(diào)器沿直線(xiàn)行走，一邊走一邊將辦調(diào)器復(fù)位，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在500

m以?xún)?nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率在3%以?xún)?nèi)，可以保證數(shù)據(jù)正確有效地傳輸。3、傳感器精度調(diào)試對(duì)角度傳感器進(jìn)行調(diào)試，傳感器模塊上有可以調(diào)節(jié)靈敏度的電位器，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。精度=(|測(cè)量值一標(biāo)準(zhǔn)值|

/標(biāo)準(zhǔn)值)△max

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100%計(jì)算出該角度傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)試精度達(dá)到了1°，可以看出角度傳感器能夠相對(duì)精確的完成待測(cè)區(qū)域的角度測(cè)量任務(wù)。4、液晶顯示調(diào)試對(duì)液晶顯示電路進(jìn)行測(cè)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(guò)單片機(jī)向P0口寫(xiě)入數(shù)據(jù)，液晶顯示數(shù)字和文字信息，說(shuō)明液晶電路可以使用，可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)對(duì)比對(duì)等。待所有的功能都有效后，在進(jìn)行控制電路的測(cè)量，單獨(dú)寫(xiě)入控制電路的程序，通過(guò)單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)有點(diǎn)平的變化，如果有，說(shuō)明電路工作正常。到此為止，系統(tǒng)的硬件電路就測(cè)量完畢了，通過(guò)驗(yàn)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(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，但是通過(guò)算法補(bǔ)償，系統(tǒng)已經(jīng)將外界的影響降低到最小。5.2調(diào)試結(jié)論軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試是分模塊實(shí)現(xiàn)的。軟件設(shè)計(jì)的調(diào)試模塊部分包括各模塊初始化功能，傳感器信號(hào)查詢(xún)功能，判斷功能，報(bào)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(duì)組合的程序進(jìn)行調(diào)試。再次，燒寫(xiě)進(jìn)單片機(jī)可以看到在正常工作的實(shí)際電路板，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。通過(guò)仿真芯片，利用keil的debug功能進(jìn)行仿真，在仿真中設(shè)置斷點(diǎn)，一步步的執(zhí)行程序，查看每條語(yǔ)句或者每個(gè)子函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果是否能夠完成既定的目標(biāo)，如果不能夠完成，需要對(duì)相應(yīng)的語(yǔ)句進(jìn)行修改，直到程序能夠完成所有的功能。在確認(rèn)硬件及軟件沒(méi)有問(wèn)題可以工作后，需要對(duì)軟硬件進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試點(diǎn)陣電路，