大功率LED追光燈調光系統的研發

李慶海　祝澤群　戚忠淼

【摘 要】本系統以ARDUINOMEGA2560作為大功率LED追光燈調光系統的核心，通過藍牙模塊與手機app云端建立通訊，實現信息交互。經過設計保留手動調節方式和改進通過手機進行遠程電動控制燈具的調光功能。改進大功率LED追光燈的機械結構增加了同步帶，同步齒輪等傳動系統電動控制調光功能的實現。硬件電路由ARDUINOMEGA2560、藍牙模塊、電機驅動電路等構成，利用ARDUINOMEGA2560生成PWM，驅動四個42步進電機，分別達到帶動同步帶，同步齒輪等傳動系統，達到大功率LED追光燈調光系統的顏色調控；燈具色溫（CCT）調控；電動調光值：0-100線性調光亮度，調光方式為電動雙調焦的目的實現形成燈具的調光系統。

【關鍵詞】LED；追光燈；ARDUINO

大功率LED追光燈在舞臺戲劇演出和大型綜合晚會演出中是一種重要的藝術表現形式，目前國內外常用的追光燈控制，需要專業的燈光師進行手動操作，追光燈的特殊性及其高功率，對操作人員要求極高，追光燈的操作人員必須配合好演員的動作和導演的要求，但舞臺環境切換速度快，現階段追光燈控制明暗變化、色彩的冷暖變化等手段復雜和群控難度大，極易出現燈光效果與演出效果不搭的情況。因此，本文提出使用單片機輸出脈沖控制步進電機，實現追光燈的自動控制完善舞臺追光燈的功能，讓追光燈控制智能化，增加其自動化程度，簡化LED追光燈操作流程目的。

大功率LED追光燈的調光系統設計由照明系統、調光系統、供電系統三部分組成，通過在對追光燈應用以Arduino Mega 2560為系統核心，增加了藍牙模塊與手機等智能設備進行交互，并增加四組步進電機且調節了現有的機械結構，實現了智能設備遠程調控設備、切換綠藍紫等多種顏色、色溫在3200K-8000K范圍內通過電動調節、以0-100的比例調節亮度等多種功能。大功率LED追光燈結構圖如圖1所示。

（一）照明系統

大功率LED追光燈的照明系統由光源、色溫與亮度調節裝置、光束鏡、導光體、光圈、遠焦板、近焦板、顏色盤組成。光源選用功率為330W，工作電壓為DC12V的LED光源。本設計利用光束鏡聚光效果改變光源的發光角度，使發光角度控制在15度以內，光束鏡緊貼在導光體上，兩者固定在光源與光圈的中間。光圈。遠焦板、近焦板、顏色盤是本設計的執行機構，通過改變光圈的大小，改變光通量的大小。改變遠焦板、近焦板的相對位置，實現雙焦距的調節。調光系統使用Arduino Mega2560作為系統的中央綜合控制處理核心，加上以JDY-31藍牙模塊為核心的無線通訊，以42步進電機、同步帶、同步齒輪組成的執行機構，形成整個系統的基本組成機構。將藍牙模塊與單片機串口連接完成后，等待藍牙指示燈閃爍，打開藍牙串口APP，將波特率設置成9600，點擊連接藍牙，連接名為JDY-31的藍牙信號，輸入默認密碼：1234，藍牙連接成功，在APP的聊天界面發送AT+BAUD，返回值為4。在APP的開關界面，創建9個開關，分別命名為遠焦1、遠焦2、近焦1、近焦2、光圈大、光圈小、下一個顏色、上一個顏色、聯動并編輯對應的字符，使其能夠完成按下一個開關，發送對應的字符。無線通訊調試完成。

（二）供電系統

大功率LED追光燈供電系統以LM7812穩壓電源為核心，供電系統接入220V的市電，經過LM7812穩壓電源的變壓、整流、濾波，輸出穩定的12V直流電，分別給LED照明系統，電機驅動模塊，LM2596模塊，風冷系統供電。其中電機驅動模塊輸出12V直流電，給步進電機供電，LM2596模塊將電壓穩壓至5V，為Arduino Mega 2560供電。在調試供電系統之前，使用萬用表檢查整個供電系統是否存在短路現象。在確認無誤之后，給LM7812穩壓電源上電，用萬用表測量LM7812穩壓電源是否輸出直流12V，萬用表測量結果為輸出的是直流12V。接下來調試LM2596模塊，將模塊上的電位器旋鈕逆時針旋到底，將LM2596模塊的輸入端接在LM7812穩壓電源的輸出端，用萬用表測量模塊輸出電壓，慢慢的將電位器旋鈕順時針旋轉，直至輸出電壓為5V。供電系統調試完成。

（三）步進電機的調試

大功率LED追光燈采用四個步進電機分別帶動遠焦板、近焦板、光圈板、顏色盤的運動，經過前期的測量與計算，根據測量與計算的結果，確定步進電機的位置。利用鉆臺在追光燈壁上打出所有電機需要的固定孔，將步進電機固定在燈壁上。將步進電機固定好之后，將同步輪和同步帶安裝在需要帶動遠焦板和近焦板的兩個步進電機上，在遠焦板和近焦板上分別固定一個三角連接件，用螺栓螺母將連接件與同步帶固定。將同步齒輪分別安裝在需要帶動光圈板，顏色盤轉動的步進電機和光圈板，顏色盤的傳動桿上。安裝好后，用手轉動同步輪和同步齒輪，檢查能否正常的轉動。如果不能正常轉動，調節同步輪和同步齒輪的位置，直至能夠正常轉動，步進電機安裝完成。

（四）藍牙串口通信調試

大功率LED追光燈的藍牙串口通信與串口通信相同，串行接口指采用串行通信協議在一條信號線上將數據以比特逐位進行傳輸的通信模式。數據一位一位的傳送一個字節的傳送需要八次，并且從低到高依次傳送。串行通信的數據是逐位傳輸的，發送方發送的每一位都具有固定的時間間隔，要求接收方按照發送方同樣的時間間隔來接收每一位。（在傳送開始前需要設定相同的波特率，這是傳送成功的第一步）程序首先進行變量定義，程序中定義date是用來接收藍牙傳來的數據、val暫存date數據。然后進行程序初始化，將波特率設置為9600。再讀取來自藍牙模塊的數據，將date暫存到val中，并判斷val數據并進行下一步操作，最后清空date為下一次輸入做準備。藍牙模塊的參數設置主要設置它的連接密碼、波特率、廣播名稱等，電腦與JDY-31模塊使用串口連接工具進行連接。使用串口調試工具對JDY-31藍牙模塊進行設置，向藍牙模塊發送“AT+VERSION”指令測試藍牙模塊是否與電腦相連接。若串口工具能夠接收到藍牙模塊響應“+VERSION=JDY-31-V1.2，Bluetooth V3.0”的版本信息號即電腦與藍牙模塊連接成功，連接成功后向藍牙模塊發送各種信號對藍牙模塊進行調節。手機中下載安裝藍牙串口APP，完成后打開APP，將界面右移到鍵盤界面，長按按鍵便能設置該按鍵OFF和ON時向藍牙模塊所發送的數據。設置按鍵1為調焦1調遠，按鍵2為調焦1調近，按鍵3為調焦2調遠，按鍵4為調焦2調近，按鍵5為光圈調大，按鍵6為光圈調小，按鍵7按鍵8為實現顏色的調節。

（五）系統軟件設置

大功率LED追光燈的軟件總體由初始化定義各種變量，可調模擬量的輸出，PWM信號的輸出，正反轉信號的輸出，藍牙信息接收這幾塊組成。其中可調模擬量用來調節大功率LED追光燈調光系統的燈光亮暗，PWM信號的輸出和正反轉信號的輸出則是控制大功率LED追光燈調光系統的雙聚焦、顏色、光圈大小的調節。程序主要由總體流程，PWM信號生成，可調模擬量的生成，正反轉的信號的生成，藍牙串口信號的接收。

Arduino中有一個 analogWrite（）函數可以產生一個模擬值（PWM波）。可用于在不同的光線亮度調節發光二極管亮度或以不同的速度驅動馬達。調用analogWrite（）后，該引腳將產生一個指定占空比的穩定方波，直到下一次調用analogWrite（）（或在同一引腳調用digitalRead（）或digitalWrite（））。analogWrite（）可以添加兩個變量，第一個變量為輸出引腳，第二個變量為為輸出PWM信號的占空比。（analogWrite（x，y）x：輸出引腳；y：輸出PWM信號占空比值為0-255）可調節模擬量的生成首先定義輸出引腳，定義變量brightness=128，再定義指針變量_pin。該引腳可以直接連接壓電蜂鳴器或其他喇叭播放聲音。并且Arduino中有10個引腳可以輸出PWM信號，直接使用tone（）函數。tone（）中可以添加2個變量，第一個變量為需要輸出PWM信號的引腳，第二個變量為PWM信號的頻率。（tone（x，y）：x為輸出引腳，y為PWM信號頻率）PWM信號輸出首先需要定義引腳并將引腳設置為輸出，然后調用tone（）函數輸出PWM信號控制電機的運動。

（六）總 結：

首先在Arduino IDE選擇開發板型號，默認Arduino UNO。然后選擇端口，默認COM1。（在之后的上傳程序步驟中，如果出現了Serial port COM1 not found的錯誤，那么你可能需要在這里重新選擇一下你的串口）然后在IDE中輸入程序并保存。然后燒錄程序，燒錄成功后Arduino開發板上會有一個名為 I/O13 的LED按秒閃爍。燒錄完成后，先完成Arduino與藍牙模塊，步進電機驅動器的連線。然后對整個系統上電。使用手機搜索藍牙信號，匹配上藍牙模塊。并按下各個操作按鈕，步進電機能夠做到對應的正反轉。能控制追光燈大功率LED追光燈調光系統的顏色調控；藍、紅、彩色圖部分，燈具色溫（CCT）：電動可調3200K-8000K，電動調光值：0-100線性調光亮度，調光方式為電動雙聚焦。則大功率LED追光燈調光系統的設計與制作基本完成。在完成供電系統和無線通訊系統調試之后，用下載線將程序下載到單片機中，在追光燈旁按下遠焦1按鈕，遠焦板能夠向前移動。按下遠焦2按鈕，遠焦板能夠向后移動。按下近焦1按鈕，近焦板能夠向前移動。按下近焦2按鈕，近焦板能夠向后移動。按下光圈大按鈕，光圈能夠變大。按下光圈小按鈕，光圈能夠變小。按下一個顏色按鈕，追光燈能夠依次投射出綠光、藍光、黃光、橙光、白光、紫光。按下一個顏色按鈕，追光燈能夠依次投射出紫光、白光、橙光、黃光、藍光、綠光。直至達到藍牙的極限通訊距離，記錄數據，完成調試。

（作者單位：浙江工貿職業技術學院）