基于ATmega16的LED舞臺調光控制系統的研究與實現

蔣偉，楊心怡，王會芹，楊麗菲

(中國傳媒大學 自動化系，北京 100024)

基于ATmega16的LED舞臺調光控制系統的研究與實現

蔣偉，楊心怡，王會芹，楊麗菲

(中國傳媒大學 自動化系，北京 100024)

隨著LED舞臺燈光技術的發展，LED舞臺燈具種類繁多，而現有的LED調光控制設備通常體積比較大，而且功能復雜，不便于操作和隨意移動，考慮到不同場合下的使用需求，燈光調節的實時性、便移性等要求也逐漸體現出來。為此本文提出了小型LED舞臺燈光控制系統的研究。系統以功能強大的ATmega16單片機為控制核心，調光數據傳輸遵循DMX512舞臺燈光控制數據傳輸協議，對系統的硬件和軟件進行了研究并實現。試驗結果表明系統完全滿足舞臺調光功能要求，整個系統結構輕便，操作簡單，性能穩定，可靠性較高，同時使用LED舞臺燈光代替傳統的舞臺燈光，具有明顯的節能效果。

LED舞臺燈光;ATmega 16;PWM;恒流源驅動

1 引言

隨著舞臺燈光技術的發展，人們對燈光效果的要求越來越高，燈光調節的實時性、便移性等要求也逐漸體現出來。而現有LED調光控制設備通常體積比較大，而且功能繁多，不容易移動和搬運。考慮到不同場合下的使用需求，小型LED舞臺燈光控制系統的研究開發也越來越多地受到人們的關注。本文提出了以功能強大的ATmega16單片機為控制核心，研究開發攜帶方便、操作簡單的小型LED舞臺調光控制系統。調光方式采用脈寬調制(PWM)技術，使LED驅動電流呈方波狀，通過脈沖寬度的調節改變LED燈持續點亮的時間，開關頻率一般控制在200Hz～10KHz左右，由于人眼的視覺滯留特性，不會感覺到光源在調光過程中有閃爍現象，該調光方式還能改善LED燈光的散熱效果［1］。

2 系統總體構成

系統總體由三個部分組成，即LED舞臺燈光操控器、LED舞臺燈具調光控制電路以及基于DMX512燈光協議的通信線路，如圖1所示。通過調節操控器的調光電位器得到模擬電壓，經過單片機模數轉換成數字信號和調光數據，按照DMX512傳輸協議將調光數據通過RS485接口傳輸到LED燈具調光控制電路，通過單片機處理產生相應的脈寬可調PWM控制信號，由此信號控制恒流源驅動LED燈光亮度的變化。

圖1 系統總體設計框圖

2.1 LED舞臺燈光操控器設計

LED舞臺燈光操控器是整個系統的發送部分，其硬件電路設計框圖如圖2所示，ATmega16通過內部模數轉換電路將采樣的電位器模擬電壓轉化成數字信號，經單片機處理得到調光數據，然后按照DMX512燈光協議得到數據包，將此數據包傳輸到燈光控制電路。該電路設置了三個按鍵，主要是對燈光的功能數據進行設置。

圖2 LED舞臺燈光操控器硬件電路框圖

2.2 LED舞臺燈具燈光控制電路設計

LED舞臺燈具燈光控制電路是整個系統的接收部分，其硬件電路設計框圖如圖3所示。該部分分為兩個主要模塊，一部分是由ATmega16作為主控芯片的控制電路，另一部分是由MAX16819作為主控芯片的恒流源驅動電路。

圖3 LED舞臺燈具燈光控制電路框圖

單片機接收LED舞臺燈光操控器發送的DMX512燈光數據，產生占空比可調的PWM信號，并將該信號送入LED恒流源驅動電路，驅動LED燈的明暗變化。由于LED的發光亮度主要受其驅動電流的影響，因此最佳的LED驅動方式應是恒流源驅動。與其它恒流源驅動方式相比，開關電源技術有著高效靈活的優點，故本系統采用的是一種基于開關電源技術的LED驅動電路［2］。溫度傳感器安裝在LED燈具上，用于監測LED燈具的溫度，根據LED的溫度變化來驅動風扇工作，實現LED散熱功能。

3 DMX512燈光控制數據傳輸協議

目前，包括電腦燈在內的各種舞臺效果燈、調光控制臺、換色器等舞臺燈光設備，主要以DMX512傳輸協議傳輸燈光數據。DMX512燈光控制數據傳輸協議是美國舞臺燈光協會(USITT)于1990年發布的燈光控制器與燈具設備進行數據傳輸的工業標準，包括電氣特性、數據協議、數據格式等方面的內容。DMX512協議適用于一點對多點的主從式燈光控制系統，主控制器往總線發送控制時序，總線上的其他從燈光設備接收總線數據，提取其對應通道的數據，完成控制信號的接收［3］。

協議規定控制信號數據包的傳輸通過異步通信的方式進行。每一個DMX控制字節叫做一個指令幀，稱作一個控制通道，可以控制燈光設備的一個或幾個功能。一個DMX512數據包包含起始碼和512個數據幀。數據幀內包含1個起始位(低電平)、8個數據位和2個停止位(高電平)，沒有奇偶校驗。DMX512的信號數據傳輸率為250kbps，數據幀每位寬度為4us，發送一幀需要44us。一個數據幀代表了一路控制通道，因此該協議支持512路控制通道。DMX512數據包的傳輸要符合一定的格式和時序要求。主要包含1個至少88us的低電平輸出起始標志(Break)、起始碼幀、512個數據幀和最后的數據包結束標志(高電平)。控制器和接收器只有滿足DMX512數據包的時序要求，才能正常完成主從機之間的通信。具體的信號時序如圖4所示。

圖4 DMX512數據包時序圖

各段數據定義如下:1復位信號120us;2復位后標記12us;3字段8位;4字段起始位;5、6字段停止位;7字段間的空閑(占)0～1s;8復位前標記0～1s

調光控制臺每發送一個信息包，可以對全部512個受控通道形成一次全面的控制。發送一個信息包的時間大約是23ms，每秒鐘將對所有512個受控通道完成44次控制，即受控光路的刷新頻率44Hz，如果實際受控通道少于512個，那么刷新頻率將相應提高。

4 系統軟件設計

4.1 LED舞臺燈光操控器軟件設計

電位器的模擬信號通過PA0口接入單片機，通過軟件實現選擇該通道信號進行A/D轉換。由于ATmega16默認將模擬信號轉化成10位二進制數，DMX512傳輸協議數據包定義為8位二進制數，故需要通過軟件實現數據位數轉化，然后以DMX512數據包的形式發送給LED舞臺燈具燈光控制電路。燈光操控器程序流程圖如圖5所示。

圖5 操控器程序流程圖

4.2 LED舞臺燈具燈光控制電路軟件設計

ATmega16單片機有3個定時/計數器，均可產生無干擾脈沖、相位正確的PWM波。本系統選用16位定時/計數器T/C1，同時采用相位修正PWM模式產生的相位修正PWM波，該模式其精度較高，且波形的占空比可以從0%調節到100%，產生調光需要所有占空比的PWM波［4］。單片機接收由LED舞臺燈光操控器發送的DMX512數據包，然后根據數據包中攜帶的信息給所選用的定時/計數器賦值，并將相應的PWM波形送入恒流源驅動LED燈光亮度變化。燈光控制電路程序流程圖如圖6所示。

圖6 燈光控制電路程序流程圖

5 結論

本系統采用功能強大的ATmega16單片機為控制核心，單片機內部有A/D轉換、產生PWM波等功能，便于系統設計;調光數據傳輸遵循DMX512舞臺燈光控制數據傳輸協議;系統功能滿足了舞臺燈光的要求，整個系統結構輕便，操作簡單，性能穩定，可靠性較高;同時使用LED舞臺燈光代替傳統的舞臺燈光，具有明顯的節能效果，具有廣闊的應用前景。

［1］宋適，劉廷章.基于AVR單片機的LED自適應調光系統［J］.電氣自動化.2009，31.

［2］黃以華，廖世文.基于DMX512協議的LED燈具控制系統［J］.照明工程學報.2009，20(4).

［3］方福波，劉有源，陳定方.DMX512控制協議及其實現［J］.照明工程學報.2002，13(3).

［4］TAM NGUYEN.Standalone Regulator Controls High-Brightness Power LEDs［J］.Power Electronics Technology.2010，36(2).

Study of LED Stage Lighting Control System Based on ATmega16 and Its Implementation

JIANG Wei，YANG Xin-yi，WANG Hui-qin，YANG Li-fei
(Department of Automation，Communication University of China，Beijing 100024)

With the development of the technology of LED stage lighting，there are various kinds of LED stage lighting lamps.Since physical size of the existing LED dimmer control equipment is usually large and the function is complex，it is inconvenience to operate and move.The requirements of real-time and convenient moving for lighting control emerged gradually.Therefore，this paper proposes a miniature system of LED stage lighting control.The system uses ATmega16 MCU which is powerful as its control center，and the lighting control data transmission follows protocol of DMX512 stage lighting control data transfer.At last，this paper studies and implements the hardware and software of the system.The result shows that the system completely meets the requirements of stage lighting control，the structure of system is simple，operation is simple，performance is steady and reliability is high.At the same time，the replacement of the traditional stage lighting using LED stage lighting has significant energy savings.

LED stage lighting;ATmega 16;PWM;drive of stable galvanic source

TP29

A

1673-4793(2012)01-0011-04

2011-07-13

蔣偉(1963—)，浙江奉化人，中國傳媒大學信息工程學院教授.E-mail:jw@cuc.edu.cn。

(責任編輯

:宋金寶)