飛碟型七彩LED景觀水霧機控制系統的設計

索世文 ，馬 潔 ，初清云

(1.沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽110034；2.沈陽市皇姑區供暖公司，遼寧 沈陽110036；3.牡丹江海虹水霧制造科技有限公司，黑龍江 牡丹江157500)

水霧機是一種把水變成霧的設備，具有增加濕度、凈化空氣、美化環境等功能。目前，國內外市場人造霧系統由于受材料和技術局限，產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境需求靈活調整出不同的霧狀景觀。單機產霧量相當于目前市場上人造霧系統350～450個噴頭的產霧量。

1 基本原理

目前，國內外市場人造霧系統的工作原理與噴灌系統類似，主要是將普通的自來水通過高壓機組進行加壓后，再通過專用的高壓（7 MPa～30 MPa）輸配管道將水輸送到造霧現場，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，大面積散發并懸浮于空氣中，從而形成室內外觀賞性極佳的龐大水霧景觀[3]。

2 控制系統設計

2.1 硬件系統設計

基于簡單、實用和可靠的原則，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驅動電路和通信接口電路設計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。

水霧機為預儲水工作方式，內部配備了一個小水箱，噴霧之前應確保水箱內已經注滿水。液位控制選擇了一種霍爾式浮子液位傳感器，該傳感器反應靈敏，輸出信號穩定，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器的控制方式，通過對可調精密電阻的調節，設定對光線的感應強度，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燈進行控制，白天關閉，夜晚開啟。

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關輸入信號適時打開水閥或者關閉水閥，做好噴霧前的儲水準備。而氣閥控制則是根據系統的設定，在預定的時間打開，將低壓空氣輸入霧化機內核，進行噴霧，并在預定的時間關閉，實現間歇性循環噴霧。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驅動電路：本系統共設計安裝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（B）三種顏色的多只 LED 串并聯組合。主控板設計小七彩燈座 8個，七彩射燈座8個，每個燈座最多可并聯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。利用單片機的P0口作為LED驅動基本端口，通過一個3-8譯碼器進行并行擴展[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對多臺水霧機進行統一協調控制，達到景觀現場的動態噴霧效果，本系統預留了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實現自動收發轉換[5]，簡化了程序的編制。數據線上采用2個1 kΩ和1個510 Ω的電阻保證正常的收發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廣場上多臺分布，聯動控制，在沒有上位機統一協調控制（即脫機狀態）的情況下，需要設定一個聯動控制方案。要求如下：一個景區可設置若干臺水霧機，根據現場的實際情況，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間同時噴霧，每次噴霧2 min。相鄰組的水霧機在上一組噴完后，等待1 min，然后開始噴霧，如此循環往復。另外，首次上電時，需要給水霧機的水箱注水，水滿后才可以噴霧，預注水時間設置為6 min。

根據以上要求可知，相鄰兩組霧化機的噴霧起始時間周期為 3 min，用 T表示，在這 3 min里，噴霧時間為2 min，占2/3。還有一個時間常數，稱之為首次上電延時常數，用C表示，即預注水時間，這里為6 min。每一組霧化機噴霧前的延時時間計算可以分為兩種情況：首次上電和非首次上電。

首次上電：TS=（組號-1）×T+C；

非首次上電：TF=總組數×T

噴霧起始時間的時序如圖3所示。

根據以上分析，在編程時對單片機的定時器分配如下：

T0：用于檢測光感器和水箱液位高度信號；

T1：用于噴霧計時，即2 min后關閉氣閥，停止噴霧，以5 s為最小計時單位；

T2：用于噴霧前的延時定時，以0.5 min為最小計時單位，首次上電延時為TSmin，以后每隔TFmin后噴霧一次。

2.2.2 軟件流程設計

本系統控制軟件實質就是針對噴霧起、止時間的精確控制，因此定時器中斷服務程序的設計是本程序的重點，而主程序的任務比較簡單，就是對七彩燈交替變化的控制，若為白天，則關閉所有燈光；若為夜晚，則開啟燈光。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

根據前述定時器的分配情況，T1和T2的服務程序是編制的重點。由于所選取的晶振不同，時鐘周期也不相同，為了控制精確，相關的延時常數務必要根據具體的晶振頻率計算準確[6]。T1定時器的程序比較簡單，只要計時到2 min，輸出控制關閉氣閥即可，停止噴霧，同時適當減低背景音樂的音量，以適應周圍的環境。

T2定時器進入中斷后，除了常規的現場保護以外，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是選用TS還是TF。若計時已到，則輸出控制打開氣閥，開始噴霧，同時適當加大背景音樂的音量，烘托景觀的氣氛；若計時未到，則恢復現場，退出中斷服務程序。具體流程如圖5所示。

該系統已形成實際的產品，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，同時能美化環境。經實踐應用證明，系統控制精確，穩定可靠，環保節能，可進行批量生產推廣。

圖5 定時器2中斷服務程序流程圖

[1]李寶利.高壓細水霧系統的研究[D].天津：天津大學,2003.

[2]董加強.船用高壓細水霧噴頭的設計與試驗研究[D].南京：東南大學，2006.

[3]葉鶯，高翅.園林霧化景觀設計初探[J].廣東園林，2008，30（1）：33-36.

[4]常薇.AVR單片機接口研究[J].科技情報開發與經濟，2006，16(18)：237-238.

[5]張慶強，劉兵.RS-485收發的零延時轉換電路[J].單片機與嵌入式系統應用，2004，4（2）：55-56.

[6]李雪江，李曉竹，陳平，等.基于單片機的多線程數據采集系統設計[J].科技資訊，2008，6(15)：16.