基於單片機的智能燈光控制系統設計

① 如何用單片機實現舞台燈光的自動跟蹤

追光燈是運用舞台藝術中不可或缺的重要手段，達到突出重點、塑造人物形象、烘托環境氣氛的目的。而單片機降低演出成本，節省人力、物力，完善舞台燈光技術中追光的的功能和自動化的程度。

1、如下圖，利用攝像頭與主機的串口（USB）連接，系統運行專用驅動軟體後，屏幕上顯示出活動的視頻圖像。屏幕的下端建立一個VB應用軟體的界面，設置一些命令控制項和狀態控制項，將位置信息通過單片機處理部件傳送到電腦追光燈來控制光斑對准演員。下面就該方案的軟、硬體的設計作一介紹。

② 51 單片機的智能台燈設計要求

智控台燈，智能家居大肆興起後的衍生品，智控台燈可以講將信號接收線埋藏於垂直的燈臂中，無形而有力地將信號放大。黑白分明的利落氣質，簡潔至上的線條輪廓，讓這盞美觀實用的台燈可以出現在任意多變的場合。此外，既然擁有了WiFi延長的功能。於是吸取其WiFi控制的思路，賦予它智能化的操作，只要下載一個APP到手機，就能遠程式控制制家中的WiFi與燈光。
智控台燈[1]趨避無語相比獨立的小插件，選擇了將WiFi延長隱藏於必需品台燈中，有別於傳統WiFi延長器生硬突出的天線，凌亂的設計，不堪入目的擺放，而智能台燈將信號接收線埋藏於垂直的燈臂中，無形而有力地將信號放大。
定時開關燈、控制上網時長、開關台燈……一切在指掌中輕松搞定，即使外出度假依然無憂，讓人感嘆原來科技可以讓生活如此便捷。更貼心的是，燈底座側邊，還設置了USB直充插口，不用打開電腦，直接為各種設備充電，更方便了在床頭使用。所有的考量，只是為了更便利的使用，從以人為本的設計理念出發，讓家看起來更加美觀舒適。
糾錯
參考資料

③ 基於MCU控制的無極交流調光控制器設計

1 調光控制器設計

在日常生活中，我們常常需要對燈光的亮度進行調節。本調光控制器通過單片機控制雙向可控硅的導通來實現白熾燈(純阻負載)亮度的調整。雙向可控硅的特點是導通後即使觸發信號去掉，它仍將保持導通；當負載電流為零(交流電壓過零點)時，它會自動關斷。所以需要在交流電的每個半波期間都要送出觸發信號，觸發信號的送出時間就決定了燈泡的亮度。

調光的實現方式就是在過零點後一段時間才觸發雙向可控硅開關導通，這段時間越長，可控硅導通的時間越短，燈的亮度就越低；反之，燈就越亮。

這就要求要提取出交流電壓的過零點，並以此為基礎，確定觸發信號的送出時間，達到調光的目的。

1．1 硬體部分

本調光控制器的框圖如下：

控制部分：為了便於靈活設計，選擇可多次寫入的可編程器件，這里選用的是ATMEL的AT89C51單片機。

驅動部分：由於要驅動的是交流，所以可以用繼電器或光耦+可控硅(晶閘管SCR)來驅動。繼電器由於是機械動作，響應速度慢，不能滿足其需要。可控硅在電路中能夠實現交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，並且不象繼電器那樣控制時有火花產生，而且動作快、壽命長、可靠性高。所以這里選用的是可控硅。

負載部分：本電路只能控制白熾燈(純阻負載)的亮度。

1．2 軟體部分

要控制的對象是50Hz的正弦交流電，通過光耦取出其過零點的信號(同步信號)，將這個信號送至單片機的外中斷，單片機每接收到這個同步信號後啟動一個延時程序，延時的具體時間由按鍵來改變。當延時結束時，單片機產生觸發信號，通過它讓可控硅導通，電流經過可控硅流過白熾燈，使燈發光。延時越長，亮的時間就越短，燈的亮度越暗(並不會有閃爍的感覺，因為重復的頻率為100Hz，且人的視覺有暫留效應)。由於延時的長短是由按鍵決定的，所以實際上就是按鍵控制了光的強弱。

理論上講，延時時間應該可以是0～10ms內的任意值。在程序中，將一個周期均分成N等份，每次按鍵只需要去改變其等份數，在這里，N越大越好，但由於受到單片機本身的限制和基於實際必要性的考慮，只需要分成大約100份左右即可，實際採用的值是95。

可控硅的觸發脈沖寬度要根據具體的光耦結合示波器觀察而定，在本設計中取20 μs。程序中使用T1來控制這個時間。

對兩個調光按鍵的處理有兩種方式：一種是每次按鍵，無論時間的長短，都只調整一個台階(亮或暗)；另一種是隨按鍵時間的不同，調整方法不同：短按只調整一個台階，長按可以連續調整。如前面所述，由於本設計中的台階數為95(N=95)，如果使用前一種方式，操作太麻煩，所以用後者較為合理。

2 各單元電路及說明

2．1 交流電壓過零點信號提取

交流電壓過零點信號提取電路如圖2所示，圖中的同步信號就是我們需要的交流電壓過零點信號。各部分波形如圖3所示。

圖中整流後波形中的水平虛線表示光藕P52l輸入二極體的門限電壓。P521是TLP521的簡稱，下圖是其引腳圖。引腳圖中器件名的後綴「-1」表示包含一組光藕。

2. 2 主控單元

主控單元以AT89C51單片機為核心，交流電壓過零點信號提取電路中產生的同步信號SYN接到AT89C5l的INT0，此信號的下降沿將使AT89-C51產生中斷，以此為延時時間的起點。

三個按鍵只用於控制一路燈：一個為開關，另外兩個分別為提高亮度和降低亮度。

74HC573用於輸出控制可控硅的導通的觸發信號。

220V交流主電源導通區間、同步信號和觸發信號的時序關系如圖6所示。

圖中的陰影部分表示可控硅的導通區間，它的大小決定了燈的亮度。改變延時時間可改變觸發信號和同步信號的相位關系，也改變了可控硅的導通區間的大小，達到調光的目的。

2．3 驅動單元

圖中，L1_D是單片機輸出的觸發信號，該信號通過光控可控硅MOC3022去驅動可控硅T435。受控的白熾燈接在Ll和零線(圖中未畫出)之間。

MOC3022是DIP-6封裝的光控可控硅。其1、2腳分別為二極體的正、負極：4、6腳為輸出迴路的兩端；3、5腳不用連接。如圖8所示。

T435-400是可控硅，「4」表示主迴路電流是4A；「35」表示觸發端的最大電流是35mA，一般該端有最大電流的5％就可保證可靠地觸發。T435-400外型圖如圖9所示。

3 程序流程圖

4 結束語

本控制器使用了三個開關控制一路燈，主要是為了在教學過程中降低難度。也可改為一個開關控制一路燈，比如短按為開、關，第一次長按為降低亮度，連續的第二次長按為提高亮度等。電路不用改動，只需修改程序即可。

學生通過製作該調光控制器，可以掌握單片機、光藕和可控硅等方面的知識和使用技能，特別是後兩者，學生較少接觸。由於該調光控制器調光的效果比較好，對提高學生的學習興趣有很大幫助，教學效果良好。

④ 燈光移位控製程序(單片機程序）

摘要：介紹了單片機實現多路燈光自動控制系統的軟、硬體設計。
關鍵詞：單片機自動控制可控硅抗干擾

利用單片機豐富的軟硬體資源實現對各種廣告牌多路燈光自動控制，與傳統的電子線路控制器相比，具有可編程、體積小、控制靈活、操作方便、控制時間可變可調等優點。
我們為呼市郵政局設計並安裝了上述單片機多路燈光自動控制系統。下面就該系統的軟、硬體設計作介紹。

1系統結構及工作原理
系統整體結構如圖1。

圖1系統結構

8031單片機是該系統的核心部件，其主要功能：（1）燈光控制的軟體編程；（2）干擾信號的處理及復位；（3）光強及時間定時的檢測及控制。
單片機的控製程序通過對光強或時間的檢測，自動開啟（夜間）或關閉（白天）燈光系統，每1路燈光設備與8031內存控制位相對應，單片機通過P3.0(RXD)和P3.1(TXD)多功能口，利用串列通信方式0實現不同控制代碼的輸出，從而完成了多路燈光設備各種變化的自動循環顯示。

28031單片機控制系統功能分析
2．1光強或時間定時的檢測及控制
如圖2所示，當8031單片機P1.4的控制開關撥到＋5V時，系統的開啟或關閉由光強控制。這時，當光線較強時（白天），光耦二極體電阻變小，三極體Q1導通，P1.7為低電平；當光線暗時（夜間）光耦二極體變大，三極體Q1截止，P1.7為高電平。8031單片機控製程序每隔一定時間（約5ms）采樣P1.7端的狀態，然後根據其高低電平選擇開啟或關閉相應的燈光控制代碼發送。圖2中與光耦二極體並聯的可調電位器可以調整三極體Q1的截止導通狀態，從而實現對光控的微調。

圖2光耦電路

當P1.4撥至接地狀態時，8031單片機程序進入時間控制子程序，8031單片機把內部定時器0設置成日歷時鍾計數（其初值可以用按鈕設置），當程序查詢到表格內的開啟或關閉初值（表格的初值可通過按鈕及數碼管顯示來輸入或修改）與單片機時鍾當前值相同時，則自動發送相應的開啟或關閉輸出控制代碼。
2．2雙向可控硅控制電路
由於負載一般為大功率器件（電壓從幾百伏至上千伏，電流從幾安培至幾十安培），因此，8031單片機工作部分與可控硅觸發部分採用MOC3021雙向可控硅輸出型光電耦合器，圖3為1路可控硅觸發控制電路。

圖3可控硅觸發電路

可控硅TR的門極觸發電流為50mA，觸發電壓為2V，則最小觸發電壓為：
VT＝R1，IGT＋VGT＋VTM＝300×0.05＋2＋3＝20V
對應的最小控制角α為：

其中：IGT為可控硅TR的最小觸發電流，VGT為可控硅TR的最小觸發電壓，VTM為MOC3021輸出壓降(3V)，Vp為交流工作電壓的峰值。
在使用中發現，當感性負載時，有時會引起可控硅誤觸發。經分析發現，當感性負載時，由於電壓上升率dv/dt較大，在阻斷狀態下，可控硅的PN結相當於1個電容，當突然受到正向電壓、充電電流過門極PN結時，起到了觸發電流的作用，造成MOC3021的輸出迴路可控硅誤導通。為此，我們對上述電路進行了修正，如圖4所示。在輸出迴路中加入R2和C1組成RC迴路，降低dv/dt。按照MOC3021的技術指標，允許最大的電壓上升率dv/dt=10V/s，結溫上升時dυ/dt下降，在極端的工作條件下，dv/dt=0.8V/s。

圖4修改後的觸發電路


R2、R1之和與最小觸發電壓與可控硅門極電流的關系為：
C1取0.2μF。
同理，在TR輸出端加上RC濾波網路，從而使TR輸出電壓上升率下降。
2．3單片機工作迴路的干擾及解決措施
由圖1可知，光耦電路利用MOC4021將輸入弱信號與輸出強信號進行隔離，但在實際運行時，單片機系統仍有較強的干擾信號存在，常常出現死機或程序飛跑現象。分析認為，由於輸出的大電流及電壓均工作在開關狀態，輸出高次諧波通過電源迴路對8031單片機產生了較大的影響，因此，我們設計了電源濾波電路及硬體復位電路，對電路的干擾進行了有效的控制。其中，硬體復位電路如圖5所示。圖5中74LS123為雙路可再觸發單穩態多諧振盪器，通過外接阻容參數，可產生不同寬度的正負脈沖，其真值表如表1。

圖5復位電路

表174LS123真值表

輸入 輸出
deleteAB QQ
LXX LH
XHX LH
XXL LH
HL^
HIH
LH

由表1及圖5電路可知：由於1腳A接地，2腳B接8031單片機P1.0，正常運行時，循環程序不斷從P1.0發送代碼信號，使2腳不斷有上升沿出現，因此，13腳保持高電平，則5腳輸出低電平，保持8031RESET腳低電平的需要。當程序飛跑或死機時，2腳電位不再變化，使5腳產生一高電平脈沖，促使8031復位，重新啟動。
3系統結構特點及應用范圍
該系統軟硬體均採用模塊化結構，1塊控制板能控制16路輸出，輸出信號通過8031串列口RXD及TXD端經74LS164串入並出移位寄存器輸出，因此，軟體輸出代碼高達上千路信號，硬體控制板根據需要可以任意擴充，只要電源變壓功率相應增大即可。該系統可廣泛應用於霓紅燈，多路塑料管燈及多路色燈的控制。
另外，系統具有與微機串列口RS－232的通信介面，必要時可以與微機連接，這樣，多路燈光控制參數及時間控制參數在微機上可隨時修改，使控制變得更加靈活。

作者單位：呼和浩特內蒙古大學電子工程系（010021）

參考文獻

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3Xicor Inc.New Proct and Applications Information for Design engineers．EDN，1994;39(25):159～160