于秀明，丁云飛，李居尚，李 鵬，韓東寧

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

室內(nèi)感應(yīng)式噴水自動(dòng)控制系統(tǒng)

于秀明，丁云飛，李居尚，李 鵬，韓東寧

(長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

室內(nèi)噴水系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可作為景觀，也可作為娛樂(lè)。本文提出使用感應(yīng)式噴水，設(shè)計(jì)在小型室內(nèi)“激流勇進(jìn)”游戲項(xiàng)目中增加一個(gè)噴水效果。

室內(nèi)；微波感應(yīng)式探測(cè)器；自動(dòng)控制；時(shí)間延時(shí)

隨著市場(chǎng)的發(fā)展，兒童娛樂(lè)場(chǎng)所需求日益增加，這對(duì)經(jīng)營(yíng)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(diǎn)，比如視覺(jué)沖擊、音效沖擊、觸覺(jué)沖擊等。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多噴水設(shè)計(jì)方案，如單片機(jī)控制、聲音控制等。本文設(shè)計(jì)了室內(nèi)“激流勇進(jìn)”游戲項(xiàng)目中模擬水簾洞噴水自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)有船只靠近入口或流出出口時(shí)，山洞入口上方或出口上方水流立即停止，與此同時(shí)，另一側(cè)的水流正常。當(dāng)船只進(jìn)入山洞時(shí)，山洞的入口出口水流正常，船只遠(yuǎn)離山洞時(shí)，水流經(jīng)短暫延時(shí)自動(dòng)下流。在考慮游樂(lè)場(chǎng)人多、環(huán)境嘈雜的情況下，不適宜用聲音控制，采用感應(yīng)式控制。

1 電路框圖

由感應(yīng)探測(cè)器IC1開(kāi)關(guān)電路、555定時(shí)器構(gòu)成的延時(shí)電路、整流濾波電路及電機(jī)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(cè)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(shí)微波探測(cè)器產(chǎn)生一個(gè)1～3 m(可調(diào))的空間微波探測(cè)場(chǎng)區(qū)域(如圖2所示)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)若無(wú)物體移動(dòng)時(shí)IC1的狀態(tài)為低電平輸出不工作，晶體管狀態(tài)為截止?fàn)顟B(tài)，繼電器K工作，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，水泵電動(dòng)機(jī)電源接通，噴水自動(dòng)打開(kāi)。

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

探測(cè)空間區(qū)域內(nèi)是否有船只移動(dòng)是利用微波探測(cè)器的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在本設(shè)計(jì)中是當(dāng)有船只靠近山洞口時(shí)，船只會(huì)對(duì)IC1環(huán)狀天線發(fā)出的微波產(chǎn)生反射作用，反射回波會(huì)使微波的電磁場(chǎng)(相位、頻率)發(fā)生變化，其接收頻率與發(fā)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(fā)射體(探測(cè)器)發(fā)射頻率。當(dāng)船只與探測(cè)器相互靠近時(shí)，接收頻率f′大于發(fā)射頻率f，即：Δf>0。當(dāng)船只與探測(cè)器相互遠(yuǎn)離時(shí)，發(fā)射頻率f大于接收頻率f′，即：Δf<0。設(shè)船只的運(yùn)動(dòng)速度為V，光速為C，多普勒頻移最基本的計(jì)算公式是：

(2)

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

經(jīng)IC1內(nèi)部處理，從IC1輸出為高電平，與IC1連接的晶體管導(dǎo)通后觸發(fā)IC2(即555定時(shí)器)翻轉(zhuǎn)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，與此同時(shí)使繼電器處于常開(kāi)狀態(tài)，K斷開(kāi)，水泵電動(dòng)機(jī)不工作，噴泉自動(dòng)停止，當(dāng)連續(xù)在IC2的外部電容充電高于IC2的閾值電位，單穩(wěn)態(tài)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，跳變回穩(wěn)定狀態(tài)，使IC2(555定時(shí)器)的輸出再為低電平，繼電器工作K吸合，水泵電機(jī)的電源接通，噴水自動(dòng)啟動(dòng)。

3 單穩(wěn)態(tài)電路

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路組成IC2單元圖3所示。

圖3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器Fig.3 Monostable trigger

4 延時(shí)方法

考慮到游樂(lè)項(xiàng)目人多的情況下，船只與船只之間靠得很近，因此延時(shí)的控制時(shí)間一定要設(shè)定合理。延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，景觀不美觀，起不到水簾洞的效果且浪費(fèi)水電。延時(shí)時(shí)間過(guò)短，容易淋濕后面船只游客，噴水電機(jī)的頻繁啟動(dòng)，也會(huì)縮短繼電器K和電機(jī)使用壽命。延時(shí)時(shí)間由公式τ=RC來(lái)估算。公式中的RC由單穩(wěn)態(tài)電路中的參數(shù)來(lái)決定。在選擇電阻R的范圍時(shí)，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(wěn)態(tài)觸發(fā)器精度可達(dá)0.1%。

5 結(jié)論

本文使用的微波探測(cè)器微波靈敏度與水流速度密切相關(guān)，水流快微波傳感設(shè)備生成高頻信號(hào)，水流慢則生成低頻信號(hào)，根據(jù)以上頻率特性，可專門設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路以實(shí)現(xiàn)良好的探測(cè)性能。555定時(shí)器選擇如NE555、SL555等具有驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，電源電壓范圍在幾伏到十幾伏，最大負(fù)載電流可達(dá)上百毫安的雙極性產(chǎn)品。繼電器選擇使用小型中功率電磁繼電器且具有帶負(fù)載能力強(qiáng)的功用。電路中所使用的變壓器T要具有良好散熱效果，長(zhǎng)時(shí)間使用不能過(guò)熱。

本文提出的感應(yīng)式噴水自動(dòng)控制系統(tǒng)，可靠性高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)提高游樂(lè)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(xué)會(huì)2017年度高教科研一般課題“獨(dú)立學(xué)院高等教育質(zhì)量提升策略與實(shí)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。