珍珠噴泉景觀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張光斌，陳佳凡

（1.陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安　710062；2.陜西省西安中學(xué) 陜西 西安　710018）

珍珠噴泉景觀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張光斌1，陳佳凡2

（1.陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710062；2.陜西省西安中學(xué) 陜西 西安710018）

電子技術(shù)的發(fā)展給我們的生活帶來了巨大的改變，傳統(tǒng)的水都是由下向上運(yùn)動(dòng)的噴泉景觀已難以滿足人們的審美需求。本課題設(shè)計(jì)出了一個(gè)能夠使人在視覺上出現(xiàn)水滴上升、靜止、下降3種不同狀態(tài)的珍珠噴泉景觀的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括LED燈組、LED驅(qū)動(dòng)電路和滴水裝置。LED驅(qū)動(dòng)電路控制LED燈的閃爍頻率，當(dāng)不同閃爍頻率的燈光照射在恒定下落頻率的水滴上時(shí)，水滴在空中就會(huì)像珍珠一樣呈現(xiàn)出上升、靜止和下降3種不同的視覺景象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本較低，能滿足人們的需求。

水滴；閃光燈；頻率；上升；靜止；下降

噴泉是一種觀賞性較高的藝術(shù)水景設(shè)施，但傳統(tǒng)的噴泉景觀看起來水都是由下向上運(yùn)動(dòng)的，雖然可以變換出不同的形狀，但是人們長(zhǎng)期看這種景觀難免會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞［1-2］。為了滿足人們的審美需求，文中設(shè)計(jì)出了一種富有創(chuàng)新性的珍珠噴泉景觀的控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)能夠通過改變閃光燈的閃爍頻率來使人在視覺上出現(xiàn)水滴上升、靜止、下降3種不同的狀態(tài)［3］。該控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，能滿足用戶的需求。

1　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該噴泉景觀控制系統(tǒng)包括LED驅(qū)動(dòng)電路和滴水裝置［4］。如圖1所示是該控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

LED驅(qū)動(dòng)電路主要包括DC-DC變換電路、開關(guān)控制電路、反饋電路。DC-DC變換電路是通過方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生50 KHz的方波，再經(jīng)過IR2110驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)的；開關(guān)控制電路主要是通過51單片機(jī)控制PWM波的頻率實(shí)現(xiàn)的；反饋電路主要是對(duì)LED燈組的電流進(jìn)行采樣，進(jìn)而將采樣的信號(hào)反饋回方波產(chǎn)生電路［5］，從而動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)流過LED燈組的電流，使之始終維持在額定電流大小，從而保證整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定［6］。

圖1　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　General structure diagram of control system

噴水裝置主要由水泵，噴頭和調(diào)節(jié)閥門3部分構(gòu)成，主要原理就是首先由水泵將水抽到噴頭上，然后通過調(diào)節(jié)閥門控制各個(gè)噴頭水滴的流速，使之基本趨于一致［7］。

控制系統(tǒng)的主要工作原理就是將LED燈的燈光照到噴頭流出的水滴上［8］，然后隨著LED燈頻率的改變，水滴就會(huì)在視覺上呈現(xiàn)出上升、靜止和下降3種不同的景象［9］。設(shè)LED燈組的閃爍頻率為f1，滴水裝置產(chǎn)生水滴的頻率為f2，通過調(diào)節(jié)f1，當(dāng)f1與f2一致時(shí)，出現(xiàn)水滴在空中靜止的景象；當(dāng)f1＞f2時(shí)，出現(xiàn)水滴向上移動(dòng)即水往高處流的景象；當(dāng)f1＜f2時(shí)，出現(xiàn)水滴向下移動(dòng)的景象［10-11］。

2　LED驅(qū)動(dòng)電路

LED驅(qū)動(dòng)電路包括DC-DC變換電路，開關(guān)放大電路和反饋電路。如圖2所示是DC-DC變換電路。DC-DC變換電路包括方波產(chǎn)生電路和IR2110電路。方波產(chǎn)生電路主要是運(yùn)用SG3525芯片，主要的目的是產(chǎn)生50 kHz的方波，同時(shí)通過與反饋電路的配合來改變方波的占空比從而動(dòng)態(tài)的調(diào)整流過LED的電流。IR2110驅(qū)動(dòng)電路主要是運(yùn)用IR2110芯片，在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式，該電路的設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用美國IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片，兼有光藕隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)［12］。

如圖3所示是開關(guān)放大電路和反饋電路。開關(guān)放大電路主要采用的是STC89C52芯片［13］，主要的目的是通過程序來改變PWM波的頻率，從而改變閃光燈的閃爍頻率。反饋電路主要起到。

保證后級(jí)輸出電路中流過LED燈的電流保持恒定的作用，主要包括直流放大電路和低通濾波電路。將圖2 DC-DC變換電路的P2端口與圖3開關(guān)放大電路和反饋電路的P3端口相連，將圖3的P6端口與圖2的P1端口相連，即組成LED驅(qū)動(dòng)電路。

圖2　DC-DC變換電路Fig.2　DC-DC transform circuit

圖3　開關(guān)放大電路和反饋電路Fig.3　Switching amplifying circuit and feedback circuit

3　工作原理分析

噴水裝置噴出的水流是由一滴滴水滴的連續(xù)運(yùn)動(dòng)而形成的。當(dāng)水流以一定的流量到達(dá)噴嘴口時(shí)，受表面張力及重力的作用形成水滴。并以一定頻率脫離噴嘴，水滴一旦脫離噴嘴口，即以自由落體方式運(yùn)動(dòng)。

水滴運(yùn)動(dòng)路線方程為：

顯然每滴水經(jīng)過的路徑是一致的，且到達(dá)某點(diǎn)所用的時(shí)間也是一致的。流量越大，每秒形成的水滴越多，即水滴頻率越高［14］。

記LED燈閃爍的頻率為f1，水滴下落頻率為f2。如圖4所示是LED閃爍頻率等于水滴下落頻率的情形。

圖4　LED閃爍頻率等于水滴下落頻率Fig.4　LED flicker frequency is equal to the falling frequency of water-drop

當(dāng)f1=f2時(shí)，假設(shè)在t時(shí)刻，水滴的位置處于圖4中黑色球所示位置，A、B、C即我們第一次看到水滴的位置。經(jīng)過Δt （LED燈熄滅的時(shí)間）時(shí)間，即在t+Δt時(shí)刻，水滴仍處于圖中黑色球所示位置，A、B、C即我們第二次看到水滴的位置A′、B′、C′，由于兩次看到水滴的位置剛好重合，所以我們就會(huì)看到水滴靜止的情形。

圖5　LED閃爍頻率小于水滴下落頻率Fig.5　LED flicker frequency is less than the falling frequency of water-drop

如圖5所示，當(dāng)f2一定，稍微降低f1到合適大小的情況下，假設(shè)t時(shí)刻，水滴的位置處于圖5中黑色球所示位置，A、B、C即我們第一次看到水滴的位置，經(jīng)過Δt（LED燈熄滅的時(shí)間）時(shí)間，即t+Δt在時(shí)刻，水滴處于圖中白色球所示位置，A′、B′、C′即我們第二次看到水滴的位置。單就B點(diǎn)來講，t+Δt時(shí)刻我們看到的位置為A′，由于第二次看到的位置處于第一次看到的下面，所以我們就會(huì)看到水滴向下運(yùn)動(dòng)的情形。

如圖6所示，當(dāng)f2一定我們稍微調(diào)高f1到合適大小的情況下，假設(shè)在t時(shí)刻，水滴的位置處于圖6中黑色球所示位置，A、B、C即我們第一次看到水滴的位置。經(jīng)過Δt（LED燈熄滅的時(shí)間）時(shí)間，即在t+Δt時(shí)刻，水滴處于圖中白色球所示位置，即我們第二次看到水滴的位置為A′、B′、C′，單就B點(diǎn)來講，t+Δt時(shí)刻我們看到的位置為A′，由于第二次看到的位置處于第一次看到的上面，此時(shí)我們就會(huì)看到水滴向上運(yùn)動(dòng)的情形。

圖6　LED閃爍頻率大于水滴下落頻率Fig.6　LED flicker frequency is more than the falling frequency of water-drop

4　結(jié)　論

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該珍珠噴泉景觀控制系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，當(dāng)LED燈以不同頻率的燈光照射在滴水裝置恒定頻率的水滴上時(shí)，水滴在空中就會(huì)像珍珠一樣呈現(xiàn)出向上移動(dòng)、靜止和向下移動(dòng)3種不同的視覺景象［15］；該控制系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成本較低，可觀賞性高，能滿足用戶要求。

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Design of control system based on pearl fountain landscape

ZHANG Guang-bin1，CHEN Jia-fan2
（1.School of Physics&Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi′an 710062，China；2.Xi’an Middle School of Shaanxi Province，Xi′an 710018，China）

The lifestyle of people has the huge change with the development of electronic technology.The traditional fountain landscape that water moves from up to down doesn't meet the demand of people.The control system based on pearl fountain landscape that can produce three different kinds of sightseeing，such as up，static and down of water-drop is designed.The control system consists of LED，the drive circuit of LED and the drip device.The lighting frequency is controlled by the drive circuit of LED.Water-drop that is like pearl can produce three different kinds of sightseeing by the changing lighting frequency of LED and the constant falling frequency of the water-drop.The result shows that the control system is reliable，low cost and is able to meet the demand of people.

water-drop；flash-lamp；frequency；up；static；down

TN014

A

1674－6236（2016）05-0166-03

2015-12-28稿件編號(hào)：201512279

國家自然科學(xué)基金（11574191）

張光斌（1971—），男，陜西咸陽人，博士，副教授。研究方向：電子工程。