基于Holtek单片机的遥控探照灯系统实现

在舞台上，有时为了营造某种特殊效果，需要关闭除探照灯以外的所有现场灯。探照灯必须照在演员身上。由于探照灯高高悬挂在天花板上，当演员移动时，依靠人工来完成探照灯方向调节非常不方便，而通过遥控调节则很方便，有时演员的位置又是固定的，这可能需要多台探照灯透视照射一个固定位置（例如舞台的中央）。如果探照灯能够将这些位置以及灯的亮度预存到某个频道，需要时再直接调则会方便很多。
针对此应用，本文设计了一种支持频道存储的遥控探照灯系统来实现上述功能。该系统还可应用在监狱、各种高空作业和旷野、海面等工作场所，对远距离巡查、追踪、搜索、拯救和作业施工进行全方位、多角度照明。
因为照射点的位置不定，要求探照灯可以上下左右360度自由移动，所以本系统采用了两个电机，一个控制探照灯上下转动，另一个控制探照灯左右转动，此外，有时两台探照灯离得很近。

当控制某一台探照灯时，不能影响邻近的探照灯，这就要求遥控控制信号的角度不能太大。相反，如果角度过小的话，探照灯又很难接收到信号，会使控制很不方便，因此信号的角度也不能太小，另一方面，为便于操作，探照灯的可控制距离应尽可能地远。
针对上述要求，本文采用了红外与激光通信相结合的方法，在发送探照灯预选信号时采用激光发送，而发送探照灯转动控制、亮度控制时等命令时采用红外发送，在场景存储及调出摸式的确认（控制哪台探照灯）时采用激光发送，从而实现准确，方便的调节，灯的亮度控制应尽可能采用微调来满足各种亮度的需求，因此，将灯的亮度从亮到熄灭划分为256个段。
硬件系统设计
1、总体结构
该系统共包括5个模块：CPU模块、电源模块、电机模块、灯控模块和通信模块。其中，通信模块又包括红外通信模块、激光通信模块和指示灯显示模块，总体硬件原理框图如图1所示。

红外接收模组接收红外信号后送入CPU进行分析，以确定命令的性质，遥控器发送的激光信号由光电池接收，经放大后送入CPU。由光电继续器、电机驱动及电机组成的闭环电路用来控制电机的位置，以控制探照灯的照射点，在电源模块中产生一个2倍工频的信号，该信号连接到CPU的中断脚，中断程序通过可控硅控制灯的亮度，EEPROM用来存储频道、探照灯位置和亮度，指示灯用来显示探照灯当前的状态。
2、CPU模块
处于成本的考虑，该系统的各个子功能模块须尽量减少硬件，并尽可能用软件代替硬件，所以该系统的红外通信模块、激光通信模块的解调都完全由软件实现，这就使得 CPU中无需这些专用模块，从而降低了成本，电机的驱动也没有采用专用的驱动芯片，而是由通用I/O接口通过三极管来驱动电机转动。
由于节省了许多专用模块，因此必然会增加对CPU通用I/O的需要，这就要求CPU中要有足够的通用I/O接口，此外，系统还必须能稳定可靠地工作，并具有较强的抗干扰能力。
基于以上原因，本方案选择了Holtek公司的低价位I/O型单片机HT48R50A-1，这是一款基于RISC结构、低功率、安全静态CMOS设计的高性能8位单片机，该单片机的工作电压在8MHz时为3.3V-5.5V，4MHz时为2.2V-5.5V，它的功率损耗低，在5V/4MHz条件下的典型值为2mA，不使用看门狗定时器和RTC时，3V下静态电流小于1μA，此外，它还具有工业级的工作温度（-40℃-85℃）。
HT48R59A-1器件的其他特性还包括：具有4096×14位程序存储器ROM、160×8位数据存储器RAM、6级堆栈；具有表格读取功能，支持直接和间接两种寻址模式；共有63条功能强大的指令。支持位操作，大多数指令执行时间只需要一个指令周期；
片内有32个具有上拉功能的双向输入输出接口，PA接口具有唤醒功能；有一个外部中断输入和事件计数输入。蜂鸣器驱动并支持PFD；内置晶体及电阻电容振荡电路，拥有看门狗定时器；具有预分频器及中断功能的定时器；CPU在没有任务时可以进入暂停模式以降低功耗，且具有低电位复位（LVR）特性。
3、通信模块
红外接收模组可以直接将接收到的红外信号变为TTL电平，激光接收模组则不同，由光电池接收到的激光信号非常微弱须经放大后才能被单片机识别。64页图2为放大电路，其中C1和L1构成低通滤波，级运放和R1、R2将光电池的电流信号转换为电压信号，C2和C5为高通滤波，第二级运放和R3、R4将电压放大成TTL电平。

4、灯控模块
硬件原理如图3所示，T1为滤波电感，Q1为可控硅，U1为光电隔离器，CPU信号通过Q2控制U1的通断，当U1导通时，Q1导通，当U1关断时，反相电压使Q1截止，通过控制可控硅的导通时间可实现控制灯的亮度控制。

5、电机模块
该系统有两个相同的直流电机模块。由通用I/O接口通过三极管控制转停（如图4）。当Q3、Q6导通时，电机正转；当Q4、Q5导通时，电机反转；当Q3的通断由Q1通过R1、R2分压实现控制，当Q1导通时，R1两端的压降使Q3导通。

6、电源模块
该系统由220V工频交流电供电，电源模块的功能是输出两个电源（5V的单片机电源和12V的直流电机电源）和一个中断源。中断源用来产生两倍工频的中断信号给单片机，从而调节探照灯的亮度，因此，该系统采用了一个220V转双12V变压器，并通过二极管、三端稳压器和校正电容实现输出。
软件设计
软件分两部分：主程序和中断程序，主程序的主要任务有：接收红外、激光信号、进行解调，判断遥控器所发的命令是什么，并执行该命令；控制电机转动并检测反馈信号，准确定位探照灯位置，根据命令存储或调出指定的频道；根据探照灯当前状态控制指示灯的亮灭。具体程序流程图如图5（详见本刊网站）所示，中断程序的主要任务是：对灯控I/O引脚的低电平进行延时，以达到调节灯亮度的目的。

试验结果表明，该系统性能稳定，可准确地完成灯控、转动，以及某个频道的存储及调出等功能，并具有操作方便的优点，已得到多家公司的认可。

  

参考文献:

[1]. HT48R50A-1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/HT48R50A-1_1091237.html.
[2]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.