基于單片機(jī)的遙控探照燈系統(tǒng)實現(xiàn)
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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(dāng)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(yù)存到某個頻道，需要時再直接調(diào)則會方便很多。
針對此應(yīng)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(yīng)用在監(jiān)獄、各種高空作業(yè)和曠野、海面等工作場所，對遠(yuǎn)距離巡查、追蹤、搜索、拯救和作業(yè)施工進(jìn)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(jī)，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(dāng)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(yīng)盡可能地遠(yuǎn)。
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(yù)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(rèn)（控制哪臺探照燈）時采用激光發(fā)送，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確，方便的調(diào)節(jié)，燈的亮度控制應(yīng)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。
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(jī)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(jìn)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(jī)驅(qū)動及電機(jī)組成的閉環(huán)電路用來控制電機(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動。
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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(qiáng)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(jī)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(jī)，該單片機(jī)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(qiáng)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(yù)分頻器及中斷功能的定時器；CPU在沒有任務(wù)時可以進(jìn)入暫停模式以降低功耗，且具有低電位復(fù)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(jī)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
nbsp; 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(dāng)U1導(dǎo)通時，Q1導(dǎo)通，當(dāng)U1關(guān)斷時，反相電壓使Q1截止，通過控制可控硅的導(dǎo)通時間可實現(xiàn)控制燈的亮度控制。
5、電機(jī)模塊
該系統(tǒng)有兩個相同的直流電機(jī)模塊。由通用I/O接口通過三極管控制轉(zhuǎn)停（如圖4）。當(dāng)Q3、Q6導(dǎo)通時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)Q4、Q5導(dǎo)通時，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)Q3的通斷由Q1通過R1、R2分壓實現(xiàn)控制，當(dāng)Q1導(dǎo)通時，R1兩端的壓降使Q3導(dǎo)通。
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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(jī)電源和12V的直流電機(jī)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(jī)，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。
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(wù)有：接收紅外、激光信號、進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)動并檢測反饋信號，準(zhǔn)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(dāng)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(wù)是：對燈控I/O引腳的低電平進(jìn)行延時，以達(dá)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(zhǔn)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(rèn)可。
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