大功率LED追光灯调光系统的研发

李庆海　祝泽群　戚忠淼

【摘 要】本系统以ARDUINOMEGA2560作为大功率LED追光灯调光系统的核心，通过蓝牙模块与手机app云端建立通讯，实现信息交互。经过设计保留手动调节方式和改进通过手机进行远程电动控制灯具的调光功能。改进大功率LED追光灯的机械结构增加了同步带，同步齿轮等传动系统电动控制调光功能的实现。硬件电路由ARDUINOMEGA2560、蓝牙模块、电机驱动电路等构成，利用ARDUINOMEGA2560生成PWM，驱动四个42步进电机，分别达到带动同步带，同步齿轮等传动系统，达到大功率LED追光灯调光系统的颜色调控；灯具色温（CCT）调控；电动调光值：0-100线性调光亮度，调光方式为电动双调焦的目的实现形成灯具的调光系统。

【关键词】LED；追光灯；ARDUINO

大功率LED追光灯在舞台戏剧演出和大型综合晚会演出中是一种重要的艺术表现形式，目前国内外常用的追光灯控制，需要专业的灯光师进行手动操作，追光灯的特殊性及其高功率，对操作人员要求极高，追光灯的操作人员必须配合好演员的动作和导演的要求，但舞台环境切换速度快，现阶段追光灯控制明暗变化、色彩的冷暖变化等手段复杂和群控难度大，极易出现灯光效果与演出效果不搭的情况。因此，本文提出使用单片机输出脉冲控制步进电机，实现追光灯的自动控制完善舞台追光灯的功能，让追光灯控制智能化，增加其自动化程度，简化LED追光灯操作流程目的。

大功率LED追光灯的调光系统设计由照明系统、调光系统、供电系统三部分组成，通过在对追光灯应用以Arduino Mega 2560为系统核心，增加了蓝牙模块与手机等智能设备进行交互，并增加四组步进电机且调节了现有的机械结构，实现了智能设备远程调控设备、切换绿蓝紫等多种颜色、色温在3200K-8000K范围内通过电动调节、以0-100的比例调节亮度等多种功能。大功率LED追光灯结构图如图1所示。

（一）照明系统

大功率LED追光灯的照明系统由光源、色温与亮度调节装置、光束镜、导光体、光圈、远焦板、近焦板、颜色盘组成。光源选用功率为330W，工作电压为DC12V的LED光源。本设计利用光束镜聚光效果改变光源的发光角度，使发光角度控制在15度以内，光束镜紧贴在导光体上，两者固定在光源与光圈的中间。光圈。远焦板、近焦板、颜色盘是本设计的执行机构，通过改变光圈的大小，改变光通量的大小。改变远焦板、近焦板的相对位置，实现双焦距的调节。调光系统使用Arduino Mega2560作为系统的中央综合控制处理核心，加上以JDY-31蓝牙模块为核心的无线通讯，以42步进电机、同步带、同步齿轮组成的执行机构，形成整个系统的基本组成机构。将蓝牙模块与单片机串口连接完成后，等待蓝牙指示灯闪烁，打开蓝牙串口APP，将波特率设置成9600，点击连接蓝牙，连接名为JDY-31的蓝牙信号，输入默认密码：1234，蓝牙连接成功，在APP的聊天界面发送AT+BAUD，返回值为4。在APP的开关界面，创建9个开关，分别命名为远焦1、远焦2、近焦1、近焦2、光圈大、光圈小、下一个颜色、上一个颜色、联动并编辑对应的字符，使其能够完成按下一个开关，发送对应的字符。无线通讯调试完成。

（二）供电系统

大功率LED追光灯供电系统以LM7812稳压电源为核心，供电系统接入220V的市电，经过LM7812稳压电源的变压、整流、滤波，输出稳定的12V直流电，分别给LED照明系统，电机驱动模块，LM2596模块，风冷系统供电。其中电机驱动模块输出12V直流电，给步进电机供电，LM2596模块将电压稳压至5V，为Arduino Mega 2560供电。在调试供电系统之前，使用万用表检查整个供电系统是否存在短路现象。在确认无误之后，给LM7812稳压电源上电，用万用表测量LM7812稳压电源是否输出直流12V，万用表测量结果为输出的是直流12V。接下来调试LM2596模块，将模块上的电位器旋钮逆时针旋到底，将LM2596模块的输入端接在LM7812稳压电源的输出端，用万用表测量模块输出电压，慢慢的将电位器旋钮顺时针旋转，直至输出电压为5V。供电系统调试完成。

（三）步进电机的调试

大功率LED追光灯采用四个步进电机分别带动远焦板、近焦板、光圈板、颜色盘的运动，经过前期的测量与计算，根据测量与计算的结果，确定步进电机的位置。利用钻台在追光灯壁上打出所有电机需要的固定孔，将步进电机固定在灯壁上。将步进电机固定好之后，将同步轮和同步带安装在需要带动远焦板和近焦板的两个步进电机上，在远焦板和近焦板上分别固定一个三角连接件，用螺栓螺母将连接件与同步带固定。将同步齿轮分别安装在需要带动光圈板，颜色盘转动的步进电机和光圈板，颜色盘的传动杆上。安装好后，用手转动同步轮和同步齿轮，检查能否正常的转动。如果不能正常转动，调节同步轮和同步齿轮的位置，直至能够正常转动，步进电机安装完成。

（四）蓝牙串口通信调试

大功率LED追光灯的蓝牙串口通信与串口通信相同，串行接口指采用串行通信协议在一条信号线上将数据以比特逐位进行传输的通信模式。数据一位一位的传送一个字节的传送需要八次，并且从低到高依次传送。串行通信的数据是逐位传输的，发送方发送的每一位都具有固定的时间间隔，要求接收方按照发送方同样的时间间隔来接收每一位。（在传送开始前需要设定相同的波特率，这是传送成功的第一步）程序首先进行变量定义，程序中定义date是用来接收蓝牙传来的数据、val暫存date数据。然后进行程序初始化，将波特率设置为9600。再读取来自蓝牙模块的数据，将date暂存到val中，并判断val数据并进行下一步操作，最后清空date为下一次输入做准备。蓝牙模块的参数设置主要设置它的连接密码、波特率、广播名称等，电脑与JDY-31模块使用串口连接工具进行连接。使用串口调试工具对JDY-31蓝牙模块进行设置，向蓝牙模块发送“AT+VERSION”指令测试蓝牙模块是否与电脑相连接。若串口工具能够接收到蓝牙模块响应“+VERSION=JDY-31-V1.2，Bluetooth V3.0”的版本信息号即电脑与蓝牙模块连接成功，连接成功后向蓝牙模块发送各种信号对蓝牙模块进行调节。手机中下载安装蓝牙串口APP，完成后打开APP，将界面右移到键盘界面，长按按键便能设置该按键OFF和ON时向蓝牙模块所发送的数据。设置按键1为调焦1调远，按键2为调焦1调近，按键3为调焦2调远，按键4为调焦2调近，按键5为光圈调大，按键6为光圈调小，按键7按键8为实现颜色的调节。

（五）系统软件设置

大功率LED追光灯的软件总体由初始化定义各种变量，可调模拟量的输出，PWM信号的输出，正反转信号的输出，蓝牙信息接收这几块组成。其中可调模拟量用来调节大功率LED追光灯调光系统的灯光亮暗，PWM信号的输出和正反转信号的输出则是控制大功率LED追光灯调光系统的双聚焦、颜色、光圈大小的调节。程序主要由总体流程，PWM信号生成，可调模拟量的生成，正反转的信号的生成，蓝牙串口信号的接收。

Arduino中有一个 analogWrite（）函数可以产生一个模拟值（PWM波）。可用于在不同的光线亮度调节发光二极管亮度或以不同的速度驱动马达。调用analogWrite（）后，该引脚将产生一个指定占空比的稳定方波，直到下一次调用analogWrite（）（或在同一引脚调用digitalRead（）或digitalWrite（））。analogWrite（）可以添加两个变量，第一个变量为输出引脚，第二个变量为为输出PWM信号的占空比。（analogWrite（x，y）x：输出引脚；y：输出PWM信号占空比值为0-255）可调节模拟量的生成首先定义输出引脚，定义变量brightness=128，再定义指针变量_pin。该引脚可以直接连接压电蜂鸣器或其他喇叭播放声音。并且Arduino中有10个引脚可以输出PWM信号，直接使用tone（）函数。tone（）中可以添加2个变量，第一个变量为需要输出PWM信号的引脚，第二个变量为PWM信号的频率。（tone（x，y）：x为输出引脚，y为PWM信号频率）PWM信号输出首先需要定义引脚并将引脚设置为输出，然后调用tone（）函数输出PWM信号控制电机的运动。

（六）总 结：

首先在Arduino IDE选择开发板型号，默认Arduino UNO。然后选择端口，默认COM1。（在之后的上传程序步骤中，如果出现了Serial port COM1 not found的错误，那么你可能需要在这里重新选择一下你的串口）然后在IDE中输入程序并保存。然后烧录程序，烧录成功后Arduino开发板上会有一个名为 I/O13 的LED按秒闪烁。烧录完成后，先完成Arduino与蓝牙模块，步进电机驱动器的连线。然后对整个系统上电。使用手机搜索蓝牙信号，匹配上蓝牙模块。并按下各个操作按钮，步进电机能够做到对应的正反转。能控制追光灯大功率LED追光灯调光系统的颜色调控；蓝、红、彩色图部分，灯具色温（CCT）：电动可调3200K-8000K，电动调光值：0-100线性调光亮度，调光方式为电动双聚焦。则大功率LED追光灯调光系统的设计与制作基本完成。在完成供电系统和无线通讯系统调试之后，用下载线将程序下载到单片机中，在追光灯旁按下远焦1按鈕，远焦板能够向前移动。按下远焦2按钮，远焦板能够向后移动。按下近焦1按钮，近焦板能够向前移动。按下近焦2按钮，近焦板能够向后移动。按下光圈大按钮，光圈能够变大。按下光圈小按钮，光圈能够变小。按下一个颜色按钮，追光灯能够依次投射出绿光、蓝光、黄光、橙光、白光、紫光。按下一个颜色按钮，追光灯能够依次投射出紫光、白光、橙光、黄光、蓝光、绿光。直至达到蓝牙的极限通讯距离，记录数据，完成调试。

（作者单位：浙江工贸职业技术学院）