遙控探照燈系統(tǒng)設(shè)計

　　在舞臺上，有時為了營造某種特殊效果，需要關(guān)閉除探照燈以外的所有現(xiàn)場燈。探照燈必須照在演員身上。由于探照燈高高懸掛在天花板上，當演員移動時，依靠人工來完成探照燈方向調(diào)節(jié)非常不方便，而通過遙控調(diào)節(jié)則很方便，有時演員的位置又是固定的，這可能需要多臺探照燈透視照射一個固定位置(例如舞臺的中央)。如果探照燈能夠?qū)⑦@些位置以及燈的亮度預存到某個頻道，需要時再直接調(diào)則會方便很多。

　　針對此應用，本文設(shè)計了一種支持頻道存儲的遙控探照燈系統(tǒng)來實現(xiàn)上述功能。該系統(tǒng)還可應用在監(jiān)獄、各種高空作業(yè)和曠野、海面等工作場所，對遠距離巡查、追蹤、搜索、拯救和作業(yè)施工進行全方位、多角度照明。

　　因為照射點的位置不定，要求探照燈可以上下左右360度自由移動，所以本系統(tǒng)采用了兩個電機，一個控制探照燈上下轉(zhuǎn)動，另一個控制探照燈左右轉(zhuǎn)動，此外，有時兩臺探照燈離得很近。

　　當控制某一臺探照燈時，不能影響鄰近的探照燈，這就要求遙控控制信號的角度不能太大。相反，如果角度過小的話，探照燈又很難接收到信號，會使控制很不方便，因此信號的角度也不能太小，另一方面，為便于操作，探照燈的可控制距離應盡可能地遠。

　　針對上述要求，本文采用了紅外與激光通信相結(jié)合的方法，在發(fā)送探照燈預選信號時采用激光發(fā)送，而發(fā)送探照燈轉(zhuǎn)動控制、亮度控制時等命令時采用紅外發(fā)送，在場景存儲及調(diào)出摸式的最后確認(控制哪臺探照燈)時采用激光發(fā)送，從而實現(xiàn)準確，方便的調(diào)節(jié)，燈的亮度控制應盡可能采用微調(diào)來滿足各種亮度的需求，因此，將燈的亮度從最亮到熄滅劃分為256個段。

　　一 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　1、總體結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)共包括5個模塊：CPU模塊、電源模塊、電機模塊、燈控模塊和通信模塊。其中，通信模塊又包括紅外通信模塊、激光通信模塊和指示燈顯示模塊，總體硬件原理框圖如圖1所示。

　　紅外接收模組接收紅外信號后送入CPU進行分析，以確定命令的性質(zhì)，遙控器發(fā)送的激光信號由光電池接收，經(jīng)放大后送入CPU。由光電繼續(xù)器、電機驅(qū)動及電機組成的閉環(huán)電路用來控制電機的位置，以控制探照燈的照射點，在電源模塊中產(chǎn)生一個2倍工頻的信號，該信號連接到CPU的中斷腳，中斷程序通過可控硅控制燈的亮度，EEPROM用來存儲頻道、探照燈位置和亮度，指示燈用來顯示探照燈當前的狀態(tài)。

　　2、CPU模塊

　　處于成本的考慮，該系統(tǒng)的各個子功能模塊須盡量減少硬件，并盡可能用軟件代替硬件，所以該系統(tǒng)的紅外通信模塊、激光通信模塊的解調(diào)都完全由軟件實現(xiàn)，這就使得CPU中無需這些專用模塊，從而降低了成本，電機的驅(qū)動也沒有采用專用的驅(qū)動芯片，而是由通用I/O接口通過三極管來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。

　　由于節(jié)省了許多專用模塊，因此必然會增加對CPU通用I/O的需要，這就要求CPU中要有足夠的通用I/O接口，此外，系統(tǒng)還必須能穩(wěn)定可靠地工作，并具有較強的抗干擾能力。

　　基于以上原因，本方案選擇了Holtek公司的低價位I/O型單片機HT48R50A-1，這是一款基于RISC結(jié)構(gòu)、低功率、安全靜態(tài)CMOS設(shè)計的高性能8位單片機，該單片機的工作電壓在8MHz時為3.3V-5.5V，4MHz時為2.2V-5.5V，它的功率損耗低，在5V/4MHz條件下的典型值為2mA，不使用看門狗定時器和RTC時，3V下靜態(tài)電流小于1μA，此外，它還具有工業(yè)級的工作溫度(-40℃-85℃)。

　　HT48R59A-1器件的其他特性還包括：具有4096×14位程序存儲器ROM、160×8位數(shù)據(jù)存儲器RAM、6級堆棧;具有表格讀取功能，支持直接和間接兩種尋址模式;共有63條功能強大的指令。支持位操作，大多數(shù)指令執(zhí)行時間只需要一個指令周期;

　　片內(nèi)有32個具有上拉功能的雙向輸入輸出接口，PA接口具有喚醒功能;有一個外部中斷輸入和事件計數(shù)輸入。蜂鳴器驅(qū)動并支持PFD;內(nèi)置晶體及電阻電容振蕩電路，擁有看門狗定時器;具有預分頻器及中斷功能的定時器;CPU在沒有任務時可以進入暫停模式以降低功耗，且具有低電位復位(LVR)特性。

　　3、通信模塊

　　紅外接收模組可以直接將接收到的紅外信號變?yōu)門TL電平，激光接收模組則不同，由光電池接收到的激光信號非常微弱須經(jīng)放大后才能被單片機識別。64頁圖2為放大電路，其中C1和L1構(gòu)成低通濾波，第一級運放和R1、R2將光電池的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，C2和C5為高通濾波，第二級運放和R3、R4將電壓放大成TTL電平。

　　4、燈控模塊

　　硬件原理如圖3所示，T1為濾波電感，Q1為可控硅，U1為光電隔離器，CPU信號通過Q2控制U1的通斷，當U1導通時，Q1導通，當U1關(guān)斷時，反相電壓使Q1截止，通過控制可控硅的導通時間可實現(xiàn)控制燈的亮度控制。

　　5、電機模塊

　　該系統(tǒng)有兩個相同的直流電機模塊。由通用I/O接口通過三極管控制轉(zhuǎn)停(如圖4)。當Q3、Q6導通時，電機正轉(zhuǎn);當Q4、Q5導通時，電機反轉(zhuǎn);當Q3的通斷由Q1通過R1、R2分壓實現(xiàn)控制，當Q1導通時，R1兩端的壓降使Q3導通。

　　6、電源模塊

　　該系統(tǒng)由220V工頻交流電供電，電源模塊的功能是輸出兩個電源(5V的單片機電源和12V的直流電機電源)和一個中斷源。中斷源用來產(chǎn)生兩倍工頻的中斷信號給單片機，從而調(diào)節(jié)探照燈的亮度，因此，該系統(tǒng)采用了一個220V轉(zhuǎn)雙12V變壓器，并通過二極管、三端穩(wěn)壓器和校正電容實現(xiàn)輸出。

　　二 軟件設(shè)計

　　軟件分兩部分：主程序和中斷程序，主程序的主要任務有：接收紅外、激光信號、進行解調(diào)，判斷遙控器所發(fā)的命令是什么，并執(zhí)行該命令;控制電機轉(zhuǎn)動并檢測反饋信號，準確定位探照燈位置，根據(jù)命令存儲或調(diào)出指定的頻道;根據(jù)探照燈當前狀態(tài)控制指示燈的亮滅。具體程序流程圖如圖5(詳見本刊網(wǎng)站)所示，中斷程序的主要任務是：對燈控I/O引腳的低電平進行延時，以達到調(diào)節(jié)燈亮度的目的。

　　試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可準確地完成燈控、轉(zhuǎn)動，以及某個頻道的存儲及調(diào)出等功能，并具有操作方便的優(yōu)點，已得到多家公司的認可。