基于Holtek單片機(jī)的遙控探照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在舞臺(tái)上，有時(shí)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(dòng)時(shí)，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(shí)演員的位置又是固定的，這可能需要多臺(tái)探照燈透視照射一個(gè)固定位置(例如舞臺(tái)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(gè)頻道，需要時(shí)再直接調(diào)則會(huì)方便很多。

　　針對(duì)此應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一種支持頻道存儲(chǔ)的遙控探照燈系統(tǒng)來實(shí)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(duì)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?yàn)檎丈潼c(diǎn)的位置不定，要求探照燈可以上下左右360度自由移動(dòng)，所以本系統(tǒng)采用了兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)控制探照燈上下轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)控制探照燈左右轉(zhuǎn)動(dòng)，此外，有時(shí)兩臺(tái)探照燈離得很近。

　　當(dāng)控制某一臺(tái)探照燈時(shí)，不能影響鄰近的探照燈，這就要求遙控控制信號(hào)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(hào)，會(huì)使控制很不方便，因此信號(hào)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(duì)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(hào)時(shí)采用激光發(fā)送，而發(fā)送探照燈轉(zhuǎn)動(dòng)控制、亮度控制時(shí)等命令時(shí)采用紅外發(fā)送，在場景存儲(chǔ)及調(diào)出摸式的最后確認(rèn)(控制哪臺(tái)探照燈)時(shí)采用激光發(fā)送，從而實(shí)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(gè)段。

　　一 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1、總體結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)共包括5個(gè)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(hào)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(hào)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(dòng)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(diǎn)，在電源模塊中產(chǎn)生一個(gè)2倍工頻的信號(hào)，該信號(hào)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(chǔ)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(gè)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(shí)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(dòng)也沒有采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片，而是由通用I/O接口通過三極管來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　由于節(jié)省了許多專用模塊，因此必然會(huì)增加對(duì)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(jià)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(jì)的高性能8位單片機(jī)，該單片機(jī)的工作電壓在8MHz時(shí)為3.3V-5.5V，4MHz時(shí)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(shí)器和RTC時(shí)，3V下靜態(tài)電流小于1μA，此外，它還具有工業(yè)級(jí)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(chǔ)器ROM、160×8位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、6級(jí)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(shí)間只需要一個(gè)指令周期;

　　片內(nèi)有32個(gè)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(gè)外部中斷輸入和事件計(jì)數(shù)輸入。蜂鳴器驅(qū)動(dòng)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(shí)器;具有預(yù)分頻器及中斷功能的定時(shí)器;CPU在沒有任務(wù)時(shí)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(hào)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(hào)非常微弱須經(jīng)放大后才能被單片機(jī)識(shí)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(jí)運(yùn)放和R1、R2將光電池的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，C2和C5為高通濾波，第二級(jí)運(yùn)放和R3、R4將電壓放大成TTL電平。

　　4、燈控模塊

　　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(hào)通過Q2控制U1的通斷，當(dāng)U1導(dǎo)通時(shí)，Q1導(dǎo)通，當(dāng)U1關(guān)斷時(shí)，反相電壓使Q1截止，通過控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間可實(shí)現(xiàn)控制燈的亮度控制。

　　5、電機(jī)模塊

　　該系統(tǒng)有兩個(gè)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(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)Q4、Q5導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)Q3的通斷由Q1通過R1、R2分壓實(shí)現(xiàn)控制，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，R1兩端的壓降使Q3導(dǎo)通。

　　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(gè)電源(5V的單片機(jī)電源和12V的直流電機(jī)電源)和一個(gè)中斷源。中斷源用來產(chǎn)生兩倍工頻的中斷信號(hào)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(gè)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(shí)現(xiàn)輸出。

　　二 軟件設(shè)計(jì)

　　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(hào)、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(dòng)并檢測反饋信號(hào)，準(zhǔn)確定位探照燈位置，根據(jù)命令存儲(chǔ)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(duì)燈控I/O引腳的低電平進(jìn)行延時(shí)，以達(dá)到調(diào)節(jié)燈亮度的目的。

　　試驗(yàn)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(dòng)，以及某個(gè)頻道的存儲(chǔ)及調(diào)出等功能，并具有操作方便的優(yōu)點(diǎn)，已得到多家公司的認(rèn)可。