嵌入式LED舞臺燈控制系統的設計與實現

廣州市浩洋電子有限公司　陳　浩

嵌入式LED舞臺燈控制系統的設計與實現

廣州市浩洋電子有限公司陳浩

LED技術在舞臺燈領域的應用不僅促進了舞臺燈色彩表現技術的進步，同時也節約了大量的電力。當前我國舞臺燈行業引入了嵌入式LED舞臺燈控制系統的相關技術，其大幅地提高了舞臺燈控制系統的相關軟件性能，有效地提升了各類舞臺燈照明燈具的可靠性，對于舞臺燈領域的發展而言有著重要的促進意義。本文主要探討了嵌入式LED舞臺燈控制系統的設計以及實現。

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LED舞臺燈具有色彩表現能力出色、高節能以及使用壽命較長等特點，因此其受到了業界人士的廣泛關注。隨著社會經濟的高速發展，人們對舞臺燈效果的要求越來越高，而傳統的舞臺燈控制系統已逐漸地無法適應新時期下社會對舞臺燈照明及色彩表現等功能的要求。

1.嵌入式LED舞臺燈控制系統的巨大優勢

1.1嵌入式LED舞臺燈控制系統的運行速度更快

傳統的單片機舞臺燈控制系統所采用的是8位CPU的單片機，其處理信息能力較弱，因此導致8位單片機舞臺燈控制系統的運行速度無法達到令人滿意的要求。相比8位單片機舞臺燈控制系統而言，嵌入式LED舞臺燈控制系統通常采用32位的STM32F103的芯片處理相關的信息，其有效地簡化了控制系統的程序以及相關電路，從而大大地提升了舞臺燈控制系統的運行速度。

1.2嵌入式LED舞臺燈控制系統的光控能力更強

由于嵌入式LED舞臺燈控制系統使用了32位的中央處理器，其具有較高的穩定性，能很好地適應各種環境下的舞臺燈控制需求，因此其在一定程度上使得舞臺燈的光控能力以及色彩表現能力都得到了較大的進步，嵌入式LED控制技術應用于舞臺燈系統中，可以得到與無極四色光源相近的連續調光，而這些是傳統的8位單片機舞臺燈控制系統難以做到的。

1.3嵌入式LED舞臺燈控制系統的運動控制表現更為突出

傳統的單片機舞臺燈控制系統由于信息處理能力上存在著不足，因此在運動控制方面上表現不盡如人意，由此可能無法營造出相應的舞臺氣氛。而更為先進的嵌入式LED舞臺燈控制系統的運行速度較快，因此在一定程度上可以較為輕松地處理相關的舞臺燈運動控制程序，從而能夠營造出較好的舞臺效果［1］。

2.嵌入式LED舞臺燈控制系統的設計

2.1嵌入式LED舞臺燈控制系統整體控制設計

以往的單片機舞臺燈控制系統通常使用三個8位單片機，如此的組合形式在某種意義上大幅降低了舞臺燈控制系統的可靠性以及穩定性。與此同時，由于8位單片機舞臺燈控制系統的信息處理能力不強，因此其無法很好地控制舞臺燈的運動，從而容易造成舞臺效果偏差的現象出現。而新式的嵌入式LED舞臺燈控制系統采用了先進的32位處理器，最高工作頻率可達到74MHZ，因此其能夠呈現出多種功能，例如編碼器接口電路、ADC轉換電路以及高級定時器等［2］。

在嵌入式LED舞臺燈控制系統的設計上，人們使用1個32位的中央處理器來替換以往控制系統的8片單片機，如此便能最大程度地降低相關系統軟件的復雜程度以及系統外部電路的復雜性，從而能夠促使舞臺燈的相關聯網系統運行更加穩定流暢。嵌入式LED舞臺燈控制系統STM32F103芯片的設計運用，使得控制系統能夠更加便捷地運用細分動作控制以及S型加減速控制相應的驅動水平，也能使得系統可以對更加多級的PWM信號實施有效的控制行為，從而能夠在最大程度上對LED舞臺燈的亮度加以控制。嵌入式LED舞臺燈控制系統中擁有更多的熱敏電阻，如此便能有效地確保系統各類燈具的安全，防止燈具因過度發熱而被燒毀。

除此之外，嵌入式LED舞臺燈系統的相關軟件程序也得到了優化，正因如此，軟件系統的程序數量得到了大幅度的削減，因此相較于8位單片機舞臺燈控制系統而言，嵌入式LED舞臺燈控制系統通信時間以及系統初始化的時間有了明顯的下降，其極大地提升了嵌入式LED舞臺燈控制系統的運行效率。

另外，人們為了使得嵌入式LED舞臺燈控制系統具有更強的穩定性以及可靠性，其往往會對嵌入式LED舞臺燈控制系統采用一些抗干擾的設計。例如設計人員會在控制系統內使用DC/DC以及PFC級合為一體的電源開關，如此設計能夠有效地減小系統的體積與電流的諧波畸變概率。嵌入式LED舞臺燈的線路較為密集且內部結構頗為復雜，這在一定程度上可能促使電源受到一定的干擾，因此人們一般采用三級電源穩壓的工作模式來達到穩定電壓，促進系統電源效率得到有效提高的目的。一般來說，人們為了最大程度地降低系統受到的電磁干擾，通常會使用鐵磁材料制作嵌入式LED舞臺燈控制系統的開關。

2.2系統溫度保護設計以及調光控制

①溫度保護設計。嵌入式LED舞臺燈控制系統的LED光源布局非常密集，總體面積通常大于四百立方厘米，然而即便如此嵌入式LED舞臺燈控制系統內部溫度通常仍不會超過合理的范圍。嵌入式LED舞臺燈控制系統能夠擁有如此強大的溫度控制能力得益于STM32F103芯片的應用，由于該芯片應用后嵌入式LED舞臺燈系統內部擁有了五個熱敏電阻，其極大程度地提高了系統光源工作的穩定性，賦予了系統較為突出的溫度控制能力。

嵌入式LED舞臺燈控制系統的依靠先進的溫度控制原理而獲得了出類拔萃的溫度保護控制能力，其具體原理是：熱敏電阻的電阻值隨著相關檢測點的溫度變化而發生相應的改變以達到促使系統電壓值產生合理變化的目的。電壓值的相關變化在經過A/D轉換后會致使中央處理器的實時檢測值發生改變，此時嵌入式LED舞臺燈控制系統的CPU會迅速把原先設定的相關閾值與系統檢測點的數據進行分析比較，此時若系統檢測點的相關數值已經長時間地高于設定閾值，中央處理器則會立即調節PWM信號以實現降低LED平均驅動電流強度的目的。而如果嵌入式LED舞臺燈控制系統的相關檢測點數值超過設定閾值的時間并不長，中央處理器則只用提升系統散熱風扇的轉速便可較為順利地達成系統降溫，保護LED光源以及系統其他零部件的目的。

②調光控制設計。嵌入式LED舞臺燈控制系統由于采用了先進的32位STM32F103芯片，其主頻率可以達到較高的數值，該芯片也在在提升PWM分辨率的工作上發揮了極其重要的作用，由此嵌入式LED舞臺燈控制系統的連續調光能力便有了大幅度的提高。傳統的8位單片機舞臺燈控制系統的驅動芯片通常不具備過流以及過壓保護的能力，由于一些因素的影響，以往系統的放電過程中誤操作的幾率也比較大，而嵌入式LED舞臺燈控制系統采用了新式的驅動芯片，其輸出的精度有了明顯的改善，并且具備較強的自我保護能力。

嵌入式LED舞臺燈系統中恒流驅動電路與CPU控制電路構成了PWM調光控制機制。恒流驅動電路能為燈具提供較為穩定的電流，效率較高。CPU通過接收不斷變化的PWM信號來完成調光控制工作［3］。

2.3系統運動控制

①系統步進電動機的細化控制。嵌入式LED舞臺燈控制系統運用PWM的方法來達到控制電流的目的，在此過程中采用64細分的方式，該方式是目前嵌入式LED舞臺燈控制系統領域最為常見的細分方法，其通過有效地減小電機轉矩波動的方式來最大程度地改善原先電機運行噪音較大的情況。

②嵌入式LED舞臺燈控制系統步進電機S型加減速控制。傳統的舞臺燈控制系統在垂直、水平步進電機的體積以及質量控制等方面的工作上乏善可陳，因此以往的步進電機通常較為笨重，而先進的嵌入式LED舞臺燈控制系統一般使用S型加減速控制步進電機，該種電機運行方式得到了有效的優化，因此其較以往的舞臺燈控制系統而言在噪聲的控制方面具有巨大的優勢，系統的運行狀況也因步進電機S型加減速控制的運用而趨于平穩化，相關LED光源的使用壽命也得到了一定程度的延長。除此之外，由于步進電機采用了S型工作方式，步進電機機身的質量與體積明顯縮小，所占空間減小，其為為原本不大的舞臺騰出了更多的空間，在某種意義上更有利于舞臺表演人員相關演藝活動的開展，促進舞臺氣氛趨于活躍。

3.結語

相比于傳統的8位單片機舞臺燈控制系統，先進的32位嵌入式LED舞臺燈控制系統無論是在節能減排、光控能力以及對舞臺燈的運動控制上都有著較大的優勢，這得益于嵌入式LED舞臺燈控制系統優秀的設計以及優良的制作工藝，因此有關方面應當再接再厲，不斷糾正自身不足、積極開拓創新，從而為舞臺燈控制系統行業作出更大的貢獻。

［1］呂建平，孔亮，曹發海.二相混合式步進電機的高性能驅動器研究［J］.單片機與嵌入式系統應用，2013（09）.

［2］彭穎茹，蔣偉楷，林學貴，等.UHP光源舞臺燈具控制系統抗干擾技術［J］.自動化與信息工程，2012（03）.

［3］董亮輝，劉景林，李昱.步進電機寬調速多細分控制系統研究［J］.測控技術，2012（01）.

中央高校基本科研業務費實驗室研究基金項目。