舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现毕业论文 - 图文

舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现

第1章绪论

1.1 舞台灯光云台的研究课题背景与意义

随着技术的不断进步，计算机控制灯光系统的优势已影响到艺术的各个层面。舞台灯光是戏剧演出不可分割的一个组成部分，舞台灯光的发展，是随着戏剧艺术的发展、剧场建筑和科学技术的发展而不断发展的。

近年来，随着与舞台灯光有关的电子技术、光学技术、自动化技术及新型材料、新工艺等方面的发展，也直接推进了舞台灯光技术的发展。主要表现在两个方面：一是为多样化演出的自由多变空间创造了各种灵活多变的照明条件；二是在加强光的可控与可塑性方面，努力向自动化、网络化等方面发展。自从卤钨灯出现后，舞台常用的照明灯具90%被卤钨光源所代替，这使得剧场最基本的照明灯种类无论在光效、显色、寿命、体积等方面都得到了显著改善。

随着科技的发展，各种高光效、长寿命的气体放电灯不断问世，并很快运用于舞台灯光照明。同时舞台照明灯具在光源革新和新光学、新材料、新工艺的综合设计中，不仅提高了光效，缩小了灯体，减轻了重量，增加了品种，更重要的是灯具的控制性能大大提高。如目前出现的高强度的各种灯具，有的甚至达到百米以外射距，还出现了运用高科技电脑控制的电脑灯。这些智能化灯具可以快速换色，选择图案、调光以及灯体或平面反光镜的自由转动而改变射角等多种功能。

在调光方面，可控硅调光器的出现替代了长期使用的电阻器（节光器）变压器。舞台调光由直接控制强电而转向由弱电控制强电。随着演出多样化的要求，调光设备的控制形式也变得多种多样，特别是计算机引进舞台灯光控制系统，它不仅在安全可靠、快速多样、操作简化、存储量大等方面给管理人员带来很大的方便，更重要的是最大限度地满足了艺术照明的要求。

1.2 舞台灯光的历史发展概况

1.2.1 国外历史发展概况

16世纪欧洲如在室外夜间演出，则用浸过树脂的绳子制成篝灯作为光源。15～16世纪间，意大利布景师进行了色光照明的试验。17世纪初意大利人在演出中做过控制灯光骤暗的各种试验。而法国古典主义演出中也做过如何表现一昼夜时间变化的尝试。18世纪以来，演出时熄灭观众席场灯、只留舞台灯光，已形成惯例。1755年德累斯顿剧院演出歌剧《耶奥》时，舞台上点燃蜡烛达8000枝之多。19世纪以来，光源变化迅速。1808年伦敦兰心剧场首先用上了煤气灯。因为煤气灯可以利用管道统一控制并可有明暗变化从而得以推广。英国人H.德拉蒙特发明了石灰灯，在舞台上能产生类似日光或月光的光色。1870年英

1

无锡太湖学院学士学位论文

国使用了石灰灯作为追光，后又以油漆涂在石灰灯的玻璃罩上获得色光效应。1846年巴黎歌剧院第一次使用电弧光源，后又利用电弧光制作出彩色丝绸滤光片并创造了用5个连续的灯光变化来表现从日落至日出全过程的舞台形象。20世纪初，钨丝灯泡问世后，为舞台提供了发光集中的聚光灯，并为表现舞台空间、创造舞台气氛提供了有利条件。调光器的发明，灯光系统的统一管理以及滤色片的使用，都加强了舞台灯光的表现力。1920年意大利人M.佛尔吐尼设计了一种柔光光线反射系统，利用从丝织品上反射出来的电弧光源来摹拟自然界的光色表现天空的幻觉。

据文字记载，1102年后，中国北宋的汴梁，每逢元宵节都演出“百戏”，看台楼下用坊木垒成舞台，台两旁的垛楼上各挂灯球一枚，大有丈余，内燃椽烛，这是中国人造光源之始。

1.2.1 国内历史发展概况

中国宋代以后，舞台上就曾使用过人工照明，清代张岱的《陶庵梦忆》有文字记载，彩灯也始于宋代。刘辉吉在演出《唐明皇游月宫》时就使用过灯光变化。清代后期，宫中和民间都在演出“灯彩戏”。光绪十年(1884)慈禧寿诞时，一次演出就用去蜡烛448枝，而民间演出的《牛郎织女》也用了许多喜鹊灯。辛亥革命后，中国剧场一般使用汽灯或电灯照明。从1933年上海上演《怒吼吧，中国！》时起，中国舞台上开始建立了舞台聚光投射系统。1954年后，先后建成了一些符合国际标准的剧场，引进并建立了中国自己的舞台灯光系列，发展了中国独特的幻灯表现艺术。

1.3设计任务

1.3.1 任务研究的主要内容

利用2路步进电机与PLC结合，利用BCD码盘参数，选择工作状态和组合方式，改变步进电机速度和方向，对灯头任意旋转，达到灯光投射方向的变幻目的。熟悉步进电机的工作原理和驱动方式；掌握光电传感器、接近开关的工作原理与选型和Protel绘图软件的使用。

1.3.2 任务分析

根据本次毕业设计的课题和设计的主要任务，我们可以知道，要设计的系统的主要功能就是基于PLC控制舞台灯实现3600的摇头功能，再通过BCD码盘控制不同的状态。 因此，要选择步进电机和驱动器、BCD码盘等，要掌握步进电机的工作原理和驱动方式。给出系统组成结构，设计系统电气原理图， PLC编程指令和通信协议，用Protel绘制电子板的系统原理图。在设计时，给予充分的思考和周密的设计布置。最终完成设计论文。

2

舞台灯光云台的PLC姿态控制与实现

第2章设计方案

2.1 工作原理与方案选择

舞台灯光控制系统的要求后，我们开始时制定了三个方案： ① 利用工控机实现； ② 利用单片机实现； ③ 利用PLC控制；

首先，若使用工控机，它具有功能强、可靠性好的优点。工控机的运算功能比较强，稳定性也很强，它对环境的要求比较低，在完成某些具体的功能时，都有现成的模块能够使用。但由于它价格贵，用户承受有困难，并且在这个系统中有点大材小用，所以把它否定了。

单片机是一种集成电路芯片，单片机系统一般是根据具体的控制要求，通过专业人员设计，以印刷电路板（PCB）为基础，将单片机和其它芯片、器件等组合在一起，设计并固化相应的软件，最终构成的控制系统。再有单片机运算功能不强，也没有那么多的功能模块可提供使用，所以把它否定了。

PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的基本结构包括：电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。所以PLC功能完善、使用方便、抗干扰能力和可靠性能力都强。故选用PLC控制。

2.2 舞台灯摇头分析

舞台灯机械结构如图2-2所示。

图2-2-1 摇头灯的机械结构示意图

在底座的Z 轴电机驱动灯架在水平方向转动,安装在灯架上的Y轴电机驱动灯体在垂直方向转动，这样通过恰当控制Z轴和Y 轴电机的位置、速度，灯光可以在一个半球面

3

无锡太湖学院学士学位论文

实现任意轨迹[1]。实物图如图2-2-2所示。

图2-2-2 舞台灯实物图

2.3系统硬件分析

2.3.1 系统硬件框图

由机械结构可知，通过三菱FX2n-32MT对2路步进电机进行控制，从而实现舞台摇头灯的各部分按照一定组合进行旋转运动，达到灯光投射方向的变幻目的。系统硬件框图如图2-3-1所示。

4