基于開源硬件Arduino及DMX協議的智能調光調色系統的研究

艾炎，范春春（廣州涉外經濟職業技術學院，廣東廣州　510000）

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基于開源硬件Arduino及DMX協議的智能調光調色系統的研究

艾炎，范春春
（廣州涉外經濟職業技術學院，廣東廣州510000）

摘要：文章主要以美國USITT（美國劇院技術協會）的數字控制調光器的DMX512協議為基礎，采用國際著名的開源硬件ARDUINO UNO為控制器來構建一個廉價使用的開源智能民用調光器。具有支持國際所有符合DMX協議的智能燈光控臺，并且還具有簡單可靠以及靈活性。適用于各種場合，如舞臺、工程照明、家居照明。

關鍵詞：開源硬件；DMX協議；智能調光

本研究項目包括控制電路、LED燈的驅動電路、LED燈板、軟件的設計。其中控制系統主要包括MCU電路、顯示電路、按鍵選擇電路及通訊電路，包括信號的接收與發送、LED燈的驅動電路主要包括驅動及PWM（脈沖調制）、燈板就是燈珠的排列、一般根據透鏡的孔位做燈珠的排列。軟件的設計主要是基于Processing開發，兼容DMX512協議。

1　系統總體介紹

整個控制系統包含一個2.5 24 VDC電源和自定義hand-wired Arduino控制板。功能包括：一個按鍵和電位器做成的旋鈕的獨特的操作方式；5通道DMX模式操作：模式選擇通道、紅綠藍三個顏色通道、亮度調節通道；4位7段數碼管復用顯示DMX通道或當前燈具運行的程序；除了DMX模式外還加入了4個程序：人工混色、散光燈、順序消退、隨機褪色；EEPM存儲DMX地址和程序。

2　系統框架介紹

整體系統包括的供電電源部分、主要中央控制部分、RS485通訊模塊、燈珠及驅動模塊、電腦通訊模塊。其中供電模塊主要是最為整個系統的主供電模塊，提供25V、2.4A直流電壓。

中央控制部分，主要負責所有數據接收及發送，包括接收按鍵及旋鈕的信號、各種燈光控制臺信號的接收與解碼。RS485通訊模塊主要起到通訊的作用，采用RS485極大的簡化了燈具連接問題。并且容錯率非常好。燈珠驅動模塊，主要是為LED燈珠提供恒定的電流，并且提供PWM控制支持，燈珠驅動模塊起到了至關重要的作用，PWM支持精度的好壞，直接影響調光精度的控制，極大地影響燈光效果的好壞。

3　框架模塊

（1）中央控制模塊。中央控制系統由一塊廉價的Atmega-168組成，主要負責數據的接受及協議的解碼，為LED驅動電路提供脈沖信號，如圖1所示是中央控制的單片機最小系統，系統中包括一個外置的晶振及復位電路，圖2為系統顯示電路。

圖1　中央控制模塊控制器最小系統

圖2　中央控制系統顯示電路

（2）RS485通訊模塊。TIA485-A，也被稱為ANSI/TIA/ EIA-485，TIA/EIA-485，EIA-485或RS-485，是一個標準的電特性定義驅動和接收器使用數字平衡多點系統。

在本系統中主要采用了TI公司專門為總線式雙向數據通訊、多點設計的單片集成電路SN75176，該芯片能滿足EIA-RS422A標準，由于芯片接受信號的檢測靈敏度為正負200mV，如果A、B端電位差的絕對值小于這個數字時，則會出現信號不穩定的情況，所以為了解決這個問題，采用人為的辦法在A、B輸出端嫁接上上拉、下拉電阻使A高于B電位，這樣RXD的電平在芯片不發送數據的時候始終呈現出高電平，就不會出現亂碼的情況了。通訊電路的示意圖如圖3所示。

圖3　SN75176電路

圖4　SQ9910應用電路

（3）燈珠驅動模塊。在文章中選用了高亮度驅動芯片SQ9910，該芯片具有高效率、寬電壓，驅動能力最高達到1A或者幾百顆LED燈串，并且內置PWM低頻調光和EN使能，過溫保護等優點。SQ9910的應用電路如圖4所示。

SQ9910是一款低功耗的降壓行驅動芯片，輸入電壓可以直流電壓從8V到450V，能適應全球交直流電壓范圍。SQ9910是恒流驅動，能啟動和控制數以百計的大功率LED或者更多的燈串，恒流驅動更能有效地控制燈珠的亮度和光譜，并延長他們的使用壽命。在SQ9910中有一個ENABLE腳（PWM-D）就是我們需要使用的脈沖調光，不同的占空比來改變LED亮度的變化。

本項目在研發與設計的過程中各個模塊形成的框架，主要為硬件方面，包括了必不可少的控制模塊、通訊模塊、燈板驅動模塊。通過良好的硬件設計，搭建了一個完整的系統，為軟件設計完成項目奠定了基礎，硬件是主要的構成者，起到了系統通訊及驅動作用，文章采用經過修改過的ARDUINO系統，其實就是一個AVR來搭建這個控制中心，主要起到了中控的作用，TI的SN75176來做RS-485通訊，為DMX512協議的傳輸提供了硬件鏈路、驅動模塊，采用了大電流驅動IC SQ9910作為恒流驅動IC，做到了大電流、穩定的驅動作用。在智能照明中，每個環節都決定了控制的精度，包括燈光調光調色的精度，在大功率中，細微的誤差都會導致巨大差別，導致控制不準確，所以每一個環節的設計都必須是精確的。

參考文獻

［1］杜江濤，王愛英.國內外建筑天然光研究的新方法［J］.燈與照明，2002，（4）：37-38.

［2］孔晶晶.基于Processing的互動媒體設計研究［D］.無錫：江南大學，2009.

［3］魯剛強.基于單片機PWM信號控制LED的軟件實現方法［J］.電子世界，2012，（9）：46-47.

Intelligent Dimming Color Mixing System Research Based on the Open Source Arduino Hardware and DMX Agreement

AI Yan，FAN Chun-chun
（Guangzhou Foreign Economic Vocational and Technical College，Guangzhou，Guangdong 510000，China）

Abstract:Based on DMX512Protocol of digital control dimmer of the USITT，this article uses the famous open source hardware ARDUINO UNO as controller to build a cheap open source intelligence civil dimmers.It has intelligent lighting controller which supportsall international DMX Protocol，it is simple，reliable and flexible，and is suitable for various occasions，such as stage，engineering lighting and homelighting.

Key words:open source hardware；DMX agreement；Intelligent dimmer

中圖分類號：TM923.4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）05-0076-02

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：艾炎（1988-），男，湖南常德人，碩士，主要研究方向：物聯網專業。