飞碟型七彩LED景观水雾机控制系统的设计

摘 要： 由于材料和技术的局限，目前国内外人造雾系统的产雾量和水雾浓度均难以达到理想效果。基于专利号ZL200520036911.6水雾发生技术研制的飞碟型景观水雾机，对水、气、声、光进行协调控制，环保节能，使水雾机的用途更加广泛，除了用于景观的美化之外，在除尘、灌溉、防静电、调节小区气候等方面都有重要的应用。
关键词： 飞碟；七彩LED；景观；水雾机；控制系统；控制算法

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。
参考文献
[1] 李宝利.高压细水雾系统的研究[D].天津：天津大学, 2003.
[2] 董加强.船用高压细水雾喷头的设计与试验研究[D].南京：东南大学，2006.
[3] 叶莺，高翅.园林雾化景观设计初探[J].广东园林，2008，30（1）：33-36.
[4] 常薇.AVR单片机接口研究[J].科技情报开发与经济，2006，16(18)：237-238.
[5] 张庆强，刘兵.RS-485收发的零延时转换电路[J].单片机与嵌入式系统应用，2004，4（2）：55-56.
[6] 李雪江，李晓竹，陈平，等.基于单片机的多线程数据采集系统设计[J].科技资讯，2008，6(15)：16.