1、灯光控制系统故障检测及过电流保护wps1 引言. 1.1 灯光控制技术的发展.2 灯光控制系统中的技术标准. 2.1 RS-485接口标准. 2.2 通信系统及接口电路的设计. 2.3 信号的传输与设备的连接.3 灯光控制系统的分析与设计. 3.1 系统设计思想. 3.2 系统框图及功能. 3.3 只控制设备. 3.4 系统设计原理图.4 下位机与灯具检测模块软硬件设计. 4.1 系统组成及原理. 4.2 硬件设计. 4.3 灯位检测单元设计（过电流保护）4.4 浅谈各类过电流保护.5 主控板与从控板上的硬件设计. 5.1 单片机的选择. 5.2 AT89C52的功能特性. 5.3 主控板电路
2、原理图. 5.4 从控板电路原理图. 5.5 复位电路.6 实验方法 6.1 实验方法. 6.2 实验条件. 7 总结.参考文献.摘要：本文以灯光控制系统的设计为背景，详细介绍了灯光控制系统中的通信协议，硬件设备等的相关知识，整个系统包括了DMX512协议、RS232-通信、主控板与从控板的通信、步进电机等部分组成。1 引言1.1 灯光控制技术的发展 灯光控制技术的发展历程，大体可分为三个间断：原始控制间断，模拟控制技术间断，数字化技术控制间断。另外，随着网络化技术的不断成熟，灯光控制技术还将会迎来一场新的革命。在最初的原始控制技术时期，舞台灯光控制相当的麻烦。演出过程中，在舞台四周布满大大小
3、小的各式各样的手动控制开关，每一盏灯需要一个开关，并且还要敷设大量的灯线，其工作量是可想而知的。受控的灯具也只有亮灭两种状态，根本不了能调光，提供的纯粹是单纯的照明。我们可以想象，那时的灯光工作者只是忙于灯具的开和关，很难顾及到舞台的艺术效果。后来，随着技术的进步，将一些大功率的电位计，应用到灯光控制技术中，能够走到简单的调光，但与舞台艺术效果的需求还相差很远，要想完成大范围的艺术照明几乎是不可能的。在后来，自动化技术、电子技术和半导体技术的应用，把可控硅技术应用到调光器中，产生了硅箱，这标志着模拟调光技术时期的到来。这种技术是通过模拟调光台（实际上是一个个电位器推子）输出的0-10V的模拟信
4、号，控制可控硅的导通角来完成灯具调光功能的，它能够做到每一个灯具具有不同的亮度输出。时至今日，这种模拟调光方式还在一些小型演出活动中使用。可以说，模拟调光技术的应用为今天技术的飞速反战奠定了基础，也为当今电视舞台上丰富多彩的灯光艺术创作提供了可能。2 灯光控制系统中的技术标准2.1 RS-485接口标准RS-485用平衡差动的方式传输数据，抗干扰性强、速率高、传输距离远、能够实现多点传输，它允许同时连接32个驱动器和32个接收器，方便地组成一个小型的网络，在测控领域，应用很广泛。RS-485是一个电器接口规范，它规定了平衡驱动器和接收器的电器特性，而没有规定接插件传输电缆和通信协议 RS-48
5、5支持半双工或全双工模式网络拓补，一般采用中断匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。最好采用一条总线将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。RS-485最小型信号由两条信号电路线组成，每条连接电路必须要有接地参考点，电缆能支持32个发送/接受器对。为了避免地电流，每个设备一定要接地。电缆应包括连至每个设备电缆地的第3信号参考线。RS-485接口采用差分方式传输信号，并不需要相对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的点位差就可以了。但应该注意的是收发器只有在工模电压不超出一定范围（-7-12V）的条件下才能正常工作。当工模
6、电压超出此范围时，就会影响通信的可靠性甚至损坏接口。RS-485电器特性如表2-1所示。在总线负载及阻抗匹配符合技术要求的前提下，RS-485标准所能达到的理论最高传输速率为10Mbit/s，但是，在该速率下的有效传输距离只有10米。，RS-485总线的有效传输距离与数据传输速率相关。可以用下面经验公式表示。 108bit/sm有效传输距离（m）- 数据传输速率（bit/s）2.2 通信系统及接口电路设计2.2.1 通信系统设计 本系统采用的是一主从多的总线型连接方式，如图2-1所示。在总线的末端，加入了两个120欧姆的电阻，以实现通信线路的阻抗匹配，从而消除反射、吸收噪声。信号在传输线上传输
7、使，若总线阻抗不连续，就会出现反射现象，影响信号的有效传输。双绞线的特性阻抗在110欧姆-130欧姆之间，因此，选用120欧姆的电阻作为匹配电阻。2.2.2 接口电路的设计 接口电路的主要任务是利用RS-485收发器实现电器特性转换。RS-485的收发器种类很多，常用的有DS96176、MAX481、MAX483和MAX485。 本设计采用MAX483作为收发器，接口电路如图2-2所示。MAX483采用5V电压供电，电源电流为120150微A，在待机方式下的电流仅为0.1微A。最高数据传输速率为250kbit/s。MAX483采用半双工异步通信方式，用接受器能使信号和放松器能使信号DE来控制通
8、信状态的转换。RE为低，接收器工作，处于接受状态；RE为高，发送器工作，处于发送状态。本设计用单片机P1.0引脚同时控制RE和DE，当P1.0置高，发送信息，P1.0置低，接受信息。 上位机和下位机电路相同，在总线连接时，上位机的输出对应所有下位机的输入，下位机的输出对应上位机的输入。3 灯光控制系统的分析设计3.1 系统设计思想为了实现对于灯光系统的远程控制，为了对远程的灯光进行灯光进行实时的管理，对于现场的灯光需要进行实时调度，需要设计一个上位机的控制软件，一个下位机的简单主控设备，还有多个下位机的控制终端，它们之间可以相互通信，远程的灯光系统既可以在上位机设计好的程序控制下自己正常运行，
9、也可以再尚未机认为的控制下进行一些实时的调整。上位机与下位机的简单主控设备之间通过 RS-232 总线进行通信，简单主控设备与控制终端之间有多种通信方式可供选择，本文主要讨论两种，一种是以 485 总线直接进行通信，另一种是先通过一个光端机然后再通过光纤进行通信。下面将详细介绍系统功能及终端任务等。3.2 系统框图及功能由以上设计思想分析可得灯光控制系统由三部分组成，如图 4-1 方案 1 和 4-2 方案 2 系统组成框图所示(1) 计算机（软件控制） 负责进行总体的宏观协调控制下位机终端。(2) 简单主控制设备： 负责与上位软件进行通信，还负责控制下位机的控制终端。3) 控制终端： 负责对
10、被控设备进行控制，还有接受简单主控制设备发来的控制信号进行实时的控制调整。 图3-1 控制距离在1000M内，系统组成框图图3-2 控制距离超过1000M，系统组成狂3.3 主控制设备图4-3 主控制设备模块框图主控制设备等于上位机软件加简单主控制设备，主控制设备集成了计算机上的控制软件和简单主控制设备的所有功能，可以不要计算机，直接控制终端。3.4 系统设计原理图本系统设计的整个电路原理图如图 4-4 所示。整个电路又分为复位电路、主控板、从控板、步进电机、通信模块这几个部分。4 下位机与灯具检测模块软硬件设计4.1 系统组成及原理由不同的回路对不同种类作不同功能使用的灯进行控制。灯光的控制
11、主要由观察台和灯光站完成。从控制对象上来说，每一个回路分别由供电系统、恒流调光器、升压变压器、隔离变压器、灯具及电缆组成。不同回路的舞台灯，通过设在灯光站控制该回路的一个调光器来控制它们的开关灯和调光等级。 调光系统主要由调光器、单相变压器、隔离变压器和灯具几个部分组成。 所有控制系统的组成均可分成为三大部分:一是测量检测部分;二是控制器;三是执行部分。调光系统作为一个调整光强系统，也是由以上三部分组成。调光系统的检测功能是由串联在灯光回路中的电流互感器来完成的。控制器核心是一个单片微型计算机。 现在广泛应用的调光器是通过可控硅来实现电源电压的转换。调光器通过调可控硅触发角大小，改变调光器的输
12、出电压，进而改变串联回路电流，从而达到控制串联灯光回路中电流的目的。灯泡连接在隔离变压器的次级，使用隔离变压器是为了当线路中的某一灯具出现故障时，不影响其它灯具的正常工作。灯泡发光强度与回路中电流IH成正比。改变回路中电流Ih的大小就能调节灯泡的亮度。反之，当回路电流IH恒定时，灯泡亮度也将保持恒定。灯光回路电流IH与升压变压器初级端电压Va成正比例变化。调光器原理图如图4.1所示。 调光器调整灯光光强的原理可以从图中定性地分析。在微机中预先设定好给定的灯光光强对应的电信号，代表灯光光强等级的电信息经过脉冲调整电路去控制可控硅的导通角，由于可控硅导通角的变化，使变压器输出电压的大小也随之变化，
13、这里，可控硅起到了电信号功率放大作用。代表光强的电信号越大，变压器输出端输出的电压也越大，通过灯光回路的电流也就越大，灯泡就越亮，光强等级就高。当预先给定的灯光光强信号一定时，灯泡亮度就保持一定。微机中预先设定几个光强等级，灯光回路就能显示几个等级的光强。 当受外界干扰(例如电网电压的变化、温度漂移等)时，灯光回路电流在设定的信号不变时也会因干扰发生变化，使灯泡偏离给定的光强，这时，可以通过电流负反馈把灯光回路中电流的变化测量出来，分别送入微机系统中与预先设定好的灯光光强对应的电流信号进行比较，这时将会产生偏差信号，此偏差信号经过可控硅触发功率放大器后，促使灯光回路中电流恢复原来的状态，从而使
14、偏差逐渐减小直至为零。也就是说，反馈信号与预先设定的信号又相等了，输出的回路电流与要求的电流一致，从而灯泡发光的光强稳定在要求的光强等级上。 由以上分析可见，调光系统在规定的范围内，能任意调整灯泡的光强，也就是在给定的灯光强度等级下，系统具有恒流特性能保持灯泡发光的光强恒定。图2.2显示了系统中在某一灯光强度等级下的理想电压和电流的波形图。4.2 硬件设计 本系统需要完成的主要功能包括: 1.完成各灯位中灯泡正常、开路、短路、发暗的检测。 2，提供故障警示信息，显示各调光回路灯位分布图及其它相关信息。 3.存储故障灯位信息，并支持对故障灯位信息的查询、打印。同时还需存储工作操作记录等。 根据系
15、统需要完成的功能，可以确定灯光巡检监控系统主要由四部分组成，即主控计算机、上位机、下位机和灯位检测单元。 系统的工作过程如下: 1.主控计算机直接发命令给下位机，由上位机发布开灯、巡检命令或由灯光站工作人员在接到塔台的电话通知后，操作下位机发布开灯、巡检命令，命令发送给对应的下位机。 2下位机在接到上位机的命令后，向指定的调光器发送光级设定命令。调光器设定光级。 3.回路稳定后，灯位检测单元检测灯具状态，将检测结果利用电力线载波分时传送给下位机。 4.下位机将接收到的信息传送给上位机，上位机进行数据的处理、显示及存储。 5.主控计算机在必要时查看上位机中的灯位巡检信息。 下面对各个组成部分的功
16、能进行详细介绍。4.2.1主控计算机和上位机设计 主控计算机和上位机硬件都是山计算机组成。计算机硬件配置:奔腾4, CPU2.8G,512MB内存、RS485串口、SAMSUNG SyncMaster793DF显示器、RS485通信线。 每个主控计算机可以与多个上位机通信。 当在灯光站上位机计算机控制方式下，灯光站工作人员在接到主控室的开灯巡检命令后，上位机向下发布巡检命令，并显示、查询巡检结果;当在主控计算机控制方式下，由主控计算机直接控制上位机工作。灯光站还具有故障灯位信息查询打印的功能。4.2.2下位机设计 下位机由控制模块、A1D转换模块、RS485串口通信模块等组成。下位机所要完成的
17、功能有:与上位机的通信，即通过串口通信模块把从上位机发送的的巡检命令信号处理后，发送给调光器执行相应操作;与灯位检测单元通信，即接收灯位检测单元发送的灯位状态消息;将灯位检测结果传送给上位机。 下位机的控制模块是AT89S52单片机及其外围驱动电路组成。顾名思义完成下位机制功能。AT89S52单片机是低功耗，高性能，采用COMS工艺的8位单片机。其片内具有8KB的可在线编程Flash存储器。该单片机采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容;片内的Flash存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储器编程器;通用的8位CPU与在线可
18、编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活;具有较高的性价比，使其在嵌入式控制系统中有广泛的应用。鉴于以上优点，下位机和灯位检测单元的控制系统的硬件设计上选用了AT89S52作为控制器。 A/D转换模块选用的是ADC574A, ADC574A是应用较广的12位逐次逼近式模数转换器芯片，可以直接与8位、12位、16位总线的处理器相连。主要的参数转换时间25微秒，分辨率12位，输入电压(双极性)-5V+5V或-10V+10V。 RS485串口通信模块由电平转换芯片MAX485及其驱动电路组成。RS485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰
19、能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输，用户在开发一般的单片机应用系统时，利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总线驱动器如MAX485等组合成简单的RS485通信网络。RS485的数据最高传输速率为10Mbps;抗噪声干扰好;最大传输距离实际上可达3km; RS485接口在总线上是允许连接多达128个收发器等特点。 每一个上位机与多个下位机通信。每一个下位机与一个调光器对应，由调光器负责控制一个回路中的一组灯位检测单元，与上位机的通信利用RS-485总线通过串口通信技术实现，而与灯位检测单元的通信则利用工频通信技术实现。4.2.
20、3灯位检测单元设计 1.检测模块设计 灯位检测单元主要有控制模块、过零检测模块、可控硅驱动模块、调制及隔离变压器模块、进水检测模块等模块构成。如图2.4所示。下位机硬件设计下位机由AT89S52单片机模块、串口通信模块、A/D转换模块等组成，主要完成的功能信号的解调和数据处理之后上传给上位机。实现与上位机和故障定位器之间的数据传输功能。 灯位检测单元也是一个AT89S52型的单片机，放置在每一个隔离变压器桶内，与隔离变压器配套工作。灯位检测单元有两根输入线，两根输出线，其输入接隔离变压器的次级，输出接灯泡。灯位检测单元与灯泡是并联的，所以灯位检测单元故障不会影响灯泡的正常工作。 2.供电电路设
21、计 灯位检测单元的电源取自隔离变压器次级，跟随灯泡工作状态。电源串联在灯泡的两端，每当开灯以后就会自动建立工作电压。调光器对电压的调节是通过调整电源的交流380V电压导通角进行的，为获得高电压，要经过升压变压器。经过恒流源输出到负载。负载灯泡正常时，灯泡两端的电压有效值在15级光变化范围内约6V30V，对灯位功能的检测是通过检测灯位的电压实现的。 巡检单元供电要解决如下几个问题，供电变压器从隔离变压器原边回路取电(高压串联回路)或是从隔离变压器副边回路取电;供电单元是电压取电方式还是电流取电方式(同灯泡的关系是与灯泡并联还是串联)。此外电源电路拓扑选择，是选择线性稳压电源电路还是采用开关电源电
22、路实现稳压 (1)串联回路取电是指巡检电源供电变压器串联在高压串联回路(隔离变压器原边):由于该方法和灯泡供电回路不是一个回路，因而，当灯泡开路时仍可对灯进行检查。存在问题是供电变压器原边串在高压供电回路，巡检电源供电变压器原边一旦开路，原供电系统无法工作. (2)另一种取电方式是从隔离变压器副边回路取电。该方法可以避免因巡检单元故障影响到原供电系统。根据供电单元同灯泡的物理位置关系该方法亦有两种方式:即与灯泡串联取电还是并联取电。该方法必须解决灯开路时带来的功率转移和开路过压问题。 1)巡检电源供电变压器与灯泡并联取电如图2.5所示。此种方式实质上是电压取电方式。供电变压器与灯并联，灯泡不开
23、路时巡检电源可正常获得。灯泡开路时，因是恒流回路，如果功率全部由巡检单元承担，将很快损坏巡检单元。必须加入假负载回路。灯泡功率最大为150W，全部转移到假负载上，发热问题严重。此外灯泡短路时，巡检单元无法获得工作电源。 2)巡检电源供电变压器与灯泡串联取电如图2.6所示。该方法存在的问题是当灯泡开路时供电变压器无法构成通路，稳压电源不能获得。解决办法是接入开路切换回路。由于供电回路为恒流回路，当灯开路时，产生瞬时过压，过压判定电路将继电器闭合。巡检电源供电变压器仍可获得电源。同时巡检单元也可作出灯泡开路的检验判定.此种方式实际上是电流取电方式。电流取电方式是可行的。 (3)电源电路拓扑选择采用
24、开关电源稳压电路的电路如下图2.7所示: 开关电源的调整功率管以开关方式进行工作，其效率可以达到80%以上。开关损耗小。散热片、滤波电容的容量和体积大为减小。 采用串联取电方式LT1961SEPIC变换模块稳压电路具有开关频率高，开关功耗小，效率高，装置体积小的特点h t)。其稳压效果良好，完全满足巡检单元对供电电源的要求。3检测原理 主要包括灯泡开路检测、灯暗检测、开路检测等。下面分别各种功能检测的实现原理。(1)灯泡开路检测 当隔离变压器的初级流过一个相对稳定的干路电流时，次级有正常负载时也流过一个稳定的电流。而当灯泡开路时，则变压器次级的负载电阻等于无穷大，其电流也随之急剧减小，电压升高
25、。检测灯泡开路利用了该回路的这一特性，当次级电压升高到一定值时，采样电路电压即可判断出灯泡断芯。当隔离变压器的初级流过一个相对稳定的干路电流时，次级有正常负载时也流过一个稳定的电流。电流的大小，一方面取决于开灯光级，光级设置越低，电流越小。另一方面取决于负载，负载电阻越小，电流越大，但在灯泡的新与旧的变化中，电流大小的差别相对较小，而当灯泡开路时，则变压器次级的负载电阻等于无穷大，其电流也随之急剧减小。检测灯泡开路利用了该回路的这一特性，当次级电压升高到一定值时，采样电压电路即可判断出灯泡断芯。(2)灯暗检测 检查设备电压是否正常，用万用表交流电压220V、400V档或更高档，测量U、V、W三
26、相相电压是否是220V，低于200V不正常；检查镇流器性能是否降低；检查线路是否接地。灯暗检测就是灯电压的检测，灯电压的检测是对灯泡两端的电压进行采样，取灯泡两端的电压进行比例衰减，而后进行A/D转换，变为数字信号。当使用1:1的隔离变压器时，初级电流与次级电流相同。灯泡两端电压决定了灯泡的输出功率大小。灯泡两端电压作为判断灯暗的替代参数。灯暗有两种原因:一种是灯泡使用时间长而老化。老化所表现出的现象为电阻减小，电压降低;另一种是灯泡靠丝。靠丝后，相邻两圈被短路，电阻减小，两端的电压也减小，从而导致功率减小，灯泡发暗。（3）短路检测：焦糊味、冒烟、电流增大、检查接线有无焦痕，断路器有无损坏，各接头有无松动；测量U、V、W三相电压是否接地，如接地电压将降低，线路是否短路，用万用表 R 10 档或 R 100 档，将两表笔分别接在U、V
