飞碟型七彩LED景观水雾机控制系统的设计

2011-01-27 12:01:20来源: 微型机与应用

    水雾机是一种把水变成雾的设备,具有增加湿度、净化空气、美化环境等功能。目前,国内外市场人造雾系统由于受材料和技术局限,产雾量和水雾浓度均难以达到理想效果,一般较为稀薄,且一旦喷头固定,雾形相应固定[1],若要改变雾的形状或散射面,则需重新更换喷头。

    与之相比,单台飞碟型水雾机所形成的水雾区散射直径可达30 m~50 m,厚度可达0.5 m~2 m,雾量足,气势大,并且能根据不同的使用环境需求灵活调整出不同的雾状景观。单机产雾量相当于目前市场上人造雾系统350~450个喷头的产雾量。

1 基本原理

    目前,国内外市场人造雾系统的工作原理与喷灌系统类似,主要是将普通的自来水通过高压机组进行加压后,再通过专用的高压(7 MPa~30 MPa)输配管道将水输送到造雾现场,最终利用耐高压喷嘴将水转换成雾[2]。所不同的只是喷头的雾化效果、工作压力和设备性能。

    与之相比,飞碟型景观水雾机是广泛适用于室内外的大型造雾机器,水电消耗少,节能环保。其雾化工作原理是通过输入低压空气(0.75 MPa~1 MPa),在控制系统对气阀和水阀的有效控制下,将水由机器的内构核心装置瞬间裂变成微米级水雾颗粒,并从喷头中射出,大面积散发并悬浮于空气中,从而形成室内外观赏性极佳的庞大水雾景观[3]。

2 控制系统设计

2.1 硬件系统设计

    基于简单、实用和可靠的原则,本系统采用AT 51S系列单片机作为控制核心,主要包括输入接口电路、输出控制接口电路、LED驱动电路和通信接口电路设计4个部分。

    输入信号检测:该部分主要为水位检测和昼夜检测。

    水雾机为预储水工作方式,内部配备了一个小水箱,喷雾之前应确保水箱内已经注满水。液位控制选择了一种霍尔式浮子液位传感器,该传感器反应灵敏,输出信号稳定,可以保证及时输出缺水和水满的信号供主板采集。

    昼夜检测采用了比较常用的光敏电阻加斯密特触发器的控制方式,通过对可调精密电阻的调节,设定对光线的感应强度,达到输出“昼、夜”的控制信号。昼夜检测的目的主要是为了对七彩LED灯进行控制,白天关闭,夜晚开启。

    输出控制:雾化机的输出控制主要为气阀和水阀的控制。水阀控制是根据液位开关输入信号适时打开水阀或者关闭水阀,做好喷雾前的储水准备。而气阀控制则是根据系统的设定,在预定的时间打开,将低压空气输入雾化机内核,进行喷雾,并在预定的时间关闭,实现间歇性循环喷雾。该部分电路采用了可控硅BTA06作为主控元件,如图1所示。图中标号DCF-WTR为单片机的一个输出引脚,表示对水阀的控制。气阀的控制电路与之相同。


    LED驱动电路:本系统共设计安装LED小七彩灯30个,与28个喷头共同均匀分布于飞碟的上球面;LED七彩射灯12个,上碟面6个,下碟面6个。每盏灯均由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色的多只LED串并联组合。主控板设计小七彩灯座8个,七彩射灯座8个,每个灯座最多可并联4盏灯。由于每盏灯均由R、G、B三种颜色组成,8个灯座则需要3个8位端口,再加上8个射灯座,因此一共需要6个8位端口。利用单片机的P0口作为LED驱动基本端口,通过一个3-8译码器进行并行扩展[4],这样,每个灯座都会有一个确定的控制地址。

    通信接口电路:为了便于通过上位机对多台水雾机进行统一协调控制,达到景观现场的动态喷雾效果,本系统预留了RS-485总线接口电路,如图2所示,该接口采用了75176通信芯片,并通过三极管9014实现自动收发转换[5],简化了程序的编制。数据线上采用2个1 kΩ和1个510 Ω的电阻保证正常的收发并增强系统的抗干扰能力。

2.2 控制软件设计

2.2.1 控制算法设计

    由于程控水雾机一般在一个广场上多台分布,联动控制,在没有上位机统一协调控制(即脱机状态)的情况下,需要设定一个联动控制方案。要求如下:一个景区可设置若干台水雾机,根据现场的实际情况,这些机器可分成最多40组(每组1~3台),同一组的雾化机在设定的时间同时喷雾,每次喷雾2 min。相邻组的水雾机在上一组喷完后,等待1 min,然后开始喷雾,如此循环往复。另外,首次上电时,需要给水雾机的水箱注水,水满后才可以喷雾,预注水时间设置为6 min。


 

    根据以上分析,在编程时对单片机的定时器分配如下:

    T0:用于检测光感器和水箱液位高度信号;
    T1:用于喷雾计时,即2 min后关闭气阀,停止喷雾,以5 s为最小计时单位;
    T2:用于喷雾前的延时定时,以0.5 min为最小计时单位,首次上电延时为TS min,以后每隔TF min后喷雾一次。

2.2.2 软件流程设计

    本系统控制软件实质就是针对喷雾起、止时间的精确控制,因此定时器中断服务程序的设计是本程序的重点,而主程序的任务比较简单,就是对七彩灯交替变化的控制,若为白天,则关闭所有灯光;若为夜晚,则开启灯光。主程序流程如图4所示。

    根据前述定时器的分配情况,T1和T2的服务程序是编制的重点。由于所选取的晶振不同,时钟周期也不相同,为了控制精确,相关的延时常数务必要根据具体的晶振频率计算准确[6]。T1定时器的程序比较简单,只要计时到2 min,输出控制关闭气阀即可,停止喷雾,同时适当减低背景音乐的音量,以适应周围的环境。

    T2定时器进入中断后,除了常规的现场保护以外,还要判断本次中断是否为首次上电情况下的中断,这涉及到喷雾前的延时是选用TS还是TF。若计时已到,则输出控制打开气阀,开始喷雾,同时适当加大背景音乐的音量,烘托景观的气氛;若计时未到,则恢复现场,退出中断服务程序。具体流程如图5所示。

    该系统已形成实际的产品,填补了国内空白,在除尘、灌溉、防静电、调节小区气候等很多方面都具有重要的应用,同时能美化环境。经实践应用证明,系统控制精确,稳定可靠,环保节能,可进行批量生产推广。

关键字:飞碟  七彩LED  景观  水雾机  控制系统  控制算法

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0127/article_4337.html
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