DMX512舞台灯光控制系统的设计

广东工业大学 赵宇皞

1 引言

舞台灯光是运用灯光设备和技术手段，通过灯光师的控制，以控制光色和光强等变化来渲染舞台气氛、塑造舞台特效，为演出带来更好观赏效果的舞台美术造型手段。

利用单片机作为舞台灯光灯头的控制芯片，可以实现对灯光的颜色、亮度进行控制。结合发光二极管节能环保的特点，可以用最小的功耗与成本，实现对舞台灯光的多功能控制，提供绚丽的舞台灯光效果。结合DMX512控制协议的使用，可以实现多灯同时控制，提供更佳的舞台灯光效果。

2 控制系统硬件设计

本次设计的舞台灯光控制系统的灯头部分采用STC15F2K60S2芯片作为中央微处理器。STC15系列单片机在MCS51内核基础上增加了大量的新功能，指令处理速度是传统的51内核单片机的8-12倍。除主控模块以外，本系统使用矩阵键盘作为按键模块，用LCD1602液晶显示屏作为显示模块，用MAX485芯片加上外部电路组成通信模块，用ULN2003芯片加上外部电源组成驱动控制模块。系统的接线框图如图1所示。按照这个系统设计灯组，只需要并联接入DMX512总线中，设置好灯号就可以实现多灯协同工作。

图1 系统接线框图

3 通信协议介绍

DMX512通信协议最先是由美国剧院技术协会发展成为从控制台用标准数字接口控制调光器的方式。DMX512是围绕工业标准EIA-485接口设计的。

DMX512协议是一个基于8位的异步串行协议，它传输的一帧的数据由1各起始位0、8个数据位和2个结束位1组成，具体形式如图2所示。DMX512协议要求接收端的接收波特率为250kbps。

4 系统程序设计

本次设计的舞台灯光控制系统的灯头部分采用STC15F2K60S2单片机作为控制模块，实现从控制设备接收信号，然后控制大功率LED灯的功能，系统的主程序流程如图3所示。

图2 一帧数据示意图

图3 系统主程序流程图

图4 接收程序运行流程图

4.1 信号接收程序设计

由于舞台灯光不只有一盏灯，每盏灯都有它对应的编号，而且每盏灯对应不同信道的控制信号，因此每盏灯只需根据自己的编号选择性地接收数据。当灯组监测到自身编号对应的信号，单片机开始接收数据并放入RAM中。单片机的接收程序的流程如图4所示。

4.2 LED灯控制程序设计

灯光颜色控制是通过控制每个颜色的灯的亮度来实现。为了实现对LED灯亮度实时控制，本系统使用一种简单的方法，让各色的LED灯可以将亮度等级分为256个等级，其中0是最暗的状态，255是最亮的。

本系统设计了一个不需要使用定时器调节脉宽的方法。以红灯为例，先将红灯亮度的设定值记为“R_SET”，然后将红灯点亮时间的累加值记为“R_DATA”。在程序中进行判断，如果R_DATA小于R_SET时，单片机将红灯点亮，同时R_DATA加1。此外用于记录运行次数的寄存器的数值增加1；反之红灯关闭，寄存器继续加1。整个过程持续到寄存器数值为255时停止。此过程中，红灯可实现256个级别的亮度调节。蓝色与绿色LED等的亮度控制原理与红灯的相同。

5 结束语

本次设计的舞台灯光控制系统以STC单片机作为主控芯片，设计了大功率LED驱动电路，实现了单片机控制9个1W的LED灯，实现了红绿蓝三色LED灯珠按不同比例混色搭配，构造出多种不同色彩的灯光。除此之外，本次设计的控制系统还支持以DMX512协议为基础的多灯组协同工作，为舞台灯光提供了更多不同的组合，可以给观众带来更好、更丰富的视觉效果。