1、基于单片机的音乐喷泉控制基于单片机的音乐喷泉控制系统的设计系统的设计导师：答辩人：专业：电气自动化摘要v随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。因此以高新技术为主的各种新型水景工程：现代雕塑、音乐喷泉、激光水幕电影、超高喷泉、超大瀑布、百米跑泉、跳跳泉等，都在我国相继出现。程控花式喷泉是将现代控制技术应用于人工喷泉，通过单片机程序来控制喷泉的水姿变化，成为一种新的喷泉艺术形式。单片机作为一种控制用微处理器，包含有基本的软硬件资源。本文采用了单片机控制技术，给出了单片机控制电路，水泵控制电路，彩灯控制电路及部分单片机IO口初始化程序。随着科学技术
2、突飞猛进的发展，变频调速器技术正大步走进喷泉控制领域，发挥着不可替代的作用。单片机的输出通过数模转换来驱动变频器，通过变频调速技术对电泵进行调速，实现程序控制喷泉的高度，不仅能够进行多种水型切换，而且能控制喷泉水柱上下起伏。同时单片机还通过中间继电器来控制彩灯的亮灭。实现了对喷泉的水、光协同控制。关键词：人工喷泉，单片机控制技术， 变频器 设计背景v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
3、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。v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
4、统中信号的同步性问题。喷泉的物理原理v 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。设计内容v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
5、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。v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
6、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。v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
7、、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。造型方案设计v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
8、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。v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，有良好的视域喷泉造型平面图v1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扁嘴喷头水泵喷泉的水力计算喷泉的水力计算 v 图中：L1射流上升部分的水平投影（m）v L2射流
9、下降部分的水平投影（m）v R水平射程（m）v h射流高度（m）v 倾斜射流的仰角（度）流量计算 v喷头的流量可按下列公式计算： v式中 Q喷头的流量v U_喷头的流量系数v F喷嘴的过水面积v g重力加速度v由此可计算出主管道总流量为 ：v1223344435353533335 1.35 10/5 9.26 10/5 1.7 10/1 3.38 10/1.26 10/4.52/nQn Qn Qn Qmsmsmsmsmsmh 1总Q2QfgH嘴喷泉的管道布置、管材及附件选择喷泉的管道布置、管材及附件选择 v 1、喷泉的管道布置、喷泉的管道布置v 喷泉的管道主要由输水管、配水管、补给水管、溢水管
10、和泄水管等组成。v2、管材的选用、管材的选用 v 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。 喷水池的设计喷水池的设计 v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。如图所示排水管补充给水管供水管池底池壁溢水管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 S S R启 动T0取 节 拍 常 数休 止 符 ？取 音 符 常 数T R0 清 零 0结 束 码 ？查 表 取 常 数取 简 谱 码 指 针循 环 ？N结 束YNYN开 始初 始
11、化自 检调 花 形 子 程 序5S ?NYYN节 拍 时 间 到 ？T R 0清 零 0 ， 指 针 + 1Y下一音符下一花形主程序流程图 中断子程序流程图 0中断现场保护至速度表取速度控制字重置 0计数值恢复现场返回1.7结论v本文设计的音乐喷泉控制系统是旅游景点内用的小型音乐喷泉，具有造型优美、营业性强、控制简单可靠的特点，充分体现了经济性和实用性的原则，并且喷泉的安装方便、维护简单，能够满足用户的需求。v在系统设计中，运用流体力学理论设计了喷泉的管路系统；运用单片机实现了乐曲播放和流量及花形控制；运用protel软件设计出了控制系统的控制电路；运用SolidWorks软件实现了喷泉管道的三维造型和各控制附件的装配造型图，从而验证了制造安装的可行性与方便性；最后运用UG软件和PHOTOSHOP软件绘出了喷泉的立体效果图。v不足之处在于：系统利用的是单片机产生方波信号控制扬声器发音，所以播放的只能是音乐的曲调，而不是真人真唱的歌曲。
