基于单片机音乐喷泉控制系统的设计

1、基于单片机的音乐喷泉控制系统的设计导师：张惠玲辩论人：史欣欣专业：电气自动化摘要随着科学技术的不断开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，包含有根本的软硬件资源。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，彩灯控制电路及局部单片机IO口初始化程序。随着科学技术突飞猛进的开展，变频调速

2、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 设计背景德国创造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。经过多年来的开展，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

3、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开展。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欣赏性的小型“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。喷泉的物

4、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。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，那么转速是

5、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。针对不同水形要求有不同的控制方法，从喷泉的控制来看根本可分为四类：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，到达一种花型变换；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

6、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

7、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，而且欣赏效果好，可以从各个方向上都能

8、够看到同样的花形，作为旅游景点内欣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，有良好的视域喷泉造型平面图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扁嘴喷头喷泉的水力计算 图中：L1射流上升局部的水平投影m L2射流下降局部的水平投影m R水平射程m h射流高度m 倾斜射流的仰角度流量计算 喷

9、头的流量可按以下公式计算： 式中 Q喷头的流量 U_喷头的流量系数 F喷嘴的过水面积 g重力加速度由此可计算出主管道总流量为 ：喷泉的管道布置、管材及附件选择 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。2、管材的选用 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。如下图控制系统的方案设计主程序流程图 中断子程序流程图 结论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，充分表达了经济性和实用性的原那么，并且喷泉的安装方便、维护简单，能够满足用户的需求。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