基于开源硬件Arduino及DMX协议的智能调光调色系统的研究

艾炎，范春春（广州涉外经济职业技术学院，广东广州　510000）



基于开源硬件Arduino及DMX协议的智能调光调色系统的研究

艾炎，范春春
（广州涉外经济职业技术学院，广东广州510000）

摘要：文章主要以美国USITT（美国剧院技术协会）的数字控制调光器的DMX512协议为基础，采用国际著名的开源硬件ARDUINO UNO为控制器来构建一个廉价使用的开源智能民用调光器。具有支持国际所有符合DMX协议的智能灯光控台，并且还具有简单可靠以及灵活性。适用于各种场合，如舞台、工程照明、家居照明。

关键词：开源硬件；DMX协议；智能调光

本研究项目包括控制电路、LED灯的驱动电路、LED灯板、软件的设计。其中控制系统主要包括MCU电路、显示电路、按键选择电路及通讯电路，包括信号的接收与发送、LED灯的驱动电路主要包括驱动及PWM（脉冲调制）、灯板就是灯珠的排列、一般根据透镜的孔位做灯珠的排列。软件的设计主要是基于Processing开发，兼容DMX512协议。

1　系统总体介绍

整个控制系统包含一个2.5 24 VDC电源和自定义hand-wired Arduino控制板。功能包括：一个按键和电位器做成的旋钮的独特的操作方式；5通道DMX模式操作：模式选择通道、红绿蓝三个颜色通道、亮度调节通道；4位7段数码管复用显示DMX通道或当前灯具运行的程序；除了DMX模式外还加入了4个程序：人工混色、散光灯、顺序消退、随机褪色；EEPM存储DMX地址和程序。

2　系统框架介绍

整体系统包括的供电电源部分、主要中央控制部分、RS485通讯模块、灯珠及驱动模块、电脑通讯模块。其中供电模块主要是最为整个系统的主供电模块，提供25V、2.4A直流电压。

中央控制部分，主要负责所有数据接收及发送，包括接收按键及旋钮的信号、各种灯光控制台信号的接收与解码。RS485通讯模块主要起到通讯的作用，采用RS485极大的简化了灯具连接问题。并且容错率非常好。灯珠驱动模块，主要是为LED灯珠提供恒定的电流，并且提供PWM控制支持，灯珠驱动模块起到了至关重要的作用，PWM支持精度的好坏，直接影响调光精度的控制，极大地影响灯光效果的好坏。

3　框架模块

（1）中央控制模块。中央控制系统由一块廉价的Atmega-168组成，主要负责数据的接受及协议的解码，为LED驱动电路提供脉冲信号，如图1所示是中央控制的单片机最小系统，系统中包括一个外置的晶振及复位电路，图2为系统显示电路。

图1　中央控制模块控制器最小系统

图2　中央控制系统显示电路

（2）RS485通讯模块。TIA485-A，也被称为ANSI/TIA/ EIA-485，TIA/EIA-485，EIA-485或RS-485，是一个标准的电特性定义驱动和接收器使用数字平衡多点系统。

在本系统中主要采用了TI公司专门为总线式双向数据通讯、多点设计的单片集成电路SN75176，该芯片能满足EIA-RS422A标准，由于芯片接受信号的检测灵敏度为正负200mV，如果A、B端电位差的绝对值小于这个数字时，则会出现信号不稳定的情况，所以为了解决这个问题，采用人为的办法在A、B输出端嫁接上上拉、下拉电阻使A高于B电位，这样RXD的电平在芯片不发送数据的时候始终呈现出高电平，就不会出现乱码的情况了。通讯电路的示意图如图3所示。

图3　SN75176电路

图4　SQ9910应用电路

（3）灯珠驱动模块。在文章中选用了高亮度驱动芯片SQ9910，该芯片具有高效率、宽电压，驱动能力最高达到1A或者几百颗LED灯串，并且内置PWM低频调光和EN使能，过温保护等优点。SQ9910的应用电路如图4所示。

SQ9910是一款低功耗的降压行驱动芯片，输入电压可以直流电压从8V到450V，能适应全球交直流电压范围。SQ9910是恒流驱动，能启动和控制数以百计的大功率LED或者更多的灯串，恒流驱动更能有效地控制灯珠的亮度和光谱，并延长他们的使用寿命。在SQ9910中有一个ENABLE脚（PWM-D）就是我们需要使用的脉冲调光，不同的占空比来改变LED亮度的变化。

本项目在研发与设计的过程中各个模块形成的框架，主要为硬件方面，包括了必不可少的控制模块、通讯模块、灯板驱动模块。通过良好的硬件设计，搭建了一个完整的系统，为软件设计完成项目奠定了基础，硬件是主要的构成者，起到了系统通讯及驱动作用，文章采用经过修改过的ARDUINO系统，其实就是一个AVR来搭建这个控制中心，主要起到了中控的作用，TI的SN75176来做RS-485通讯，为DMX512协议的传输提供了硬件链路、驱动模块，采用了大电流驱动IC SQ9910作为恒流驱动IC，做到了大电流、稳定的驱动作用。在智能照明中，每个环节都决定了控制的精度，包括灯光调光调色的精度，在大功率中，细微的误差都会导致巨大差别，导致控制不准确，所以每一个环节的设计都必须是精确的。

参考文献

［1］杜江涛，王爱英.国内外建筑天然光研究的新方法［J］.灯与照明，2002，（4）：37-38.

［2］孔晶晶.基于Processing的互动媒体设计研究［D］.无锡：江南大学，2009.

［3］鲁刚强.基于单片机PWM信号控制LED的软件实现方法［J］.电子世界，2012，（9）：46-47.

Intelligent Dimming Color Mixing System Research Based on the Open Source Arduino Hardware and DMX Agreement

AI Yan，FAN Chun-chun
（Guangzhou Foreign Economic Vocational and Technical College，Guangzhou，Guangdong 510000，China）

Abstract:Based on DMX512Protocol of digital control dimmer of the USITT，this article uses the famous open source hardware ARDUINO UNO as controller to build a cheap open source intelligence civil dimmers.It has intelligent lighting controller which supportsall international DMX Protocol，it is simple，reliable and flexible，and is suitable for various occasions，such as stage，engineering lighting and homelighting.

Key words:open source hardware；DMX agreement；Intelligent dimmer

中图分类号：TM923.4

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）05-0076-02

收稿日期：2016-04-11

作者简介：艾炎（1988-），男，湖南常德人，硕士，主要研究方向：物联网专业。