基于压电泵控制的数字水幕系统设计探讨.docx

文章编号 ：（）基于压电泵控制的数字水幕系统设计探讨谢绍冬，冯清秀，张杰（华中科技大学 机械科学与工程学院 ，湖 北 武汉 ）摘 要 ：数字水幕不仅可给人视觉上的享受 ，且在日常生活中可给人们 提供很多方便。 压电泵具有结构简单， 耗能低 ，体 积小等优点 ，基于压电泵控制的数字水 幕系统研究不多。 对基于压电泵控制的数字水幕系统进行了研 究 ，搭建了一套可进行压电泵水滴 实验的实验平台。 经 实 验 测 出 了 压 电 泵 使水滴间距最小的最佳频率为 ，最小水滴间距为 ，并可对水滴个数进行精确控制 。关键词 ：数 字水幕 ；压 电泵 ；水 滴 ；最 佳频率中图分类号 ：；文献标识码 ： ， ，（，）：， ， ， ， ：； 引言数字水幕起源于美国 ，以 艺术形式完美的展现 科技，迅速吸引了众人眼球 。何为数字水？“如果想 了解数字水的 概念，不 妨想象下喷墨式打印机。” 麻省理工学院感应化城市实验室主任卡洛 拉蒂 说。数字水幕是指通过计算机精确控制流动的水从而形成多种图案和文字信息。“数字水幕”不仅可以 给人们视觉上的感受，还在生活上给人们提供便利 ； 它可用于公园等公共场所作为报时工具 ，还 可作为 政府、企业标语 的宣传工具。 压电致动方式产生的 体积位移大，能耗小，响应快，可靠性和耐久 性好， 是微型泵的一种重要驱动方式。 同传统泵相比，压 电泵的特点是结构简单 ，体积小，质量小，耗能低，无 噪声，无电磁干扰，可根据施加电压或频率控制输出 流量等。 压 电 泵 用 于 数 字 水 幕 的 控 制 目 前 很 少见，由于其具有很多优势 ，本文对压电泵用于数字水 幕进行探讨。 系统总体设计思路数字水幕可以利用水滴显示任何图形和文字信 息。首先是上位机的设计思路。上位机的功能是要 接收使用者输入的图形或文字信息 ，上 位机对图形 进行识别处理，将 其转换成二进制数。 用户设计的 图案可以保存成后缀为 格 式，再 将这种格式的图片转换成位图，文献提供了一种转换方式的代码。所谓位图图像，也称为光栅图像，是用小的格状 的像素组合表示图形 ，位 图中每个像素有一个特定 的位置和颜色赋值，得 到位图后将每个像素位置 信息保存。其次是单片机的设计。 单片机的控制 功 能 强， 有优异的性能价格比，有很高的可靠性。单 片机收稿日期 ：作者简介 ：谢 绍冬（），男 ，江 西抚州人 ，硕 士生 ，主要从事机电一体化装备方面的 研究。 冯 清秀 （），女 ，湖 北武汉人 ，副 教 授 ，主 要 从事数字制造 ，机电一体化装备方面的研究 ，：。与上位机通 信，接收 来自上 位机的图形像素信 息。 由于像素信息量大，可 以考虑多通道通信，文 献 讲解了单片机的多串口通信的方法 ，可 以借鉴。 单 片机有专门输出发送正负方波信号 ，控 制驱动电路以产生高压正负方波信号 ；其还要 对压电泵的通断 进行控制。最后，压电泵的输出特性与很多因素有关 ，如背 压、管道截面积等，控 制系统完成后，还 要对硬件作 大量实验，找到合适实验的硬件条件 。本文 设计 的 压 电 泵 控制 系统原理图如图 所示。图 压电泵控制系统图 驱动电路设计压电泵输出特性随电压和频率的变化而变化， 常用压电泵的驱动信号可以是正弦波 、方 波和三角 波，以方波最 宜。 压电振子的位移与所加 电 压 大 小近似成正比关系，为了增压电振子的体积变化量 ， 提高压电泵的背压能力，需增加驱动电路的输出电 压，若电压升高，则系统功耗 会增加，电 压过高还会 使压电材 料 退 极 化，影 响 压 电 振 子 的 使 用 寿 命。 本文采用电压峰峰 值为 频 率 可 调 的 正 负 方 波对压电泵进行控 制 ，频率可调范围为 。获得方波的思路 是 先 得 到 直 流 ，然 后 再 用 全 桥电路获 得 正 负 方 波。 第一步的方法有很 多，可对正弦 波 进 行 整 流、滤 波、稳 压；或 可 对 直 流 进行 升压转换。 无极可调 开关直流电源市场上可直接购买 ，符合缩短产品研 发周期的原 则。 全 桥 电 路 采用耐高压光耦 来实现，简单易 实现，在单片机中 设计了死区时间， 防止短 路。 由 于 所 使 用 的 单 片 机 功 率不够而不能驱动 ，改 为 用 三 极 管（）驱动，而 单片机控制三极管积极通断。 驱 动电路原理图和实物图分别如图 、所示。图 电路原理图图 电路实物图图中直流 电压由同一个直流开关电源提 供，并且单片机的 与直流 相连。 当 光耦 和光耦 导通时压电泵加正向 电 压；当光耦 和 光 耦 导 通 是，则 加 负 向 电压。此处 要 防 止 和 或 和 同 时 导通，否则会造成电源短路 ，这在单片机中加有死区时 间控制。此电路带负载能力强 ，可以带多个压电泵 同时工作，得到的方波稳定 且频率 （）可 调范围宽，频率范围图如图 所示。图 频率范围图 滴水实验 实验装置介绍实验装置 主 要 由 单 片 机 系 统 、驱 动 电 路、示 波 器、升降架、微型 压电泵和管道组成 ，示 波器用来观 察压电泵电压情况，升降架可以调整压电泵离地面 的高度，管道截面 积大小的选择以获得理想的水滴 效果为前提，采用 常州志邦电子科技有限公司生产 的压电泵，型 号 为 。 实 验 装 置 实 物 图 如 图 所示。图 实验装置实物图 实验过程实验过程如下：）实 验 条 件：电 压 为 交 流 正 负 方 波 ，背压，液体 为 清 水，管 道 截 面 积 为 ，保 证 水槽内没有气泡，管道距离地面高度为 。）连 续 正 负 方 波 频 率 为 、 、 、 、 、 、 ，用 高速摄像 机 观 察 水 滴间距。）以频率为标准，分别发送、个方波，用高速摄像机观察水滴间距 。 实验结果实验结果如下：）频率为 时，水滴间距缩 小，频 率为 时，间距又逐渐增大，最 小水滴间距约为 。各频率下的水滴间距如表 所示。 由表可 见，对于本 实 验 装 置，压 电 泵 在 交 流 正 负 方 波 下工作，当频率为时水滴间距最小 。表 不同频率下的水滴间距方波频 率水 滴间 距 方波频 率水 滴间 距）当 压电泵 在最佳频率 下 工作 时，可以精确控制水滴数目和间距 ，使得压电泵在一 个正负方波下滴一滴水 ，水滴数与正负方波数目成 正比关系，图为正负方波数为、时的水滴图。图 正负方波数为 、水 滴图 结束语本文对基于压电泵控制的数字水幕系统设计进 行了探讨，搭建了一套可作实验的水幕系统 ，并进行 实验得出：）初步形 成一 套 可以用 于 探究基于压电泵控 制的数字水幕实验平台。）探究了压 电泵 形成理想水滴间距的 最佳频率，在本实验装置条件下最佳频率为 。 ）在本实 验装 置 下可以 通 过发脉冲数精确控 制水滴数。数字水幕不仅可以给人一种视觉上的享受 ，还在很多方面为人们的生活提供了方便 ，如 在公园给 公众提供报时，给政府或企业宣传标语 ，或在大型酒 店的大堂或酒吧使用。 所使用的水可循环利用 ，既 节约能源又环保。 压电泵又有很多优势 ，故 基于压 电泵的数字水幕具有很大的市场前景和现实意义。参考文献： 杜启荣 ，卜 晓明 水 幕 来 做 墙 ，遇 人 会 分 开 建 筑 工 人 ，： ， ， ，： 冯晓光 ，赵 万生 ，栗 岩 ，等 压电陶瓷微位器驱 动电源减 小其纹波的方法压 电与声光 ，（）： ， ， ， ，（）： 刘潇建基于 的三相压电泵驱动电源机 电工 程技术 ，： ，： 唐振军 ，刘 国忠 利 用 类 实 现 图 像 读 写 及 显示电脑编程技巧与维 ，： ， ，： 范金慧认识计算机图形图像的两种类型 位图 图 像和矢量图形影 像技术 ，： ，： 胡乾斌 ，喻 红 ，李 玲 ，等 单片微型计算机原理与应用 版 武 汉 ：华中科技大学出版社 ，： 胡 谦 珀 单 片 机 多 串