飛碟型七彩LED景觀水霧機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 由于材料和技術(shù)的局限，目前國內(nèi)外人造霧系統(tǒng)的產(chǎn)霧量和水霧濃度均難以達(dá)到理想效果?；趯＠朲L200520036911.6水霧發(fā)生技術(shù)研制的飛碟型景觀水霧機(jī)，對水、氣、聲、光進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，環(huán)保節(jié)能，使水霧機(jī)的用途更加廣泛，除了用于景觀的美化之外，在除塵、灌溉、防靜電、調(diào)節(jié)小區(qū)氣候等方面都有重要的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 飛碟；七彩LED；景觀；水霧機(jī)；控制系統(tǒng)；控制算法

水霧機(jī)是一種把水變成霧的設(shè)備，具有增加濕度、凈化空氣、美化環(huán)境等功能。目前，國內(nèi)外市場人造霧系統(tǒng)由于受材料和技術(shù)局限，產(chǎn)霧量和水霧濃度均難以達(dá)到理想效果，一般較為稀薄，且一旦噴頭固定，霧形相應(yīng)固定[1]，若要改變霧的形狀或散射面，則需重新更換噴頭。
與之相比，單臺飛碟型水霧機(jī)所形成的水霧區(qū)散射直徑可達(dá)30 m~50 m，厚度可達(dá)0.5 m~2 m，霧量足，氣勢大，并且能根據(jù)不同的使用環(huán)境需求靈活調(diào)整出不同的霧狀景觀。單機(jī)產(chǎn)霧量相當(dāng)于目前市場上人造霧系統(tǒng)350~450個噴頭的產(chǎn)霧量。
1 基本原理
目前，國內(nèi)外市場人造霧系統(tǒng)的工作原理與噴灌系統(tǒng)類似，主要是將普通的自來水通過高壓機(jī)組進(jìn)行加壓后，再通過專用的高壓（7 MPa~30 MPa）輸配管道將水輸送到造霧現(xiàn)場，最終利用耐高壓噴嘴將水轉(zhuǎn)換成霧[2]。所不同的只是噴頭的霧化效果、工作壓力和設(shè)備性能。
與之相比，飛碟型景觀水霧機(jī)是廣泛適用于室內(nèi)外的大型造霧機(jī)器，水電消耗少，節(jié)能環(huán)保。其霧化工作原理是通過輸入低壓空氣（0.75 MPa~1 MPa），在控制系統(tǒng)對氣閥和水閥的有效控制下，將水由機(jī)器的內(nèi)構(gòu)核心裝置瞬間裂變成微米級水霧顆粒，并從噴頭中射出，大面積散發(fā)并懸浮于空氣中，從而形成室內(nèi)外觀賞性極佳的龐大水霧景觀[3]。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于簡單、實(shí)用和可靠的原則，本系統(tǒng)采用AT 51S系列單片機(jī)作為控制核心，主要包括輸入接口電路、輸出控制接口電路、LED驅(qū)動電路和通信接口電路設(shè)計(jì)4個部分。
輸入信號檢測：該部分主要為水位檢測和晝夜檢測。
水霧機(jī)為預(yù)儲水工作方式，內(nèi)部配備了一個小水箱，噴霧之前應(yīng)確保水箱內(nèi)已經(jīng)注滿水。液位控制選擇了一種霍爾式浮子液位傳感器，該傳感器反應(yīng)靈敏，輸出信號穩(wěn)定，可以保證及時輸出缺水和水滿的信號供主板采集。
晝夜檢測采用了比較常用的光敏電阻加斯密特觸發(fā)器的控制方式，通過對可調(diào)精密電阻的調(diào)節(jié)，設(shè)定對光線的感應(yīng)強(qiáng)度，達(dá)到輸出“晝、夜”的控制信號。晝夜檢測的目的主要是為了對七彩LED燈進(jìn)行控制，白天關(guān)閉，夜晚開啟。
輸出控制：霧化機(jī)的輸出控制主要為氣閥和水閥的控制。水閥控制是根據(jù)液位開關(guān)輸入信號適時打開水閥或者關(guān)閉水閥，做好噴霧前的儲水準(zhǔn)備。而氣閥控制則是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定，在預(yù)定的時間打開，將低壓空氣輸入霧化機(jī)內(nèi)核，進(jìn)行噴霧，并在預(yù)定的時間關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)間歇性循環(huán)噴霧。該部分電路采用了可控硅BTA06作為主控元件，如圖1所示。圖中標(biāo)號DCF-WTR為單片機(jī)的一個輸出引腳，表示對水閥的控制。氣閥的控制電路與之相同。

LED驅(qū)動電路：本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)安裝LED小七彩燈30個，與28個噴頭共同均勻分布于飛碟的上球面；LED七彩射燈12個，上碟面6個，下碟面6個。每盞燈均由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三種顏色的多只LED串并聯(lián)組合。主控板設(shè)計(jì)小七彩燈座8個，七彩射燈座8個，每個燈座最多可并聯(lián)4盞燈。由于每盞燈均由R、G、B三種顏色組成，8個燈座則需要3個8位端口，再加上8個射燈座，因此一共需要6個8位端口。利用單片機(jī)的P0口作為LED驅(qū)動基本端口，通過一個3-8譯碼器進(jìn)行并行擴(kuò)展[4]，這樣，每個燈座都會有一個確定的控制地址。
通信接口電路：為了便于通過上位機(jī)對多臺水霧機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，達(dá)到景觀現(xiàn)場的動態(tài)噴霧效果，本系統(tǒng)預(yù)留了RS-485總線接口電路，如圖2所示，該接口采用了75176通信芯片，并通過三極管9014實(shí)現(xiàn)自動收發(fā)轉(zhuǎn)換[5]，簡化了程序的編制。數(shù)據(jù)線上采用2個1 kΩ和1個510 Ω的電阻保證正常的收發(fā)并增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2 控制軟件設(shè)計(jì)
2.2.1 控制算法設(shè)計(jì)
由于程控水霧機(jī)一般在一個廣場上多臺分布，聯(lián)動控制，在沒有上位機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制（即脫機(jī)狀態(tài)）的情況下，需要設(shè)定一個聯(lián)動控制方案。要求如下：一個景區(qū)可設(shè)置若干臺水霧機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，這些機(jī)器可分成最多40組（每組1~3臺），同一組的霧化機(jī)在設(shè)定的時間同時噴霧，每次噴霧2 min。相鄰組的水霧機(jī)在上一組噴完后，等待1 min，然后開始噴霧，如此循環(huán)往復(fù)。另外，首次上電時，需要給水霧機(jī)的水箱注水，水滿后才可以噴霧，預(yù)注水時間設(shè)置為6 min。

根據(jù)以上分析，在編程時對單片機(jī)的定時器分配如下：
T0：用于檢測光感器和水箱液位高度信號；
T1：用于噴霧計(jì)時，即2 min后關(guān)閉氣閥，停止噴霧，以5 s為最小計(jì)時單位；
T2：用于噴霧前的延時定時，以0.5 min為最小計(jì)時單位，首次上電延時為TS min，以后每隔TF min后噴霧一次。
2.2.2 軟件流程設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)控制軟件實(shí)質(zhì)就是針對噴霧起、止時間的精確控制，因此定時器中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)是本程序的重點(diǎn)，而主程序的任務(wù)比較簡單，就是對七彩燈交替變化的控制，若為白天，則關(guān)閉所有燈光；若為夜晚，則開啟燈光。主程序流程如圖4所示。

根據(jù)前述定時器的分配情況，T1和T2的服務(wù)程序是編制的重點(diǎn)。由于所選取的晶振不同，時鐘周期也不相同，為了控制精確，相關(guān)的延時常數(shù)務(wù)必要根據(jù)具體的晶振頻率計(jì)算準(zhǔn)確[6]。T1定時器的程序比較簡單，只要計(jì)時到2 min，輸出控制關(guān)閉氣閥即可，停止噴霧，同時適當(dāng)減低背景音樂的音量，以適應(yīng)周圍的環(huán)境。
T2定時器進(jìn)入中斷后，除了常規(guī)的現(xiàn)場保護(hù)以外，還要判斷本次中斷是否為首次上電情況下的中斷，這涉及到噴霧前的延時是選用TS還是TF。若計(jì)時已到，則輸出控制打開氣閥，開始噴霧，同時適當(dāng)加大背景音樂的音量，烘托景觀的氣氛；若計(jì)時未到，則恢復(fù)現(xiàn)場，退出中斷服務(wù)程序。具體流程如圖5所示。

該系統(tǒng)已形成實(shí)際的產(chǎn)品，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，在除塵、灌溉、防靜電、調(diào)節(jié)小區(qū)氣候等很多方面都具有重要的應(yīng)用，同時能美化環(huán)境。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用證明，系統(tǒng)控制精確，穩(wěn)定可靠，環(huán)保節(jié)能，可進(jìn)行批量生產(chǎn)推廣。
參考文獻(xiàn)
[1] 李寶利.高壓細(xì)水霧系統(tǒng)的研究[D].天津：天津大學(xué), 2003.
[2] 董加強(qiáng).船用高壓細(xì)水霧噴頭的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.
[3] 葉鶯，高翅.園林霧化景觀設(shè)計(jì)初探[J].廣東園林，2008，30（1）：33-36.
[4] 常薇.AVR單片機(jī)接口研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16(18)：237-238.
[5] 張慶強(qiáng)，劉兵.RS-485收發(fā)的零延時轉(zhuǎn)換電路[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004，4（2）：55-56.
[6] 李雪江，李曉竹，陳平，等.基于單片機(jī)的多線程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2008，6(15)：16.