室內感應式噴水自動控制系統

于秀明，丁云飛，李居尚，李 鵬，韓東寧

(長春理工大學光電信息學院，長春 130012)

室內感應式噴水自動控制系統

于秀明，丁云飛，李居尚，李 鵬，韓東寧

(長春理工大學光電信息學院，長春 130012)

室內噴水系統應用越來越廣泛，可作為景觀，也可作為娛樂。本文提出使用感應式噴水，設計在小型室內“激流勇進”游戲項目中增加一個噴水效果。

室內；微波感應式探測器；自動控制；時間延時

隨著市場的發展，兒童娛樂場所需求日益增加，這對經營者提出了更高的要求，在保障兒童的安全外，還要有吸引兒童的特點，比如視覺沖擊、音效沖擊、觸覺沖擊等。目前，國內外已經有許多噴水設計方案，如單片機控制、聲音控制等。本文設計了室內“激流勇進”游戲項目中模擬水簾洞噴水自動控制系統。當有船只靠近入口或流出出口時，山洞入口上方或出口上方水流立即停止，與此同時，另一側的水流正常。當船只進入山洞時，山洞的入口出口水流正常，船只遠離山洞時，水流經短暫延時自動下流。在考慮游樂場人多、環境嘈雜的情況下，不適宜用聲音控制，采用感應式控制。

1 電路框圖

由感應探測器IC1開關電路、555定時器構成的延時電路、整流濾波電路及電機噴水電路組成原理框圖1。

圖1 原理框圖Fig.1 Principle diagram

2 工作原理

由微波探測器和晶體管組成IC1，位于模擬水簾洞前方及洞口距出口的一定距離，平時微波探測器產生一個1～3 m(可調)的空間微波探測場區域(如圖2所示)，探測區域內若無物體移動時IC1的狀態為低電平輸出不工作，晶體管狀態為截止狀態，繼電器K工作，常開觸點吸合，水泵電動機電源接通，噴水自動打開。

圖2 微波探測器安裝示意圖Fig.2 Microwave detector installation diagram

探測空間區域內是否有船只移動是利用微波探測器的多普勒效應。多普勒效應在本設計中是當有船只靠近山洞口時，船只會對IC1環狀天線發出的微波產生反射作用，反射回波會使微波的電磁場(相位、頻率)發生變化，其接收頻率與發射頻率之差稱為多普勒頻移。用公式Δf表示：

Δf=f′-f

(1)

f′為接收體(船只)接收的頻率，f為發射體(探測器)發射頻率。當船只與探測器相互靠近時，接收頻率f′大于發射頻率f，即：Δf>0。當船只與探測器相互遠離時，發射頻率f大于接收頻率f′，即：Δf<0。設船只的運動速度為V，光速為C，多普勒頻移最基本的計算公式是：

(2)

從公式中可以看出，多普勒頻移可正可負，這取決于α。α為船只的運動方向與微波入射方向之間的夾角有關。cosα>0，使fm為正，此時接收頻率上升。cosα<0，fm為負，接收頻率下降。

經IC1內部處理，從IC1輸出為高電平，與IC1連接的晶體管導通后觸發IC2(即555定時器)翻轉進入暫穩態，與此同時使繼電器處于常開狀態，K斷開，水泵電動機不工作，噴泉自動停止，當連續在IC2的外部電容充電高于IC2的閾值電位，單穩態電路發生翻轉，跳變回穩定狀態，使IC2(555定時器)的輸出再為低電平，繼電器工作K吸合，水泵電機的電源接通，噴水自動啟動。

3 單穩態電路

單穩態觸發電路組成IC2單元圖3所示。

圖3 單穩態觸發器Fig.3 Monostable trigger

4 延時方法

考慮到游樂項目人多的情況下，船只與船只之間靠得很近，因此延時的控制時間一定要設定合理。延時時間過長，景觀不美觀，起不到水簾洞的效果且浪費水電。延時時間過短，容易淋濕后面船只游客，噴水電機的頻繁啟動，也會縮短繼電器K和電機使用壽命。延時時間由公式τ=RC來估算。公式中的RC由單穩態電路中的參數來決定。在選擇電阻R的范圍時，可以選擇幾百歐至幾兆歐。電容的取值范圍從幾百皮法到幾百微法均可。不考慮三極管的飽和壓降，555單穩態觸發器精度可達0.1%。

5 結論

本文使用的微波探測器微波靈敏度與水流速度密切相關，水流快微波傳感設備生成高頻信號，水流慢則生成低頻信號，根據以上頻率特性，可專門設計信號處理電路以實現良好的探測性能。555定時器選擇如NE555、SL555等具有驅動能力較強，電源電壓范圍在幾伏到十幾伏，最大負載電流可達上百毫安的雙極性產品。繼電器選擇使用小型中功率電磁繼電器且具有帶負載能力強的功用。電路中所使用的變壓器T要具有良好散熱效果，長時間使用不能過熱。

本文提出的感應式噴水自動控制系統，可靠性高、設計簡單，對提高游樂的觀賞性有一定的作用。

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Indoor inductive water spraying automatic control system

YU Xiu-ming, DING Yun-fei, LI Ju-shang, LI Peng, HAN Dong-ning

(College of Optical and Electronical Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130012, China)

Indoor water spraying system has been used more and more widely. It can be used as landscape or entertainment. This paper proposes to add a small indoor spraying effect design in the “torrent brave” game project with the use of inductive water spraying.

Indoor; Microwave induction detector; Automatic control; Time delay

TP29

： A

： 1674-8646(2017)16-0034-02

2017-06-29

吉林省高等教育學會2017年度高教科研一般課題“獨立學院高等教育質量提升策略與實踐研究”(JGJX2017D348)

于秀明(1983-)，女，碩士研究生，講師。

丁云飛(1979-)，男，碩士研究生，助理研究員。