室内感应式喷水自动控制系统

于秀明，丁云飞，李居尚，李 鹏，韩东宁

(长春理工大学光电信息学院，长春 130012)

室内感应式喷水自动控制系统

于秀明，丁云飞，李居尚，李 鹏，韩东宁

(长春理工大学光电信息学院，长春 130012)

室内喷水系统应用越来越广泛，可作为景观，也可作为娱乐。本文提出使用感应式喷水，设计在小型室内“激流勇进”游戏项目中增加一个喷水效果。

室内；微波感应式探测器；自动控制；时间延时

随着市场的发展，儿童娱乐场所需求日益增加，这对经营者提出了更高的要求，在保障儿童的安全外，还要有吸引儿童的特点，比如视觉冲击、音效冲击、触觉冲击等。目前，国内外已经有许多喷水设计方案，如单片机控制、声音控制等。本文设计了室内“激流勇进”游戏项目中模拟水帘洞喷水自动控制系统。当有船只靠近入口或流出出口时，山洞入口上方或出口上方水流立即停止，与此同时，另一侧的水流正常。当船只进入山洞时，山洞的入口出口水流正常，船只远离山洞时，水流经短暂延时自动下流。在考虑游乐场人多、环境嘈杂的情况下，不适宜用声音控制，采用感应式控制。

1 电路框图

由感应探测器IC1开关电路、555定时器构成的延时电路、整流滤波电路及电机喷水电路组成原理框图1。

图1 原理框图Fig.1 Principle diagram

2 工作原理

由微波探测器和晶体管组成IC1，位于模拟水帘洞前方及洞口距出口的一定距离，平时微波探测器产生一个1～3 m(可调)的空间微波探测场区域(如图2所示)，探测区域内若无物体移动时IC1的状态为低电平输出不工作，晶体管状态为截止状态，继电器K工作，常开触点吸合，水泵电动机电源接通，喷水自动打开。

图2 微波探测器安装示意图Fig.2 Microwave detector installation diagram

探测空间区域内是否有船只移动是利用微波探测器的多普勒效应。多普勒效应在本设计中是当有船只靠近山洞口时，船只会对IC1环状天线发出的微波产生反射作用，反射回波会使微波的电磁场(相位、频率)发生变化，其接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。用公式Δf表示：

Δf=f′-f

(1)

f′为接收体(船只)接收的频率，f为发射体(探测器)发射频率。当船只与探测器相互靠近时，接收频率f′大于发射频率f，即：Δf>0。当船只与探测器相互远离时，发射频率f大于接收频率f′，即：Δf<0。设船只的运动速度为V，光速为C，多普勒频移最基本的计算公式是：

(2)

从公式中可以看出，多普勒频移可正可负，这取决于α。α为船只的运动方向与微波入射方向之间的夹角有关。cosα>0，使fm为正，此时接收频率上升。cosα<0，fm为负，接收频率下降。

经IC1内部处理，从IC1输出为高电平，与IC1连接的晶体管导通后触发IC2(即555定时器)翻转进入暂稳态，与此同时使继电器处于常开状态，K断开，水泵电动机不工作，喷泉自动停止，当连续在IC2的外部电容充电高于IC2的阈值电位，单稳态电路发生翻转，跳变回稳定状态，使IC2(555定时器)的输出再为低电平，继电器工作K吸合，水泵电机的电源接通，喷水自动启动。

3 单稳态电路

单稳态触发电路组成IC2单元图3所示。

图3 单稳态触发器Fig.3 Monostable trigger

4 延时方法

考虑到游乐项目人多的情况下，船只与船只之间靠得很近，因此延时的控制时间一定要设定合理。延时时间过长，景观不美观，起不到水帘洞的效果且浪费水电。延时时间过短，容易淋湿后面船只游客，喷水电机的频繁启动，也会缩短继电器K和电机使用寿命。延时时间由公式τ=RC来估算。公式中的RC由单稳态电路中的参数来决定。在选择电阻R的范围时，可以选择几百欧至几兆欧。电容的取值范围从几百皮法到几百微法均可。不考虑三极管的饱和压降，555单稳态触发器精度可达0.1%。

5 结论

本文使用的微波探测器微波灵敏度与水流速度密切相关，水流快微波传感设备生成高频信号，水流慢则生成低频信号，根据以上频率特性，可专门设计信号处理电路以实现良好的探测性能。555定时器选择如NE555、SL555等具有驱动能力较强，电源电压范围在几伏到十几伏，最大负载电流可达上百毫安的双极性产品。继电器选择使用小型中功率电磁继电器且具有带负载能力强的功用。电路中所使用的变压器T要具有良好散热效果，长时间使用不能过热。

本文提出的感应式喷水自动控制系统，可靠性高、设计简单，对提高游乐的观赏性有一定的作用。

[1] 顾继慧.微波技术(第二版)[M].北京：科学出版社，2015.

[2] 廖承恩.微波技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[3] 殷际杰.微波技术与天线：电磁波导行与辐射工程(第2版修订版)[M].北京：电子工业出版社，2012.

[4] 汤蕴璆.电机学(第4版)[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5] 康华光.电子技术基础：模拟部分(第5版)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6] 铃木雅臣.晶体管电路设计(下)[M].彭军，译.北京：科学出版社，2014.

[7] 焦瑞莉.数字信号处理[M].北京：机械工业出版社，2011.

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

吉林省高等教育学会2017年度高教科研一般课题“独立学院高等教育质量提升策略与实践研究”(JGJX2017D348)

于秀明(1983-)，女，硕士研究生，讲师。

丁云飞(1979-)，男，硕士研究生，助理研究员。