基于单片机的音乐喷泉控制

1绪论1.1设计背景德国发明家奥图皮士特先生在1930年提出喷泉的相关理论，随后他在百货商店和餐馆前建造小型的喷泉。经过多年来的发展，音乐喷泉的设计变的多样化，构造变得复杂化。在1952年的夏天，在西柏林的工业展览中，一个美国人看到了奥图皮士特先生音乐喷泉的表演，并把它带回纽约。1953年1月15日音乐喷泉在美国首次表演，表演期间超过150万人观看。在音乐喷泉走向全世界的同时，各种新技术也不断地运用在音乐喷泉上，使其表演变得复杂和美丽，给人们带来无限的乐趣，提高了人们的生活质量。为了使控制简单可靠，适应现代社会的市场需求，各种形式的喷泉层出不穷，并逐步转向小型和营业性较强的方向发展。其音乐喷泉的控制也变得灵活多样，如单片机、PLC、DSP等都在音乐喷泉中有所运用，当然也具有优缺点。本课题针对旅游景点内设计了观赏性的小型“音乐喷泉”。选用单片机作为此次音乐喷泉控制系统设计的控制核心，主要是为了实现单片机的放音，并控制多个电磁阀的开闭动作和水泵的动作，解决系统中信号的同步性问题。1.2音乐喷泉的现状和发展北京石景山古城公园的音乐喷泉，在悠扬动听的音乐声中，喷水可产生五六种变化，时而转动如银伞，时而飘忽如玉带，时而如金蛇狂舞，时而旋转飞溅……喷出的花形有昙花、菊花、扶桑花、百合花和曼陀罗花，这是在80年代初期中国较早修建的一个音乐喷泉。南昌的秋水广场是由“落霞与孤雁齐飞，秋水共长天一色”的意境而得名，秋水广场就是以喷泉为主题，集旅游、观光、购物的大型休闲广场。他的音乐喷泉最吸引人注目，是国内最大的音乐喷泉群，泉水面积1.2万平方米，主喷高达128米，是南昌的一倩丽景观，人们可以一边欣赏音乐，一边观看滕王阁的美景。新加坡圣陶沙旅游区的音乐喷泉的设计与效果也是值得参考的，它布置在一个空旷而略有坡度的空间，面积很大，与圣陶沙车站前的长形喷水池共同组成为一个长达数百米的综合系列喷泉，音乐喷泉位于系列喷泉的顶端。舞台为一假山堆叠的西洋式半圆柱廊组成，共分3层。白天，假山瀑布及两侧的喷泉群与3层水池形成一处动静结合的较为文雅悠扬的水景园，入夜则有五光十色，优美动听的喷泉景观，整个舞台区域东西面阔近百米，南北深度约40m,成为目前亚洲最大的音乐喷泉之一。表现出壮阔、绚丽的水景之美。以上几处音乐喷泉从建筑形式、音乐曲调及水舞表演的角度展现了音乐喷泉的美丽姿态，但是都属于大型的音乐喷泉，其控制系统也多采用PLC逻辑编程控制，造价高，流量需求大，一般为专门的定量设计。即使这样，国内外的音乐喷泉控制系统设计均已达到成熟的水平，而且还有专门的生产设计厂家，提供设计、喷泉设备及安装等服务。目前，国内的音乐喷泉逐渐向智能化、分散化、综合化、多样化的方向发展，于是对喷泉控制系统的设计也提出了更高的要求。1.3喷泉的物理原理喷泉的原理是个动量守恒，从大半径管道到小半径管道，产生一个速度的变化，冲向背离地面的方向。大半径的速度由泵带动，小半径中的速度是原来速度，与动量转化速度。需要选择一个微元计算动量守恒，这样能求出一个速度，这个速度是出口速度，然后就是一个上抛运动了，这个是理想的情况，没有摩擦，没有风。1.4本课题设计内容音乐喷泉的工作原理为：根据播放的音乐来控制喷泉的花形大小变化和水柱的高度变化，以使水柱高度的变化及花形大小的变化与音乐的节奏同步，喷泉管路中的水流由水泵调节，而水泵是由三相异步电动机驱动的。因此只要控制了三相异步电动机的转速，就可以可能控制管路中的流量，当给三相异步电动机通入工频电源时，则转速是不变化的；当采用变频器控制电机的转速时，可以使管路中的流量发生柔性变化，这样喷泉运行时花形变化就更灵活。随着音乐喷泉的使用越来越广泛，涉及到的控制方式也就越多，变频器，单片机，上位机，触摸屏等，于是喷泉的控制涵盖了自动化的各个学科，并且形象直观。虽然喷泉的种类繁多，如广场喷泉、景点喷泉、旱泉、跑泉、激光喷泉、层流喷泉、趣味喷泉、水幕电影等等，这些喷泉喷水时的花形都具有千姿百态的效果，但都有一个共同的特点：即形成水形的基本通路都是由水泵、管道、阀门和喷头组成。因此，音乐喷泉工程中无疑也会安装大量的电磁阀门、彩灯、水泵和产生其它机械动作的电机。除个别变频水泵需要用模拟信号来连续调节水柱高度、实现特定的艺术效果之外，其它部件基本是通过开关量进行控制。这些开关信号驱动阀门、彩灯、水泵随着音乐进行不同的组合，从而产生各种水形和灯光变换效果。为了达到听觉、视觉的和谐统一，控制系统应能根据音乐的节奏、旋律和感情色彩输出，产生各种不同的状态组合来控制水形和灯光实时变化，这也是音乐喷泉的控制不同于工业控制的主要特点。针对不同水形要求有不同的控制方法，从喷泉的控制来看基本可分为四类：第一类水形，启动水泵直接向管道和喷头加压，效果是喷头的水柱在启动和停止时有一过渡的升降过程；第二类水形，需要通过变频器控制水泵转速来实现一种水柱连续升降的效果；第三类水形，在加压喷水时启动传动电机控制喷头摇摆，达到一种花型变换；第四类水形，需要在直接启动水泵向管道加压后，通过控制器快速地控制大量的电磁阀门的开闭，使喷嘴以各种方式进行点射，形成所谓的跑泉和跳泉效果。通过上述分析，本课题将同时采用第二类水形和第四类水形，即控制系统须控制变频器的动作，实现对水泵转速控制，让喷泉在运行时，可以看到水柱的连续升降和花型的大小变化效果；为了在喷泉运行过程中，随音乐的节奏变化，可以在不同的瞬时获得不同的花形，系统将设有一定数量的电磁阀，系统将根据音乐节奏的快慢或信号的强弱，控制相应的电磁阀开闭状态，就可以得到不同的花形。由于涉及到变频器、水泵、电磁阀、喷头的选择，故需进行喷泉造型系统的管网进行设计计算（流量计算、损失计算等），这将作为变频器、水泵、电磁阀、喷头选择的依据；同时要进行控制系统设计（硬件设计和软件设计），是为了实现单片机的放音、花形变化、灯光变化，以及音乐信号和花形的同步性处理。2音乐喷泉造型系统设计2.1造型方案设计及选择方案：设置了十六个喷头，分内外两圈布置，在水池的中心还设置了一个花柱喷头，喷泉造型如图2.1所示。本方案采用十字形供水方式，将水泵设置在喷池中央，同样是为了让水流迅速流至每个喷头，当然也可以采用在外圈或内圈安装水泵，用一短直管将内外两圈的水管连接起来，就可以向各个喷头供水了，但是这种方式使距离水泵较远的喷头的水柱高度变化会滞后于距离水泵较近的同性质的喷水高度变化，产生的滞后效应较十字形供水方式的滞后效应大。同时，本方案具有花形控制灵活，花形变化类型多，而且观赏效果好，可以从各个方向上都能够看到同样的花形，作为旅游景点内观赏用的音乐喷泉是较佳的选择。选择此方案作为本次设计的花形造型方案。由于喷泉设置在旅游景点内，为了取得较好的视距效果。因此，喷泉所占据的空间位置，需根据人眼视域的生理特征以及周围的景物来确定，经查相关资料，由以下两个指标确定，即垂直视域和水平视域。当垂直视角在30度、水平视角在45度的范围内，有良好的视域[1]。当垂直视角为30度时，其合适视距为[1]：10cot()30cot()23.7()DHhHhHh式（2.1）式中D1—合适视距H—景物高h—人眼高根据旅游景点内的特征，取水平合适视距为2.5m左右较为合适，因此由式（2.3）可得喷水池的宽度为22.52.11.21.2DWm式（2.4）由于小型喷泉的垂直合适视距约为喷水高的3倍，喷泉景物合适的视距约为景物宽度的1.2倍，因此喷泉的喷水高度按最大为2m高的水柱进行设计，宽度也按2m进行设计。水泵1—花柱喷头2、3、4、5、6—树冰喷头7、9、11、13、15—万向直流喷头8、10、12、14、16—扁嘴喷头图2.1喷泉造型平面图∑h局—局部水头损失之和2.3喷泉的管道布置、管材及附件选择2.3.1喷泉的管道布置喷泉的管道主要由输水管、配水管、补给水管、溢水管和泄水管等组成。现将其布置要点简述如下：①大型喷泉中，管道多且复杂时，应将主管道敷设在渠道中，在喷泉底座下设检查井，为了使喷水获得等高的射流，对于环行配水管网，多采用十字形供水。②由于蒸发等原因，造成喷水池内水量的损失，另外水泵运行前需要充水，因此喷水池需设补充供水管。③为了池水上涨造成溢流应设溢水管，为了便于清洗在水池底部应设泄水管。④连接喷头的水管不能有急剧的变化，直管的长度不小于喷头直径的20～50倍，以保持射流的稳定。⑤喷泉所有管道的接头应严格密封，安装完毕后，均应进行水压试验。2.3.2管材的选用按表2.2选择喷泉主管道为公称通径为50mm，外径为60mm的钢管，管螺纹连接方式（圆柱形管螺纹），其螺纹长度为24mm，基面处大径为49.616mm。2.3.3管道附件选择在喷泉的管道中，除开直管、喷头外，还有管道的连接件，控制件、过滤器等附件。①连接管件钢管的连接方式有螺纹连接，焊接和法兰连接三种。由于在管径计算时所得管径为50mm，同时为使安装方便，故选螺纹连接[1]。表2.2喷泉管道材料选择表2.4水泵及电机的选择潜水泵泵体可以完全浸于水中工作，其电动机和水泵的运动部件都是利用水来润滑，所以不会产生过高的水温，效率较高，既减少了机械损失又减少了水头损失。查JB/T8092-1996标准[8]选择潜水泵的型号列于表2.5。表2.5潜水泵的主要技术参数表型号额定流量(m3/h)额定扬程(m)额定功率（kw）额定转速(R/min)额定电流(A)额定电压(V)配管内径(mm)QSP12.5-40-312.540328607.54380502.5喷水池的设计2.5.1喷水池的组成喷水池由池底、池壁、喷水供水管、吸水管、溢水管、泄水管、补充剂水管等组成。如图2.3所示：2.5.2喷水池的尺寸确定由于喷泉的喷水范围为直径2m,为使水滴不落到池外，在该范围的基础上，将其周围留250mm的余量空间，于是得喷水池的尺寸为的圆形水池2.5m，池壁高出地面0.4m，水深0.35m。由此可以计算出水池的最大蓄水量为：2232.50.351.7244dhVm式（2.44）3控制系统的设计3.1控制系统的方案设计扬声器灯光电磁阀光电隔离喷头潜水泵变频器延迟放大单片机SSR图3.1控制原理图方案：控制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成，其控制结构形式如图3.1所示。该控制方案是通过对音乐信号的处理，将其转换成汇编程序存入单片机，使单片机唱歌，而且再改程序之中还加入其他控制语句。由控制原理图可以看出。单片机还需喷泉中的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化，其中电磁阀对喷头控制思想是：预先是根据设计的花形种类和变化方式，通过对电磁阀的开闭进行组合，编制不同的控制字制成表存入单片机，当单片机执行程序时，通过查表的方式去取不同的花形，以达到预想的花形变化，这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。同样，单片机对变频器的控制也与之类似，只不过控制字的编制是根据音乐的频率进行编制的，而且查表的方式也有所不同，这将在后面的内容中进行阐述；因而变频器根据所接受的信号，输出不同的频率值，以控制水泵的转速，进而达到控制喷泉管路中的流量，就可以控制水柱的高度和花形大小了。灯光和音响是由同一个I/O口经延迟放大电路后，使它们达到同步动作，而灯光之前须接一个固态继电器，以驱动灯具，并使之与单片机隔离。3.2单片机型号选择3.2.1确定单片机型号经查INTER公司主要单片机微处理器系列MCS-48、MCS-51、RUPI-44、MCS-96等，考虑到本设计的特点，需要将程序预先写入程序存储器，只有选择具有可擦除功能的程序存储器[11]。因此，本次设计选择MCS-51系列的8751芯片作为控制核心。3.3控制系统的硬件设计3.3.1系统组成该硬件电路的核心是8751单片机，其片内具有4KB的EPROM，无须外扩程序存储器；该系统中控制的对象，没有大量的运算和暂存数据，片内的128B的RAM已足以满足容量要求，故不必进行片外的RAM扩展。为了控制操作方便，在P1口增加了第一曲、第二曲、循环等选择功能。考虑到本系统的控制特点：主要的数据处理时进