舞台布光系统毕业设计论文.docx
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舞台布光系统毕业设计论文
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摘要
随着广播电视事业的不断发展,灯光在演播厅的表现空间将会越来越大,电视节目的制作越来越多样化，对演播厅的功能及技术要求也越来越高，如何在有限的演播厅空间里,创造出满意的灯光布局效果,这是进行灯光工程设计时必须考虑的问题。
小型演播厅灯光系统工程设计应具有以下几个特点:
先进性、标准化、可靠性、实用性、经济性、安全性、扩展性。
舞台布光系统是演播设备的重要组成部分，它的作用是通过对垂直吊杆以及机械化灯具的多动作控制，利用聚光灯、柔光灯等设备进行大面积的灯光投射，制造满足要求的视觉效果。
吊杆是舞台机械的重要组成部分,同时也是舞台演艺设备中装备数量最多、使用最频繁的设备,其主要作用是在舞台上悬挂并提升道具、布景和灯具等。
它可以根据剧情的要求,来起落幕布和悬景挂灯,吊杆配合演出情节和音乐，从而实现艺术家的构思,达到更加逼真的艺术效果。
通过控制电路调节灯具的空间位置、方向角度和聚散程度,使演播厅整体灯光效果既满足节目录制对光照度的要求,又体现剧情气氛、丰富人物造型,从而凸显舞台艺术效果、提高电视节目的制作质量。
它的运行模式可以是单根吊杆匀速、调速运行,多根吊杆编组匀速运行、多根吊杆的编组变速运行等。
目前的吊杆控制系统对单根吊杆的控制研究已比较成熟,但在多根吊杆的同步控制上相对薄弱。
关键词：
舞台灯光吊杆，AVR单片机，485总线，HD7279
Abstract
412864液晶显示模块
4.112864液晶显示原理概述
4.212864引脚说明及控制实现
5NRF905无线收发模块
5.1NRF905无线收发概述
5.2NRF905无线收发模块具体应用
5.2protel绘制PCB板图
8源程序
随着广播电视事业的不断发展，人们对舞台灯光提出了更高的要求，现在的演播厅成了集电视节目制作，文艺演出，大型会场为一体的多功能厅，因此对灯光的控制也提出了更高的要求，同时也增加了布光，调光的难度。
演播厅灯光效果的变化，可以更好地烘托气氛，增添动人的色彩。
灯光效果不仅与灯的亮度有关，还与灯的方向，空间位置以及聚散焦距有关，而灯的方向，角度，空间位置，聚散焦距由布光控制系统来完成。
布光控制系统是指对吊杆角度，方位的控制，从而达到对灯光的方向，角度，空间位置控制。
计算机及相关技术的飞速发展使计算机控制在工业中的应用日渐广泛,舞台机械领域也不例外。
随着用户对舞台设备使用功能以及安全性等方面的要求提高,在舞台机械控制中相应采用了一些先进的控制技术、计算机软硬件、图形显示技术、局域网络技术以及通信技术等。
由于其涉及面较广,全部硬、软件不可能出自一家公司,再加上每个用户的要求也不一样,面对这种情况,目前国际上逐渐流行的方式是硬件部分采用通用硬件,软件部分则采用开放的组态软件。
这样做的优点在于通用硬件开放性好,通用性强,产品的成本和价格可以控制得较低,且便于维护扩充;组态软件则是一种控制系统开发工具,用户只要根据应用对象和控制任务的要求,利用组态软件提供的工具,通过简单形象的组态工作,就可以得到所需要的软件，组态软件正在代替各种计算机语言的软件开发。
这种搭积木方式的系统构成方法使得控制软件的编制变得相当轻松明了,开发的周期和成本大大降低;。
演播厅的空间面积一般都比较大，省、市级电视演播厅平面面积为600---1500平方米，空间高度为10---15米，在离演播厅天花板约3---4米处有一个金属网制成的设备层，主要放置提升灯光吊杆的提升机（功率约1.5千瓦）和其它的控制设备，演播厅不同区域（如舞台区域，观众区域，嘉宾区域等）需要不同的灯光效果，所需灯的种类为聚光灯，柔光灯，三动作机械灯等。
功率的大小各不相同，并且等的排列疏密度也有差异。
为了满足各种节目制作所需要的灯光效果，事先按照各种区域将灯分布排列好，每个灯挂在专门制作的灯杆上，根据灯杆所在演播厅的区域不同，每个灯杆所挂灯的数量也各不相同，一般为4---8个灯，由于灯的种类不同，所使用的灯具也各不相同，有的灯具方向是不可测的，仅可以随着灯杆升降做上下运动，而有的三动作机械化灯具不仅可随着灯杆的移动上升、下降，还具有上仰，下俯，左旋、右旋、聚焦、散焦等调节功能。
因而，布光的任务就是根据制作节目的不同，布光师经过反复调节将所使用的每个灯的方向角度在空间达到最佳位置，并将聚散焦情况，调节到最佳状态，再通过调光师对灯光强度的调节，使灯光烘托出舞台气氛，以提高节目的制作质量。
1.2.1、舞台灯光吊杆控制的现状
舞台灯光吊杆的布光技术发展大致经过了以下三个阶段：
①零阶段
大约在60～70年代，我国的电视事业刚刚兴起，电视节目比较单一，主要以新闻节目为主，电视演播厅还比较简陋，且面积小，使用的灯也少。
制作新闻节目时只要将灯光对准播音员即可，演播厅的灯具几乎是多少年一贯制从未改变。
②手动阶段
到了70～80年代，由于电视事业的发展，电视节目日益丰富，增加了歌舞、戏剧、小品等文艺节目，为了保证文艺节目的制作质量，出现了全手动方式的布光。
即在节目制作之前，布光师根据节目的需要，将灯杆降下来，用手将灯的方向旋转到一定的位置，如果灯的方向不合适，还要将灯杆再次降下来，再用手将灯的方向进行旋转，这样要反反复复进行多次，才能调好一个灯，因此要制作一台大型节目，要花费2～3个布光师几天的时间才能将灯光布好。
由此可见，这种手动布光方式存在着费工、费时等缺点，且布光效果也很难保证，还容易出现人身伤害事故。
③电控阶段
80年代以后，随着科学技术的发展和机械化灯具的出现，布光技术进入到了电控阶段。
这种布光方式在手动方式的基础上有了很大进步，布光师要对某个灯进行调节，不需要将这个灯降下来，只要按相应的控制键，经过控制线路和执行机构就可对灯进行俯、仰、左旋、右旋、聚焦、散焦控制。
因此电控布光不仅省时、省力，提高布光效率，也提高了布光效果。
以往的电控布光系统的核心控制器件广泛采用的是单片机，现在也出现了使用响应速度更快、可靠性更高的单片机或者PLC（可编程控制器）作为布光控制系统的核心控制器件。
随着控制技术、微电子技术的不断发展，布光控制系统将朝着数字化、自动化、智能化的方向发展。
①数字化
在布光控制系统中，并不是所有的控制量都是数字量、开关量，有些用于监控的物理量（如光源亮度、电压、电流等）均为模拟量，数字化就是将这些物理量和开关量用二进制表示出来，数字量可以存储、转换、再现和处理，这是使用模拟量无法达到的，数字化技术也是未来布光控制系统向着自动化和智能化发展的前提和基础。
2自动化
目前先进的演播厅布光控制技术是电控技术，在制作不同的节目时，还需要布光师逐个选择灯号、对灯逐个进行调节。
随着布光技术的发展和成熟以及高性能计算机的采用，通过编程将布光师的经验事先建立一个数据库，在布光时，就可根据所制作节目的类型调用数据库中的参数，就可自动生成所需要的布光效果。
布光数据库也可通过计算机的记忆来建立，即计算机将布光师每场节目制作时所用灯的类型、灯的个数、每个灯的方位及聚散焦情况等数据保存起来，在遇到类似节目制作时就可直接调用。
这样就更加发展了自动布光。
③智能化
智能化的布光控制系统借助各类传感器件来收集有关信息，建立数学模型和数据库，并运用各种先进算法（如自学习、神经元网络、专家系统等）进行数据处理，使系统具备智能和适应环境的能力。
质量较高的节目，需要两到三个布光师花费几天的时间才能完成
照明灯具的悬吊方式
演播厅的灯光照明设备与器材均悬吊在天顶上的格子框架上，一般采用照明灯具从顶棚网格吊下的方式，悬吊方式有以下三种：
①导轨方式
此种悬吊方式适用于小型演播厅，因为其顶棚高度低，在网格上设置基本导轨（固定），再装上与它交叉的可移导轨，在此可移导轨上悬挂照明灯具。
②下吊方式
这是在网格管子的位置上设置导轨。
在导轨上配备许多可移动的手动或电动升降机，在角钢或圆钢金属结构的前端，吊挂照明灯具。
③吊杆方式
照明吊杆从网格上用几根钢丝吊下来，它的升降是靠电动升降机进行驱动，全部演播厅均匀布置，特别注意设置上、下限行程开关、安全开关等装置，用按钮开关进行操作。
1.2.2、问题的提出
然而，到目前为止，国内各大、中型演播厅的灯光控制系统的现状为：
国内各大、中型演播厅采用的设备基本上是八十年代的产品，由于设备没有得到及时的更新和技术落后等原因，使得系统设备体积大、接线复杂、可靠性差、维护工作量大，特别是系统在使用过程中经常出现故障，大大降低了演播厅的利用率。
例如，一般的八百平米以上的大中型演播厅内装设的布光控制系统，系统基本上有几千个继电器、接线端子和各种控制线路板，系统庞大复杂，占地面积大、难以维护。
在电视台需要制作大型节目时，要对整个系统进行彻底维修，这不仅造成资金和人员的浪费，而且还大大降低了演播厅的利用率。
而中小型电视台的布光控制系统也存在着同样的问题。
尤其是省级以下的电视台，只是在灯具的上、下控制实现了机械化，而空间各方位的调节，还是人工手动方式。
因此，布光效率并没有提高，制作一台质量较高的节目，需要两到三个布光师花费几天的时间才能完成
近年来，虽然一些科研机构和工程单位对数字布光控制系统进行了一定的研究和开发，但由于缺乏深入细致的考察和研究，所开发出来的系统仍难以满足布光控制的要求。
主要表现在以下几个方面：
①布光效率低
由于设备和技术上的落后，以及机械化水平的低下和自动化水平的限制，使得布光工作费时、费力，布光效率很低。
②可靠性差
已有的布光控制系统，都是采用89c51单片机来开发的，系统运行不稳定，串号、串动作问题较难解决，死机现象时有发生，故系统故障率高，维护工作量大。
③控制复杂，响应速度慢
已有的布光控制系统，控制理念基本上都是先选择灯具所处的灯杆号，再选择所要的灯具号，也就是说，工作人员要对某个灯具进行具体的操作时，必须先选通该灯所在的灯杆号，这样使得控制复杂，响应速度慢。
④人机界面差。
如③所述，由于落后的控制方式，使得操作过程为必须先输入灯杆号，再输入灯具号，再输入控制动作，灯号与灯杆号必须对应，这就要求操作人员熟记整个系统的控制对象的灯号与灯杆号的对应情况及分布情况，常常会出现错误操作。
控制面板上也由于按键过多而显得复杂、繁乱。
⑤传输线繁多，布线复杂
现有的布光控制系统，对信号传输线基本采用传统的一对一的物理布线方式。
又由于系统灯具数量多，动作多，因此造成信号传输线多，施工工作量极大；布线复杂，极易出现错误。
因此，完全有必要研制一种设备体积小、接线简单、人机界面好、可靠性高、便于操作和维护的先进的数字布光控制系统。
本设计采用AVR单片机控制，型号为ATMEGA16，主系统包括NRF905无线收发模块，HD7279键盘扫描模块，RS-485总线控制模块。
主系统可以通过无线收发模式管理各个分系统，也可以通过485总线管理各个分模块。
HD7279键盘扫描模块主要检测用户要发送的应用请求，然后主系统通过485总线或者NRF905无线收发模块来发送应用请求到各个分模块。
分模块主要是控制各个灯光吊杆，分模块也采用AVR单片机作为控制芯片，通过PWM脉冲控制灯光吊杆的前后，左右，上下移动。
分模块主要也是通过485总线或者NRF905模块来接收主模块的应用请求。
主要原理框图如下：
图1、主控制板模块
图2、分控制板模块
2、AVR单片机系统
2.1、AVR单片机概述
单片机就是用同一块集成电路去实现千千万万个不同的具体功能。
AVR单片机是Atmel在1997年由A先生和V先生共同研发的采用Harward结构的RISC单片机，AVR单片机吸收PIC及MCS51等系列单片机的优点，片上系统丰富，具有较高的性价比。
早期的单片机由于制作工艺以及设计水平不高，功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥的方案，即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。
以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施来提高单片机运行速度，但这种状态并未被彻底改观（例如MCS51以及其改进型）。
AVR单片机的推出彻底打破了这种废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机（CISC）追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。
当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。
AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。
提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。
故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。
AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。
内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，避免断电丢失。
片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序,并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。
AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大、可充分利用。
AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供URAT、I2C、SPI使用。
其中与8/16位定时器配合的具有多达10位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档次的定时时间。
AVR单片机独有的“以定时器/计数器（单）双向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法（即脉宽调制输出PWM）”更是令人耳目一新。
增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。
面向字节的高速硬件串行接口TWI、SPI。
TWI与I2C接口兼容，具备ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主/从机的收/发全部4种组合的多机通信。
SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。
AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位源（自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位），可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。
AVR单片机技术体现了单片机集多种器件（包括FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同/异步串行口、TWI、SPI、A/D模数转换器、定时器/计数器等）和多种功能（增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口……）于一身。
AVR具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位,这些特性正是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。
AVR最大特点
①哈佛结构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力；
②超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；
③快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；
④作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；
⑤片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；
⑥大部分AVR片上资源丰富：
带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，AnalogComparator，WDT等；
⑦大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序AVR单片机系列齐全,可适用于各种不同场合的要求。
2.2.ATMEGA16芯片简介
2.2.1、ATMEGA16性价比
ATMEGA16具有超高的性价比，内置资源丰富，功能强大，几乎涉及AVR芯片的所有功能，内部具有16KB的可编程FLASH，满足绝大多数的实际需求，支持JTAG仿真，特别适合AVR初学者和需要繁琐调试的低成本系统应用。
而且DIY或者购买JTAG很经济。
ATMEGA16的性能概况如下：
1先进的RISC结构的8位的AVR微处理器，
131条指令，大多数指令的执行时间为时钟单周期，工作于1MHZ时性能高达IMIPS，具有32个8位的通用寄存器，全静态操作，只需两个时钟周期的硬件乘法器。
2ATMEGA16存储器
16KB的系统可编程Flash,擦写寿命可达10000次，具有独立锁定位的可选Boot区，且可对锁定位进行编程，以实现用户程序的加密。
通过片上BOOT程序实现系统内编程，真正实现内部读写操作，1KB的片内SRAM..
3外设特点
具有两个独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器和捕获功能的16位定时器/计数器。
具有独立振荡器的实时计数器RTC,,具有4通道的PWM，具有8个单通道的10位模数转换。
可编程的串行USART接口，面向字节的两线串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器，引脚电平变化可引发中断以及唤醒MCU。
4特殊的微控制器特点
上电复位以及可编程的掉电检测，经过标定的片内RC振荡器，片内/外中断源5种休眠模式：
空闲模式，ADC噪声抑制模式，省电模式，掉电模式，STANDBY模式，ATMEGA16还具有支持扩展的片内调试功能，以及符合JTAG标准的边界扫描功能的JTAG接口，通过JTAG接口实现对FLASH，EEPROM熔丝位和锁定编程。
5接口及封装，工作电压
ATMEGA16具有32个可编程的I/O口，40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装和44引脚的MLF封装。
ATMEGA16L的工作电压为2.7---5.5V。
ATMEGA16工作电压为4.5—5.5V.。
6工作速度等级
ATMGEA16L:
适用频率范围0----8MHZ
ATMEGA16:
适用频率范围0----16MHZ
2.2.2ATMEGA16的引脚说明及最小系统
ATMEGA16L四十引脚封装图如下：
引脚说明如下：
VCC数字电路的电源
GND数字地
XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2反向振荡放大器的输出端。
XTAL1和XTAL2一般外接8MHZ的外部晶振，作为时钟输入端。
RESET复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位，持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
AVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AGND是模拟电源中的地。
AREFA/D的模拟基准输入引脚。
端口A介绍如下：
PA7ADC7（ADC输入通道7）
PA6ADC6（ADC输入通道6）
PA5ADC5（ADC输入通道5）
PA4ADC4（ADC输入通道4）
PA3ADC3（ADC输入通道3）
PA2ADC2（ADC输入通道2）
PA1ADC1（ADC输入通道1）
PA0ADC0（ADC输入通道0）
端口A（PA7~PA0）端口A可作为普通双向I/O口，也可做A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。
端口A作为模数转换时，作为模拟信号的输入端。
端口B介绍如下：
PB7SCK（SPI总线的串行时钟）
PB6MISO（SPI总线的主机输入/从机输出信号）
PB5MOSI（SPI总线的主机输出/从机输入信号）
PB4SS（SPI从机选择引脚）
PB3AIN1（模拟比较负输入）OC0（T/C0输出比较匹配输出）
PB2AIN0（模拟比较正输入）INT2（外部中断2输入）
PB1T1（T/C1外部计数器输入）
PB0T0（T/C0外部计数器输入）XCK（USART外部时钟输入/输出）
端口B（PB7..PB0）端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。
端口引脚第二功能
SCK：
SP
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