基于STM32的數字水墻控制系統設計

摘 要：本次設計是針對水流數字圖像化系統的特點，計了一種基于STM32的數字水墻智能控制系統。本系統結合了數字圖像處理以及水滴掃描顯示圖像化的單片機控制相關技術，實現了一種景觀水墻的圖像顯示產品，可以在一定程度上實現了系統一體化、技術簡單化和成本低廉化。

關鍵詞：數字水墻；STM32；智能控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 06-0000-02

新時代隨著生活水平的提高，人們開始注重生活情調，“水的觀賞價值”也得到重視。近年來，一種極具夢幻色彩的水幕電影逐漸興起，帶給人們視覺上的享受。與此類似，2008年西班牙世博會首次面世的數字水墻也帶給人們新穎之感，但水幕電影放映成本極高，數字水墻形狀和內容過于單一，針對以上問題，我們設計了基于stm32控制系統的數字水墻

一、數字水墻系統簡介

數字水墻是由流動水構成，在計算機控制電路的精確操控下，使流動水形成水流和空隙，從而可顯示出多種文字和圖案。這些文字和圖案隨水流一起，一幅一幅下降。由于數字水墻巨大，顯示的文字和圖案可觀性強，有震撼感，具有超強的視覺沖擊力和過目不忘的展示效果。

數字水墻利用計算機控制電路對流動水進行操控，使其在下落過程中顯示出多種文字和圖案。它和水幕電影有著本質的區別，水幕電影的“銀幕”是霧化水，此霧化水是不受控的，其文字和圖像是依靠專用投影儀或激光系統放映。而數字水墻的水是受控水，此受控水受計算機伺服控制系統精確控制水的流動或空隙來形成文字和圖案，而無須其他放映設備。

數字水墻擁有廣闊的市場應用前景，有很強的顯示效果，擁有娛樂、廣告、展示等用途，可方便的應用于科技館、展覽館、商場等場所。不僅顯得更加真實、華麗，且結構簡單，造價低，應用范圍廣。數字水墻市場潛力十分巨大。目前，項目組還是樣機研制，已有省、市科技館，展覽會，公司等前來洽談業務。在我國市場巨大，經濟效益可觀。

二、系統整體設計

3D環形水幕結構包括多組高速伺服電磁閥、計算機數字控制電路、穩流水箱、循環清潔水源和水幕構架。該水幕由流動水構成，水由水泵從下方抽到上方的穩流水箱，再供給給電磁閥噴頭，在計算機控制電路的精確操控下，使流動水形成水流和空隙，從而顯示出多種文字和圖案。立體圖形被分割成多個平面，一排電磁閥即是一個平面，電磁閥排列成一個矩陣，通過控制電磁閥不同通斷時間，形成3D影像。同時，通過對水流模型的精密計算，將手寫板上手寫的文字和圖案進行優化處理，利用人機通信從而顯示在數字水墻上，隨時手繪、隨時顯示。

三、控制系統硬件部分設計

水墻由多組（每組為32個）高速伺服電磁閥，計算機數字控制電路，穩流水箱，循環清潔水源和水墻構架等組成。在計算機數字控制電路的精確操控下，供有穩流水源的伺服電磁閥高速通斷，在水流間形成空隙，從而可顯示出多種文字和圖案。

技術上采用自行設計的立體九噴嘴伺服電磁閥、組合式穩流水箱等性能優越的部件，保證本作品清晰的顯示效果。通過實驗發現，要具有良好的水墻顯示效果，要求所設計的伺服電磁閥具有不大于20ms的通斷速度和伺服電磁閥性能的一致性。

為此，項目組設計了立體九噴嘴伺服電磁閥，其控制電流小于3A。通過設計和工藝來保證伺服電磁閥性能的一致性。由于伺服電磁閥的通斷動作需要控制電路和驅動電路的共同配合，而伺服電磁閥的快速性、一致性等特殊要求，導致這些電路控制部分必須置于伺服電磁閥附近位置。為了使控制電路不受水霧干擾，以及滿足水流平穩的要求，項目組特別設計了帶環流隔板的“二合一”組合式穩流水箱。

四、軟件部分的設計

（一）上位機設計

其中水速設置分為三個檔位：慢控、中控、快控，它通過控制數字水墻系統中水滴的速度來呈現不同的顯示效果。

用戶使用時，首先需對水速進行設置，其中慢控顯示清晰度最低，消耗功率最小，快控顯示清晰度最高，消耗功率最大。在確定以上設置后，用戶需要對顯示內容進行設定。本數字水墻系統所顯示的內容可以通過圖片選擇功能，瀏覽上位機中的圖片，也可以通過手繪輸入功能，設計繪制想要顯示的內容。在確定以上操作后，按下水幕開關，顯示系統開始工作的on綠燈亮起，本系統便開始工作了。

系統狀態欄，它主要有上水、上電、點陣生成和水墻顯示。當啟動水幕后，首先系統給水箱上水，接著系統給電磁控制模塊上電，接著將所需輸入圖片點陣化，最后通過stm32控制水墻顯示。該欄可以實時顯示系統工作狀態，綠燈亮表示該模塊工作無誤，以此得知系統是否工作正常。

（二）Stm32設計概況

由上位機選擇已有圖片或手動繪圖兩種方式得到圖像，先取出圖片中每一個像素的灰度值，再將此點的顏色的紅、綠、藍成分都設置為灰度值（灰度值=紅色×0.30+綠色×0.59+藍色×0.11），取得某像素顏色可以通過API函數GetPixel完成；設置某點的顏色可以通過SetPixel完成。將圖片灰度處理轉為黑白圖片。所有圖片都可以通過點陣選取的方式顯示，因此可以用Image2LCD軟件選取點陣將灰白圖片生成相應的點陣數據，上位機用USB做虛擬串口將點陣數據傳輸給STM32。STM32接收到數據后控制水泵上電工作，STM32根據上位機傳過來的點陣數據，逐行掃描并產生相應的PWM波，將產生的PWM波用74HC595擴展輸出端口并輸送給電磁閥以驅動電磁閥開關，控制電磁閥的開關時間使水滴在落下的時候形成一幅圖畫?？梢酝ㄟ^上位機給STM32傳輸不同的圖片實時在水幕上顯示，操作簡單方便，具有很強的觀賞性。同時用水泵把水箱中的水注入電磁閥管道中，控制水泵的抽水速度穩定水箱流速，達到水循環平衡。使水幕可以穩定工作。

五、結束語

這種魔幻般的流體數字建筑，其構造可變、方便運輸、效果壯觀，具有極好發展前景。字水幕在市場上的主要用于大型的酒店，機關、企事業單位、各種娛樂場所等，作為裝飾裝修的一部分，一方面可以增加美感和高科技感提高企業檔次，另一方面還可以發布各種領導接待、歡迎信息、企業信息等。還有可以用在展會展覽、新品發布上面，充當大型的廣告媒介，廣告效果和人群到達率不言而喻。商家十分看重數字水幕本身震撼可觀的信息顯示方式，考慮到水下落的聲音特質，一些音樂展廳和藝術鑒賞會，也對數字水幕青睞有加。

另外，它是一個新穎的水景設計，用在廣場、園林方面比傳統的噴泉、小瀑布、水幕電影更具有優勢前景。此外，水能夠增加空氣的濕度，有利于室內環境，經過改進有希望應用于室內裝潢。其市場潛力十分巨大。

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[作者簡介]孫毅（1992.06-），男，河南洛陽人，中國計量學院，研究方向：精密檢測。

[基金項目]浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目（項目編號：2013R409009）。