舞台灯光效果设计是舞台场景设计的重要组成部分。目前国内使用的各种新型灯光设备，如换色器、调光器、电脑灯等大多是从国外进口，国内几乎没有生产。为此，我们应国内某舞台灯不设备厂的要求设计了一种以at89c2051单片机为控制器的新型舞台灯光换色器hsq-1a。该换色器可变换8种色彩，换色精度高，工作可靠。使用时，舞台上所有的换色器和总控制台根据rs-485协议连成总线网络；总控制台作为主机通过总线发布命令，控制所有换色器的工作。以下介绍换色器的工作原理及设计方案。

     一、系统结构和工作原理换色器由一个中空的框架、两根卷轴以及各色透光薄膜组成。制作时，首先将不同颜色的透光膜连接成条幅，并在条幅的两端安上卷轴。然后用卷轴将条幅卷起，以活动的方式把卷轴安装在框架的两侧。使用时，把换色器放在白色光源前方，转动两根卷切换不同颜色的透光膜，从而产生不同颜色的灯光效果。这种不换光源只换透光膜的换色方案，与更换不同颜色光源的方案相比，虽然换色速度较慢，但成本低，可靠性高。因此，换色器在换色频度低的场合中应用很广。 在换色器的设计中，重点在于卷轴的驱动和定位机构的设计。过去，采用的交流电机和光电码盘实现方式，运行噪声大、定位精度差，在实际使用中效果不理想。现在，在新换色器中选用步进电机作为驱动和定位机构，彻底解决了以上问题。换色器工作时运行平稳、噪声小、定位精度高，完全达到了设计要求。

     总控制台与换色器之间的通信使用dmx512数据传输协议。dmx512协议是美国舞台灯光协会（usitt）于1990年发布的一种灯光控制器与灯具设备进行数据传输的标准。这包括电气特性、数据协议、数据格式等各方面的内容。dmx512电气特性与rs-485完全兼容，包括驱动器/接收器的选择、线路负载和多站配置等方面的要求都是一致的。dmx512数据协议规定使用250kbps的波特率。在进行正常数据传输之前，发送1个复位信号，声明数据传输的开始。随后的第1帧数据称为起始代码，其中包含设备类型码，以指明后续数据的接收设备的类型。最后，按设备编号的顺序给每个设备发送1帧数据，依次为：1#设备数据帧、2#设备数据帧，直至最后一个设备。设备总数最多可达512个，数据帧间隔为高电平，最长不超过1s。dmx512数据格式规定，1帧数据长度为11位。按传送顺序说明如下：第1位——起始位，低电平（space）；第2～9位——数据位，从最低位到最高位（lsb～msb），正逻辑；第10、11位——停止位，高电平（mark）；奇偶校验位——不传送。 二、硬件电路换色器硬件电路如图1所示：uln2003a是内含7个达林顿管的驱动芯片，输入电压与ttl电平兼容。每个上达林顿管的集电极可吸收最大500ma的电流，耐压30v，因此可以用来驱动四相步进电机。74ls125三态门用于控制电机的工作方式。电机正常工作时，74ls125处于导通状态，两个电机可以同方向、同步转动；电机复位时，三态门阻断，只有一个电机可以转动。max1487用于驱动/接收rs-485信号。其接收器的输入阻抗只有1/4个单位负载，最多可连接128个通信设备。另外，max1487的传输信号变化沿没有限制斜率，所以最高数据传输可达2.5mbps。三、x25045介绍在采用dmx512协议通信时，换色器的编号用于从总控制台发送的数据包中选择发给本设备的数据帧。正常工作时，编号数据不会掉电丢失，而且必要时编号还可修改。因此采用xicor公司的串行e2prom器件x25045对编号数据进行存储。x25045是带有串行e2prom的cpu监控器。图2是它的引脚图：cs/wdi：片选输入/看门狗复位输入；so：串行输出；wp：写保护输入；vss：地；vcc：电源；reset：复位输出；sck：同步时钟输入；si：串行输入。x25045的状态寄存器描述器件的当前状态，各位意义如表1所列。 表17 　6　　5　　　4　　3　　2　　　1　 　00 　0　　wd1 　wd0 　bl1　 bl0 　wel 　wip

     其中，wd1、wd0是看门狗定时时间设置位；bl1、bl0是存储单元写保护区设置位；wel是只读标志，1表明写使能开关打开；wip也是只读标志，1代表芯片内部正处于写周期。电复位时，各位都被清零。x25045芯片功能包括以下4种：（1）上电复位控制。在对x25045通电时，erset引脚输出有效的复位信号，并保持至少200ms，使cpu有效复位。（2）电源电压监控。当检测到电源电压低于内部门槛电压vtrip时，reset输出复位信号，直至电源电压高于vtrip并保持至少200ms，复位信号才被撤消。vtrip的出厂值根据芯片型号不同共有5个级别的电压范围。对于需要电源电压精确监控的应用，用户可以搭建编程电路，对芯片内vtrip电压进行微调。（3）看门狗定时器。芯片内部状态寄存器的wd1、wd0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指令wrsr修改这2个标志位，就能在3种定