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基于DMX512协议的激光电脑灯的设计与研究

于明  
【摘要】:电脑灯是舞台表演中广泛应用的一种照明灯和效果灯,它是舞台灯光系统的重要组成部分,担负着烘托表演氛围、渲染现场气氛的重要任务。电脑灯起源于上世纪七八十年代,最初在国外一些剧场和露天舞台上应用,最初的电脑灯只是一种由电机带动的灯筒,功能十分简单。随着文艺事业的发展,相配套的表演技术也有很大进步,其中作为照明系统重要组成部分的电脑灯就得到了长足的发展。 现在的电脑灯较之刚出现时,结构更加复杂、功能更加丰富,使用更加方便。电脑灯已经不再是简单的能够摇摆的灯筒,而是一个集光学、机械学、信息科学等多学科先进技术的复杂系统。功能上除基本的照明外,还能实现颜色变换、图案变换、追光、频闪、图案投射等多种特效。由于灯光控制台的应用,电脑灯的控制也更加自动化,在同一个控制台的指挥下,几十乃至上百个电脑灯可以在同一系统中有序的工作。 提到电脑灯的控制就不能不提DMX512协议,DMX512协议是由美国剧场技术协会(USITT)在1986年最早提出的一个灯光控制协议。其目标是用一路信号线连接多台电脑灯、调光器等灯光设备,并使这些设备统一的由控制台发送指令控制,使之能够互不干扰的在同一系统中同时工作。由于具有很好的可操作性和协议本身的简单明确,DMX512协议一经提出就受到了世界各大厂商和用户的支持,调光设备生产商相继采纳该协议。经过了多次修订的DMX512协议成为了世界公认的主流灯光控制协议。在网络时代的今天,灯光控制领域也出现了基于网络化应用的控制协议,但DMX512协议在很多场合依然具有无法比拟的优势。 本文设计了一种基于DMX512协议的激光电脑灯,不同于传统电脑灯的金属卤化物光源,本系统采用RGB三色激光器作为光源。相对于金属卤化物光源,激光光源功率低、发热量小、无紫外辐射、寿命长、不易衰减的特性克服了金属卤化物光源的很多缺点。另外,激光良好的单色性作为舞台效果灯还具有色彩真实,表现力强的优势。 本系统可以分为三个部分:电路部分、机械部分和光学部分。电路部分是本文的主要研究对象。 电路部分按功能设计了三块电路板:DMX512信号解码板、步进电机驱动板和状态数显板。电路原理图和电路板图的绘制以Altium Designer6.0软件为平台。DMX512信号解码板以AT89S52单片机为MCU,主要负责DMX512信号的接收、解码、控制信号的发送、光源高压电的开关控制以及灯头电机的驱动等。灯头电机的驱动应用了NJU39610和NJM3772芯片。步进电机驱动板主要完成快门、焦距、图案板等部件的电机驱动,这里应用了与灯头电机不同的驱动方案,采用了L293DD芯片,MCU使用了AT89C2051单片机。状态数显板以AT89S52为MCU,驱动四根八段数码管显示系统运行状态信息,并外接了四个按钮提供信息输入。 机械部分主要分析了负载对电机扭矩输出的要求,并综合其他参数选择了使用的步进电机类型。结合步进电机工作方式分析了驱动信号的要求,并分析了如何通过驱动芯片生成这样的信号。 光学部分以对激光光源的介绍和分析为核心。首先介绍了光源的发展历史,阐明了节能环保是光源发展的一大趋势。对比了传统电脑灯使用的金属卤化物光源和激光光源在能耗等多方面的优劣。不同于传统电脑灯的是,本系统颜色变换方式不使用颜色盘,而是采用了RGB三色激光的加法混色法,针对这一方法给出了激光混束系统。


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