大功率LED追光燈調(diào)光系統(tǒng)的研發(fā)

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【摘 要】本系統(tǒng)以ARDUINOMEGA2560作為大功率LED追光燈調(diào)光系統(tǒng)的核心，通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)app云端建立通訊，實(shí)現(xiàn)信息交互。經(jīng)過設(shè)計(jì)保留手動(dòng)調(diào)節(jié)方式和改進(jìn)通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程電動(dòng)控制燈具的調(diào)光功能。改進(jìn)大功率LED追光燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)增加了同步帶，同步齒輪等傳動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)控制調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)。硬件電路由ARDUINOMEGA2560、藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成，利用ARDUINOMEGA2560生成PWM，驅(qū)動(dòng)四個(gè)42步進(jìn)電機(jī)，分別達(dá)到帶動(dòng)同步帶，同步齒輪等傳動(dòng)系統(tǒng)，達(dá)到大功率LED追光燈調(diào)光系統(tǒng)的顏色調(diào)控；燈具色溫（CCT）調(diào)控；電動(dòng)調(diào)光值：0-100線性調(diào)光亮度，調(diào)光方式為電動(dòng)雙調(diào)焦的目的實(shí)現(xiàn)形成燈具的調(diào)光系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】LED；追光燈；ARDUINO

大功率LED追光燈在舞臺(tái)戲劇演出和大型綜合晚會(huì)演出中是一種重要的藝術(shù)表現(xiàn)形式，目前國內(nèi)外常用的追光燈控制，需要專業(yè)的燈光師進(jìn)行手動(dòng)操作，追光燈的特殊性及其高功率，對操作人員要求極高，追光燈的操作人員必須配合好演員的動(dòng)作和導(dǎo)演的要求，但舞臺(tái)環(huán)境切換速度快，現(xiàn)階段追光燈控制明暗變化、色彩的冷暖變化等手段復(fù)雜和群控難度大，極易出現(xiàn)燈光效果與演出效果不搭的情況。因此，本文提出使用單片機(jī)輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)追光燈的自動(dòng)控制完善舞臺(tái)追光燈的功能，讓追光燈控制智能化，增加其自動(dòng)化程度，簡化LED追光燈操作流程目的。

大功率LED追光燈的調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)由照明系統(tǒng)、調(diào)光系統(tǒng)、供電系統(tǒng)三部分組成，通過在對追光燈應(yīng)用以Arduino Mega 2560為系統(tǒng)核心，增加了藍(lán)牙模塊與手機(jī)等智能設(shè)備進(jìn)行交互，并增加四組步進(jìn)電機(jī)且調(diào)節(jié)了現(xiàn)有的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了智能設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)備、切換綠藍(lán)紫等多種顏色、色溫在3200K-8000K范圍內(nèi)通過電動(dòng)調(diào)節(jié)、以0-100的比例調(diào)節(jié)亮度等多種功能。大功率LED追光燈結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（一）照明系統(tǒng)

大功率LED追光燈的照明系統(tǒng)由光源、色溫與亮度調(diào)節(jié)裝置、光束鏡、導(dǎo)光體、光圈、遠(yuǎn)焦板、近焦板、顏色盤組成。光源選用功率為330W，工作電壓為DC12V的LED光源。本設(shè)計(jì)利用光束鏡聚光效果改變光源的發(fā)光角度，使發(fā)光角度控制在15度以內(nèi)，光束鏡緊貼在導(dǎo)光體上，兩者固定在光源與光圈的中間。光圈。遠(yuǎn)焦板、近焦板、顏色盤是本設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過改變光圈的大小，改變光通量的大小。改變遠(yuǎn)焦板、近焦板的相對位置，實(shí)現(xiàn)雙焦距的調(diào)節(jié)。調(diào)光系統(tǒng)使用Arduino Mega2560作為系統(tǒng)的中央綜合控制處理核心，加上以JDY-31藍(lán)牙模塊為核心的無線通訊，以42步進(jìn)電機(jī)、同步帶、同步齒輪組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，形成整個(gè)系統(tǒng)的基本組成機(jī)構(gòu)。將藍(lán)牙模塊與單片機(jī)串口連接完成后，等待藍(lán)牙指示燈閃爍，打開藍(lán)牙串口APP，將波特率設(shè)置成9600，點(diǎn)擊連接藍(lán)牙，連接名為JDY-31的藍(lán)牙信號，輸入默認(rèn)密碼：1234，藍(lán)牙連接成功，在APP的聊天界面發(fā)送AT+BAUD，返回值為4。在APP的開關(guān)界面，創(chuàng)建9個(gè)開關(guān)，分別命名為遠(yuǎn)焦1、遠(yuǎn)焦2、近焦1、近焦2、光圈大、光圈小、下一個(gè)顏色、上一個(gè)顏色、聯(lián)動(dòng)并編輯對應(yīng)的字符，使其能夠完成按下一個(gè)開關(guān)，發(fā)送對應(yīng)的字符。無線通訊調(diào)試完成。

（二）供電系統(tǒng)

大功率LED追光燈供電系統(tǒng)以LM7812穩(wěn)壓電源為核心，供電系統(tǒng)接入220V的市電，經(jīng)過LM7812穩(wěn)壓電源的變壓、整流、濾波，輸出穩(wěn)定的12V直流電，分別給LED照明系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，LM2596模塊，風(fēng)冷系統(tǒng)供電。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出12V直流電，給步進(jìn)電機(jī)供電，LM2596模塊將電壓穩(wěn)壓至5V，為Arduino Mega 2560供電。在調(diào)試供電系統(tǒng)之前，使用萬用表檢查整個(gè)供電系統(tǒng)是否存在短路現(xiàn)象。在確認(rèn)無誤之后，給LM7812穩(wěn)壓電源上電，用萬用表測量LM7812穩(wěn)壓電源是否輸出直流12V，萬用表測量結(jié)果為輸出的是直流12V。接下來調(diào)試LM2596模塊，將模塊上的電位器旋鈕逆時(shí)針旋到底，將LM2596模塊的輸入端接在LM7812穩(wěn)壓電源的輸出端，用萬用表測量模塊輸出電壓，慢慢的將電位器旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直至輸出電壓為5V。供電系統(tǒng)調(diào)試完成。

（三）步進(jìn)電機(jī)的調(diào)試

大功率LED追光燈采用四個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別帶動(dòng)遠(yuǎn)焦板、近焦板、光圈板、顏色盤的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過前期的測量與計(jì)算，根據(jù)測量與計(jì)算的結(jié)果，確定步進(jìn)電機(jī)的位置。利用鉆臺(tái)在追光燈壁上打出所有電機(jī)需要的固定孔，將步進(jìn)電機(jī)固定在燈壁上。將步進(jìn)電機(jī)固定好之后，將同步輪和同步帶安裝在需要帶動(dòng)遠(yuǎn)焦板和近焦板的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)上，在遠(yuǎn)焦板和近焦板上分別固定一個(gè)三角連接件，用螺栓螺母將連接件與同步帶固定。將同步齒輪分別安裝在需要帶動(dòng)光圈板，顏色盤轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)和光圈板，顏色盤的傳動(dòng)桿上。安裝好后，用手轉(zhuǎn)動(dòng)同步輪和同步齒輪，檢查能否正常的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)同步輪和同步齒輪的位置，直至能夠正常轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)安裝完成。

（四）藍(lán)牙串口通信調(diào)試

大功率LED追光燈的藍(lán)牙串口通信與串口通信相同，串行接口指采用串行通信協(xié)議在一條信號線上將數(shù)據(jù)以比特逐位進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ拍Ｊ?。?shù)據(jù)一位一位的傳送一個(gè)字節(jié)的傳送需要八次，并且從低到高依次傳送。串行通信的數(shù)據(jù)是逐位傳輸?shù)?，發(fā)送方發(fā)送的每一位都具有固定的時(shí)間間隔，要求接收方按照發(fā)送方同樣的時(shí)間間隔來接收每一位。（在傳送開始前需要設(shè)定相同的波特率，這是傳送成功的第一步）程序首先進(jìn)行變量定義，程序中定義date是用來接收藍(lán)牙傳來的數(shù)據(jù)、val暫存date數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行程序初始化，將波特率設(shè)置為9600。再讀取來自藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)，將date暫存到val中，并判斷val數(shù)據(jù)并進(jìn)行下一步操作，最后清空date為下一次輸入做準(zhǔn)備。藍(lán)牙模塊的參數(shù)設(shè)置主要設(shè)置它的連接密碼、波特率、廣播名稱等，電腦與JDY-31模塊使用串口連接工具進(jìn)行連接。使用串口調(diào)試工具對JDY-31藍(lán)牙模塊進(jìn)行設(shè)置，向藍(lán)牙模塊發(fā)送“AT+VERSION”指令測試藍(lán)牙模塊是否與電腦相連接。若串口工具能夠接收到藍(lán)牙模塊響應(yīng)“+VERSION=JDY-31-V1.2，Bluetooth V3.0”的版本信息號即電腦與藍(lán)牙模塊連接成功，連接成功后向藍(lán)牙模塊發(fā)送各種信號對藍(lán)牙模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。手機(jī)中下載安裝藍(lán)牙串口APP，完成后打開APP，將界面右移到鍵盤界面，長按按鍵便能設(shè)置該按鍵OFF和ON時(shí)向藍(lán)牙模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)。設(shè)置按鍵1為調(diào)焦1調(diào)遠(yuǎn)，按鍵2為調(diào)焦1調(diào)近，按鍵3為調(diào)焦2調(diào)遠(yuǎn)，按鍵4為調(diào)焦2調(diào)近，按鍵5為光圈調(diào)大，按鍵6為光圈調(diào)小，按鍵7按鍵8為實(shí)現(xiàn)顏色的調(diào)節(jié)。

（五）系統(tǒng)軟件設(shè)置

大功率LED追光燈的軟件總體由初始化定義各種變量，可調(diào)模擬量的輸出，PWM信號的輸出，正反轉(zhuǎn)信號的輸出，藍(lán)牙信息接收這幾塊組成。其中可調(diào)模擬量用來調(diào)節(jié)大功率LED追光燈調(diào)光系統(tǒng)的燈光亮暗，PWM信號的輸出和正反轉(zhuǎn)信號的輸出則是控制大功率LED追光燈調(diào)光系統(tǒng)的雙聚焦、顏色、光圈大小的調(diào)節(jié)。程序主要由總體流程，PWM信號生成，可調(diào)模擬量的生成，正反轉(zhuǎn)的信號的生成，藍(lán)牙串口信號的接收。

Arduino中有一個(gè) analogWrite（）函數(shù)可以產(chǎn)生一個(gè)模擬值（PWM波）?？捎糜谠诓煌墓饩€亮度調(diào)節(jié)發(fā)光二極管亮度或以不同的速度驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。調(diào)用analogWrite（）后，該引腳將產(chǎn)生一個(gè)指定占空比的穩(wěn)定方波，直到下一次調(diào)用analogWrite（）（或在同一引腳調(diào)用digitalRead（）或digitalWrite（））。analogWrite（）可以添加兩個(gè)變量，第一個(gè)變量為輸出引腳，第二個(gè)變量為為輸出PWM信號的占空比。（analogWrite（x，y）x：輸出引腳；y：輸出PWM信號占空比值為0-255）可調(diào)節(jié)模擬量的生成首先定義輸出引腳，定義變量brightness=128，再定義指針變量_pin。該引腳可以直接連接壓電蜂鳴器或其他喇叭播放聲音。并且Arduino中有10個(gè)引腳可以輸出PWM信號，直接使用tone（）函數(shù)。tone（）中可以添加2個(gè)變量，第一個(gè)變量為需要輸出PWM信號的引腳，第二個(gè)變量為PWM信號的頻率。（tone（x，y）：x為輸出引腳，y為PWM信號頻率）PWM信號輸出首先需要定義引腳并將引腳設(shè)置為輸出，然后調(diào)用tone（）函數(shù)輸出PWM信號控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

（六）總 結(jié)：

首先在Arduino IDE選擇開發(fā)板型號，默認(rèn)Arduino UNO。然后選擇端口，默認(rèn)COM1。（在之后的上傳程序步驟中，如果出現(xiàn)了Serial port COM1 not found的錯(cuò)誤，那么你可能需要在這里重新選擇一下你的串口）然后在IDE中輸入程序并保存。然后燒錄程序，燒錄成功后Arduino開發(fā)板上會(huì)有一個(gè)名為 I/O13 的LED按秒閃爍。燒錄完成后，先完成Arduino與藍(lán)牙模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連線。然后對整個(gè)系統(tǒng)上電。使用手機(jī)搜索藍(lán)牙信號，匹配上藍(lán)牙模塊。并按下各個(gè)操作按鈕，步進(jìn)電機(jī)能夠做到對應(yīng)的正反轉(zhuǎn)。能控制追光燈大功率LED追光燈調(diào)光系統(tǒng)的顏色調(diào)控；藍(lán)、紅、彩色圖部分，燈具色溫（CCT）：電動(dòng)可調(diào)3200K-8000K，電動(dòng)調(diào)光值：0-100線性調(diào)光亮度，調(diào)光方式為電動(dòng)雙聚焦。則大功率LED追光燈調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作基本完成。在完成供電系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)調(diào)試之后，用下載線將程序下載到單片機(jī)中，在追光燈旁按下遠(yuǎn)焦1按鈕，遠(yuǎn)焦板能夠向前移動(dòng)。按下遠(yuǎn)焦2按鈕，遠(yuǎn)焦板能夠向后移動(dòng)。按下近焦1按鈕，近焦板能夠向前移動(dòng)。按下近焦2按鈕，近焦板能夠向后移動(dòng)。按下光圈大按鈕，光圈能夠變大。按下光圈小按鈕，光圈能夠變小。按下一個(gè)顏色按鈕，追光燈能夠依次投射出綠光、藍(lán)光、黃光、橙光、白光、紫光。按下一個(gè)顏色按鈕，追光燈能夠依次投射出紫光、白光、橙光、黃光、藍(lán)光、綠光。直至達(dá)到藍(lán)牙的極限通訊距離，記錄數(shù)據(jù)，完成調(diào)試。

（作者單位：浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）