基于ATmega16的LED舞台调光控制系统的研究与实现

蒋伟，杨心怡，王会芹，杨丽菲

(中国传媒大学 自动化系，北京 100024)

基于ATmega16的LED舞台调光控制系统的研究与实现

蒋伟，杨心怡，王会芹，杨丽菲

(中国传媒大学 自动化系，北京 100024)

随着LED舞台灯光技术的发展，LED舞台灯具种类繁多，而现有的LED调光控制设备通常体积比较大，而且功能复杂，不便于操作和随意移动，考虑到不同场合下的使用需求，灯光调节的实时性、便移性等要求也逐渐体现出来。为此本文提出了小型LED舞台灯光控制系统的研究。系统以功能强大的ATmega16单片机为控制核心，调光数据传输遵循DMX512舞台灯光控制数据传输协议，对系统的硬件和软件进行了研究并实现。试验结果表明系统完全满足舞台调光功能要求，整个系统结构轻便，操作简单，性能稳定，可靠性较高，同时使用LED舞台灯光代替传统的舞台灯光，具有明显的节能效果。

LED舞台灯光;ATmega 16;PWM;恒流源驱动

1 引言

随着舞台灯光技术的发展，人们对灯光效果的要求越来越高，灯光调节的实时性、便移性等要求也逐渐体现出来。而现有LED调光控制设备通常体积比较大，而且功能繁多，不容易移动和搬运。考虑到不同场合下的使用需求，小型LED舞台灯光控制系统的研究开发也越来越多地受到人们的关注。本文提出了以功能强大的ATmega16单片机为控制核心，研究开发携带方便、操作简单的小型LED舞台调光控制系统。调光方式采用脉宽调制(PWM)技术，使LED驱动电流呈方波状，通过脉冲宽度的调节改变LED灯持续点亮的时间，开关频率一般控制在200Hz～10KHz左右，由于人眼的视觉滞留特性，不会感觉到光源在调光过程中有闪烁现象，该调光方式还能改善LED灯光的散热效果［1］。

2 系统总体构成

系统总体由三个部分组成，即LED舞台灯光操控器、LED舞台灯具调光控制电路以及基于DMX512灯光协议的通信线路，如图1所示。通过调节操控器的调光电位器得到模拟电压，经过单片机模数转换成数字信号和调光数据，按照DMX512传输协议将调光数据通过RS485接口传输到LED灯具调光控制电路，通过单片机处理产生相应的脉宽可调PWM控制信号，由此信号控制恒流源驱动LED灯光亮度的变化。

图1 系统总体设计框图

2.1 LED舞台灯光操控器设计

LED舞台灯光操控器是整个系统的发送部分，其硬件电路设计框图如图2所示，ATmega16通过内部模数转换电路将采样的电位器模拟电压转化成数字信号，经单片机处理得到调光数据，然后按照DMX512灯光协议得到数据包，将此数据包传输到灯光控制电路。该电路设置了三个按键，主要是对灯光的功能数据进行设置。

图2 LED舞台灯光操控器硬件电路框图

2.2 LED舞台灯具灯光控制电路设计

LED舞台灯具灯光控制电路是整个系统的接收部分，其硬件电路设计框图如图3所示。该部分分为两个主要模块，一部分是由ATmega16作为主控芯片的控制电路，另一部分是由MAX16819作为主控芯片的恒流源驱动电路。

图3 LED舞台灯具灯光控制电路框图

单片机接收LED舞台灯光操控器发送的DMX512灯光数据，产生占空比可调的PWM信号，并将该信号送入LED恒流源驱动电路，驱动LED灯的明暗变化。由于LED的发光亮度主要受其驱动电流的影响，因此最佳的LED驱动方式应是恒流源驱动。与其它恒流源驱动方式相比，开关电源技术有着高效灵活的优点，故本系统采用的是一种基于开关电源技术的LED驱动电路［2］。温度传感器安装在LED灯具上，用于监测LED灯具的温度，根据LED的温度变化来驱动风扇工作，实现LED散热功能。

3 DMX512灯光控制数据传输协议

目前，包括电脑灯在内的各种舞台效果灯、调光控制台、换色器等舞台灯光设备，主要以DMX512传输协议传输灯光数据。DMX512灯光控制数据传输协议是美国舞台灯光协会(USITT)于1990年发布的灯光控制器与灯具设备进行数据传输的工业标准，包括电气特性、数据协议、数据格式等方面的内容。DMX512协议适用于一点对多点的主从式灯光控制系统，主控制器往总线发送控制时序，总线上的其他从灯光设备接收总线数据，提取其对应通道的数据，完成控制信号的接收［3］。

协议规定控制信号数据包的传输通过异步通信的方式进行。每一个DMX控制字节叫做一个指令帧，称作一个控制通道，可以控制灯光设备的一个或几个功能。一个DMX512数据包包含起始码和512个数据帧。数据帧内包含1个起始位(低电平)、8个数据位和2个停止位(高电平)，没有奇偶校验。DMX512的信号数据传输率为250kbps，数据帧每位宽度为4us，发送一帧需要44us。一个数据帧代表了一路控制通道，因此该协议支持512路控制通道。DMX512数据包的传输要符合一定的格式和时序要求。主要包含1个至少88us的低电平输出起始标志(Break)、起始码帧、512个数据帧和最后的数据包结束标志(高电平)。控制器和接收器只有满足DMX512数据包的时序要求，才能正常完成主从机之间的通信。具体的信号时序如图4所示。

图4 DMX512数据包时序图

各段数据定义如下:1复位信号120us;2复位后标记12us;3字段8位;4字段起始位;5、6字段停止位;7字段间的空闲(占)0～1s;8复位前标记0～1s

调光控制台每发送一个信息包，可以对全部512个受控通道形成一次全面的控制。发送一个信息包的时间大约是23ms，每秒钟将对所有512个受控通道完成44次控制，即受控光路的刷新频率44Hz，如果实际受控通道少于512个，那么刷新频率将相应提高。

4 系统软件设计

4.1 LED舞台灯光操控器软件设计

电位器的模拟信号通过PA0口接入单片机，通过软件实现选择该通道信号进行A/D转换。由于ATmega16默认将模拟信号转化成10位二进制数，DMX512传输协议数据包定义为8位二进制数，故需要通过软件实现数据位数转化，然后以DMX512数据包的形式发送给LED舞台灯具灯光控制电路。灯光操控器程序流程图如图5所示。

图5 操控器程序流程图

4.2 LED舞台灯具灯光控制电路软件设计

ATmega16单片机有3个定时/计数器，均可产生无干扰脉冲、相位正确的PWM波。本系统选用16位定时/计数器T/C1，同时采用相位修正PWM模式产生的相位修正PWM波，该模式其精度较高，且波形的占空比可以从0%调节到100%，产生调光需要所有占空比的PWM波［4］。单片机接收由LED舞台灯光操控器发送的DMX512数据包，然后根据数据包中携带的信息给所选用的定时/计数器赋值，并将相应的PWM波形送入恒流源驱动LED灯光亮度变化。灯光控制电路程序流程图如图6所示。

图6 灯光控制电路程序流程图

5 结论

本系统采用功能强大的ATmega16单片机为控制核心，单片机内部有A/D转换、产生PWM波等功能，便于系统设计;调光数据传输遵循DMX512舞台灯光控制数据传输协议;系统功能满足了舞台灯光的要求，整个系统结构轻便，操作简单，性能稳定，可靠性较高;同时使用LED舞台灯光代替传统的舞台灯光，具有明显的节能效果，具有广阔的应用前景。

［1］宋适，刘廷章.基于AVR单片机的LED自适应调光系统［J］.电气自动化.2009，31.

［2］黄以华，廖世文.基于DMX512协议的LED灯具控制系统［J］.照明工程学报.2009，20(4).

［3］方福波，刘有源，陈定方.DMX512控制协议及其实现［J］.照明工程学报.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

蒋伟(1963—)，浙江奉化人，中国传媒大学信息工程学院教授.E-mail:jw@cuc.edu.cn。

(责任编辑

:宋金宝)