飛碟型七彩LED景觀(guān)水霧機控制系統的設計

水霧機是一種把水變成霧的設備，具有增加濕度、凈化空氣、美化環(huán)境等功能。目前，國內外市場(chǎng)人造霧系統由于受材料和技術(shù)局限，產(chǎn)霧量和水霧濃度均難以達到理想效果，一般較為稀薄，且一旦噴頭固定，霧形相應固定[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，單臺飛碟型水霧機所形成的水霧區散射直徑可達30 m~50 m，厚度可達0.5 m~2 m，霧量足，氣勢大，并且能根據不同的使用環(huán)境需求靈活調整出不同的霧狀景觀(guān)。單機產(chǎn)霧量相當于目前市場(chǎng)上人造霧系統350~450個(gè)噴頭的產(chǎn)霧量。

1 基本原理

目前，國內外市場(chǎng)人造霧系統的工作原理與噴灌系統類(lèi)似，主要是將普通的自來(lái)水通過(guò)高壓機組進(jìn)行加壓后，再通過(guò)專(zhuān)用的高壓（7 MPa~30 MPa）輸配管道將水輸送到造霧現場(chǎng)，最終利用耐高壓噴嘴將水轉換成霧[2]。所不同的只是噴頭的霧化效果、工作壓力和設備性能。

與之相比，飛碟型景觀(guān)水霧機是廣泛適用于室內外的大型造霧機器，水電消耗少，節能環(huán)保。其霧化工作原理是通過(guò)輸入低壓空氣（0.75 MPa~1 MPa），在控制系統對氣閥和水閥的有效控制下，將水由機器的內構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，從而形成室內外觀(guān)賞性極佳的龐大水霧景觀(guān)[3]。

2 控制系統設計

2.1 硬件系統設計

基于簡(jiǎn)單、實(shí)用和可靠的原則，本系統采用AT 51S系列單片機作為控制核心，主要包括輸入接口電路、輸出控制接口電路、LED驅動(dòng)電路和通信接口電路設計4個(gè)部分。

輸入信號檢測：該部分主要為水位檢測和晝夜檢測。

水霧機為預儲水工作方式，內部配備了一個(gè)小水箱，噴霧之前應確保水箱內已經(jīng)注滿(mǎn)水。液位控制選擇了一種霍爾式浮子液位傳感器，該傳感器反應靈敏，輸出信號穩定，可以保證及時(shí)輸出缺水和水滿(mǎn)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(guò)對可調精密電阻的調節，設定對光線(xiàn)的感應強度，達到輸出“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(kāi)啟。

輸出控制：霧化機的輸出控制主要為氣閥和水閥的控制。水閥控制是根據液位開(kāi)關(guān)輸入信號適時(shí)打開(kāi)水閥或者關(guān)閉水閥，做好噴霧前的儲水準備。而氣閥控制則是根據系統的設定，在預定的時(shí)間打開(kāi)，將低壓空氣輸入霧化機內核，進(jìn)行噴霧，并在預定的時(shí)間關(guān)閉，實(shí)現間歇性循環(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。圖中標號DCF-WTR為單片機的一個(gè)輸出引腳，表示對水閥的控制。氣閥的控制電路與之相同。

LED驅動(dòng)電路：本系統共設計安裝LED小七彩燈30個(gè)，與28個(gè)噴頭共同均勻分布于飛碟的上球面；LED七彩射燈12個(gè)，上碟面6個(gè)，下碟面6個(gè)。每盞燈均由紅（R）、綠（G）、藍（B）三種顏色的多只LED串并聯(lián)組合。主控板設計小七彩燈座8個(gè)，七彩射燈座8個(gè)，每個(gè)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(gè)燈座則需要3個(gè)8位端口，再加上8個(gè)射燈座，因此一共需要6個(gè)8位端口。利用單片機的P0口作為L(cháng)ED驅動(dòng)基本端口，通過(guò)一個(gè)3-8譯碼器進(jìn)行并行擴展[4]，這樣，每個(gè)燈座都會(huì )有一個(gè)確定的控制地址。

通信接口電路：為了便于通過(guò)上位機對多臺水霧機進(jìn)行統一協(xié)調控制，達到景觀(guān)現場(chǎng)的動(dòng)態(tài)噴霧效果，本系統預留了RS-485總線(xiàn)接口電路，如圖2所示，該接口采用了75176通信芯片，并通過(guò)三極管9014實(shí)現自動(dòng)收發(fā)轉換[5]，簡(jiǎn)化了程序的編制。數據線(xiàn)上采用2個(gè)1 kΩ和1個(gè)510 Ω的電阻保證正常的收發(fā)并增強系統的抗干擾能力。

2.2 控制軟件設計

2.2.1 控制算法設計

由于程控水霧機一般在一個(gè)廣場(chǎng)上多臺分布，聯(lián)動(dòng)控制，在沒(méi)有上位機統一協(xié)調控制（即脫機狀態(tài)）的情況下，需要設定一個(gè)聯(lián)動(dòng)控制方案。要求如下：一個(gè)景區可設置若干臺水霧機，根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，這些機器可分成最多40組（每組1~3臺），同一組的霧化機在設定的時(shí)間同時(shí)噴霧，每次噴霧2 min。相鄰組的水霧機在上一組噴完后，等待1 min，然后開(kāi)始噴霧，如此循環(huán)往復。另外，首次上電時(shí)，需要給水霧機的水箱注水，水滿(mǎn)后才可以噴霧，預注水時(shí)間設置為6 min。

根據以上分析，在編程時(shí)對單片機的定時(shí)器分配如下：

T0：用于檢測光感器和水箱液位高度信號；
T1：用于噴霧計時(shí)，即2 min后關(guān)閉氣閥，停止噴霧，以5 s為最小計時(shí)單位；
T2：用于噴霧前的延時(shí)定時(shí)，以0.5 min為最小計時(shí)單位，首次上電延時(shí)為T(mén)S min，以后每隔TF min后噴霧一次。

2.2.2 軟件流程設計

本系統控制軟件實(shí)質(zhì)就是針對噴霧起、止時(shí)間的精確控制，因此定時(shí)器中斷服務(wù)程序的設計是本程序的重點(diǎn)，而主程序的任務(wù)比較簡(jiǎn)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(kāi)啟燈光。主程序流程如圖4所示。

根據前述定時(shí)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(shí)鐘周期也不相同，為了控制精確，相關(guān)的延時(shí)常數務(wù)必要根據具體的晶振頻率計算準確[6]。T1定時(shí)器的程序比較簡(jiǎn)單，只要計時(shí)到2 min，輸出控制關(guān)閉氣閥即可，停止噴霧，同時(shí)適當減低背景音樂(lè )的音量，以適應周?chē)沫h(huán)境。

T2定時(shí)器進(jìn)入中斷后，除了常規的現場(chǎng)保護以外，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(shí)是選用TS還是TF。若計時(shí)已到，則輸出控制打開(kāi)氣閥，開(kāi)始噴霧，同時(shí)適當加大背景音樂(lè )的音量，烘托景觀(guān)的氣氛；若計時(shí)未到，則恢復現場(chǎng)，退出中斷服務(wù)程序。具體流程如圖5所示。

該系統已形成實(shí)際的產(chǎn)品，填補了國內空白，在除塵、灌溉、防靜電、調節小區氣候等很多方面都具有重要的應用，同時(shí)能美化環(huán)境。經(jīng)實(shí)踐應用證明，系統控制精確，穩定可靠，環(huán)保節能，可進(jìn)行批量生產(chǎn)推廣。