基于单片机的音乐喷泉

1结论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，并把它带回纽到。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，各抻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'流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，并控制多个电磁眼的开闭动作和水泵的动作，解决系统中信号的同步性问题。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，喷水可产生五大神变化,时而转动如银伞，时而飘忽如玉带，时而如金蛇在舞，时而旋转飞也……喷出的花形有昙花、菊花、扶桑花、百合花和曼帕罗花，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，人们可以一边取赏音乐，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M的喷泉杆与3层水池形成一处动静结合的较为文雅悠扬的水景园，人夜则有五光十色，优美动听的喷泉景观，整个舞台区域东西面同近百米，南北深度为40m,成为目前亚洲最大的音乐喷泉之一。表现出壮阔、绢丽的水景之美。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，但是那属于大型的音乐喷泉，其控制系统也多采用PLC遗相编程控制，造价高,流量需求大，一般为专门的定量设it。即使这样，国内外的音乐喷泉控制系统设it均巳达到成熟的水平，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。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it算动量守恒，这样能求出一个速度，这个速度是出口速度，然后就是一个上脑运动了，这个是理想的情况，没有摩擦，没有脚。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仇与音乐的节奏同步，喷泉管珞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,就可以可能控制管珞中的流量，当给三相异步电动机通人工频电源时，则转速是不变化的；当采用变颛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廷，涉及到的控制方式也就越多,变颛器，单片机，上位机，触摸扉等，于是喷泉的控制涵盖了自动化的各个学科，并且形象直观。虽然喷泉的抻类繁多，如广场喷泉、景点喷泉、旱泉、胞泉、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邵具有千姿百态的效果，但邵有一个共同的特点：即形成水形的基本通路都是由水泵、管道、阔n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网口、彩灯、水泵和产生其它机械动作的电机。除个别变颛水泵需要用模机信号来连续调节水在高度、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、部灯、水泵施着音乐进行不同的组合，从而产生各抻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、旃律和感情色彩输出，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，形成所谓的胞泉和跣泉效果。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，实现对水泵特速控制，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仇效果；为了在喷泉运行过程中，陵音乐的节奏变化，可以在不同的腕时获得不同的花形，系统将设有一定数量的电磁隔，系统将根据音乐节奏的快慢或信号的强弱,控制相应的电磁隅开闭状态，就可以得到不同的花形。由于涉及到变频器、水泵、电磁阳、喷头的选择，故需进行喷泉造型系统的管网进行设itit算（流量it算、损失it算等）,这将作为变频器、水泵、电磁阳、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it）,是为了实现单片机的放音、花形变仇、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抽离水泵较近的同性质的喷水高度变仇，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，花形变仇类型多，而且观赏效果好，可以从各个方向上都能明看到同样的花形，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it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⑴。当垂直视角为30度时，其合适视他为2D[=cota(H-h)in0=cot式(2.1)=3.7(//-/?)式中以一合适视距H一景物高h一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式(2.4)式(2.4)IV=-^=——«2.1/771.21.2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为为景物宽度的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。

1一花柱喷头2、3、4、5、61一花柱喷头7、9、11、13、15—月向直流喷头 8、10、12、14、16—扁嘴喷头图2.1喷泉造型平面图2.2喷泉的管网设计喷泉的水力计算①水平射程和喷水高度影响喷头水平射程的因素很多，但主要因数是工作压力，喷嘴直径和喷射角度,射流曲线凯述的几个主要参数见图2.2。图2.2超斜射流曲线就述图中：口一射流上升部分的水平投影(m)

L2一射流下降部分的水平投影(m)R一水平射程(m)

h一射流高度(m)。一超斜射流的？角(8)表2.1喷泉中各喷头的型号及参数表喷头型号WX-117HZ-112BZ-305SB-219水压(KPa)43-67705055Si(m7h)0.6—0.85—742.5畸高(m)1.6—3.51.2—2.00.8—1.51.2喷酒直径DN(mm)0.21.5—旌接管直径15252520连接形式内操线内照坟内蝶坡内舞纹安装尺寸A(mm)70100150140安装尺寸B(mm)40605010数量(个)5155图片阮助老②流量计算喷头的流量可量下列公式it算:式(2.27)式(2.35)e=式(2.27)式(2.35)式中。一喷头的流量〃一喷头的流量系数/一喷嘴的过水面积g一重力加速度由此可it算出主管道总流量为:Q总=〃◎+&2+%2+&2=5x1.35x10-4加/5+5x9.26x10-5m3/s

+5x1.7x10-5〃//s+ix3.38xlO-5〃//s«1.26xl0-3w23/5«4.52m3//?配水管网的计算配水管网的it算主要是确定管径和水头损失。①管径的计算由水力学公式得知。=4•匕而4=/斤，将其代人上式，称项得飞4D据 式（2.36）式中D一管位Q——流量A—水管的过水断面枳（通流面枳）冗一圆周率V-流速查标准管道直径系列无48mm的管径，因此需对其修正，查标准管径系列取D=50mm.②水头损失计算喷泉中使用的管道那是压力管道，水流经管道时能量损失叫水头损失。因此，总水头损失等于沿程水头损失与局部水头损失之和%即h总二注沿+Zh同 式（2.38）式中h一总水头损失Eh--—程水头损失之和Xh局——局部水头损失之和喷泉的管道布置、管材及附件选择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、漪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，在喷泉底座下设枪查井，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，.此喷水池需设补充供水管。③为了池水上涨造成涌流应设溢水管，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，均应进行水压试脸。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的物管，管蝶纹连接方式（圆柱形管螺纹），其螺纹长度为24mm,基面处大径为49.616mm。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'源器等附件。①连接管件烟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位为50mm,同时为使安装方便，极选螺纹连接％表2.2喷泉管道材料选择表管材类别和名称产品将征优点缺点管单根容许工1s蜜初：耐力大，抗震佳，弯切1、易生诱：理在土中易金水债径长度作压力易腐蚀，其寿命为20~属煤锌(m)(kg/2、薄轻：壁薄，质轻，耗料少30年。管气制mcm2)3、不植：内壁较光滑，水力条件2、价昂管m好3、白纲管比黑铁管垂3~管4、易装：连接方便（白铁管的短6%,因为有握锌层，白W10普辞层能保护管和税的色味不不宜岸接。铁6~4~9通管锈损）管155W16M厚管②控制管件在喷泉管路中常用的周门主要由闸隔，截止聚逆止W,电磁来其驱动方式一般为手动。连接型式有内螺纹和法兰两神，公杯压力一般在10kg/c〃/以下。止回10叫单向阳，它是用来限制水流朝一个方向流动，用于水泵出水管和水源进水管等处，以防止水的倒流。浮球阀是依靠水位变化而自动控制水流的开关。来保持水位以便自动供水。SLDF系列电磁眼是是使水柱的变化随音乐的节奏而变化得到不同的花蟹，达到花型效果。各抻控制管件的选择列于表2.3。球圈:安装在电磁附和管道之间，使用它的目的是为了,再安装调试时，便于调节喷头内的水流量，以便到达用户想要的喷水高度和喷水花形大小。手动截止阀:安装在排水管处，相当于闸阀使用，条件不足时，可以用球阀代替,以便水池的清洗和换水。

直通式管接头：用于球阳、电磁心和喷头之间的连接。表2.3喷泉系统各控制器件选择表数\球N电磁网止回附手动截止附直通管接头型号JL-Q11F-25C（6个）JL-Q11F-20C（5个）JL-Q11F-15C（5个）SLDF系列〈下水〉专用电盛附H12WJL-J/L11WJL-JT-11D流量孔径①10mm-①50mm①15mm-①150mm①50mm①50mm①10mm-①50mm数量16个（D15mm（5个）中25mm（6个）中20mm（5个）2个1个32个工作压力10MPa4>50H下0〜0.6MPa♦650.06〜0.5MPa6-16MpaPNC1.6Mpa10MPa图片昌0咻■■③喷泉照明灯具的选择彩色低压水下灯：水下照明灯一般配置在水面下5〜10厘米处。经查文献[7]选择水下灯具如表2.4。表2.4水下灯具选择表型号直径切率电H数量ifi照射高度图片SXLEDI-24100mm5W24V8只红/黄/绿/蓝1.5-3m说明：灯具SXLEDI-24具有如下特点:1）高节能；2）寿命长;3）多变幻;4）和环保;5）高新尖。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涮滑，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。SJB/T8092-1996标准闾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l(m3/h)额定扬程(m)额定功率(kw)额’定转速(R/min)额定电流(A)蓟汇电压(V)E管内径(mm)QSP12.5-40-312.540328607.5438050喷水池的设计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：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，在该范围的基砒上，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：

式（式（2.44） "72团43控制系统的设计控制系统的方案设计图3.1控制原理图方案：控制系统是由单片机、延迟放大电！8、光电隔离电路及电磁阀和变独器组成，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附和变频器的动作及灯光的变化，其中电磁阳对喷头控制思想是：预先是根据设it的花形神类和变化方式，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，这样花形的变仇就施音乐的节奏而变化。同样，单片机对变颛器的控制也与之类HL只不过控制字的编制是根据音乐的颛率进行编制的，而且查表的方式也有所不同，这将在后面的内容中进行附述；因而变颛器根据所接受的信号，输出不同的颛率值，以控制水泵的特速，进而达到控制喷泉管珞中的流量，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，以电动灯具，并使之与单片机隔离O单片机型号选择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，需要将程用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2因此，本次设计选择MCS-51系列的8751芯片作为控制核心。控制系统的硬件设计系统组成法硬件电路的核心是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护展。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行放音处理，如何将存入单片机中的音乐幡放出来，这是一个关键,需要硬件和软件的协同工作。因为P1口可以进行位寻址，用P1.7口作为音乐和灯光输出口，当定时器TO的计数值到后，就对P17口取反，即产生相应独率的方波。由于系统中的电磁阀数量较多，且每个电磁附都需要一个控制信号，同时还有变频器的控制，所以单片机的输出口点数不砥，故需进行输出口的扩展，以便电磁眼和变频器的控制，也方便今后其它控制动作改造。此处选择8155芯片作为扩展控制芯片，因为8155芯片内具有256个字节的RAM,两个8位、一个6位的可编程I/O口和一个14位的计数器，与MCS-51接口筒单，并将PA、PB、PC口作为输出接口入为了使音响和花形变化同步，系统采用了硬件韭时电路，其电潞设计将在后面进行；为了实现强电与弱电之间隔离，采用了光电隔离电路。系统中还选用了SSR（Solidstatereleys）作为水下灯的驱动和单片机之间的隔离,它是一神无触点通航的电子开关，为四瑞有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控瑞，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离（浮空）。在输入瑞加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态）,从而控制较大负裁。整个器件无可动部件及触点，可实现常用的机械式电磁继电器一样的功能。由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与遗辑电珞兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点。因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器之势，并且可以进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的it算机等领班％根据以上叙述，现将方案一转换成硬件电路接口图，即成为本设it的音乐喷泉控制系统原理图，应用电子CAD绘出其图形见附录A所示。8155的初始化将8155的地址/数据复用线AD°~AP与8751单片机的P0口相连,作为数据的内外传递，使片选信号CE接地，让芯片始终被选中。I/O口、存储器RAM选择信号（I0/M）与P2.0相连作为地址选通信号，低电平有效,即选择I/O口作为输出

□oRESET与P2.1口相连，即采用软件复位，以减少复位电路，节约设计成本,其他引脚连接如硬件原理图附录A所示。；8155MEPB□：0102H命令字:OFH于是根据下面两个表可以写出8155的RAM和各端口地址及命令字。HII：

RAM；8155MEPB□：0102H命令字:OFHPAQ:0101HPC□：0103H8155的初始化程序如下:CLRP2.1SETBP2.1CLRP2.1SETBP2.0MOVDPTR,#100H□)SETBP2.0MOVDPTR,#100H□)MOVA,#0FHMOVXDPTR,A;命令/状态寄存器地址100H（指向命令;设定命令/状态寄存器PA,PB,PC为输出;写人命令字表3.18155端口地址表IO□命令口PAPBPCP2.70000P2.60000P2.50000P2.40000P2.30000P2.20000P2.10000P2.01111P0.70000P0.60000P0.50000P0.40000P0.30000P0.20000P0.10011P0.00101十六进制数0100H0101H0102H0103H表3.28155命令字表TM2TM-IEBIEAPC2PC-PBPA命令字00001111OFH3.3.3变频器的选择①变颛器工作控制的原理根据设it要求，浪花与音乐要保持同团在此提出了以下3点问题：1）怎样实现喷泉与音乐的同步；2）变独器能否腑时响应；3）整套设备的调试和绝缘安全性。为此根据要求对同步控制的可行性进行分析如下：利用音乐的音颛信号对变频器进行控制，音乐的音颛信号本身是一个功率很小的交流电压信号，经过整流'源波稳压可以输出一个相对应的直流电压信号，相对来讲该信号很微弱，再经过对该信号进行功率放大，可以输出0-5V的标准直流电压信号，即可以实现音频信号对变频器的控制，即对水泵浪花的控制，从而实现音乐对喷泉浪花的控制。为了达到这一控制原理，下面对通用性的变颛器的工作原理进行了简单的介绍：_)k Jk)1 2 31一整流部分2一'源波部分3一逆变部分4一控制部分5—负载

图3.2通用变颛器基本电路通用变频器的基本电珞如图3.2所示，它由4个主要部分组成，分别是:1一整流部分，把交流电压变为直流电压；2一滤波部分，把脉动较大的交流电进行德波变成比较平滑的直流电；3一逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，这神逆变电路一般是利用功率开关元件按照控制电路的驱动、输出脉冲宽度被调制的PWM波，或者正弦脉宽调制SPWM波，当这神波形的电压加到负我上时，由于负载电感作用，使电流连续化，变成接近正弦形波的电流波形；4一控制电M是用来产生输出逆变桥所需要的各驱动信号,这些信号是受外部指令决定的，有频率、频率上升下降速率、外部通航控制以及变颛器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。通用变频器对负裁的输出波形都是双极性SPWM波，这抻波形可以大幅度提高变频器的效率，但同时这抻波形使变颛器的输出区别于正常正弦源产生了变频器很多特殊之处。双极性SPWM波如图3.3所示,其中图3.3(a)是三角形的裁波与正弦形信号进行比较的情形,图3.3(b)是比较后获的SPWM波形。图3.3双极性SPWM调制器因此,为了控制喷泉管道中的流量，使花形变化柔性化，即使花形的高度和大小能够很好地跟随音乐节奏的变化,这样选择变频器就可以控制潜水泵的转速,当潜水泵的转速的改变就直接改变了管道中的流量。由于变颛器有数字输入和模批输入的信号类型。因为单片机输出的是数字信号，若要选择模机输入信号的变频器，就必须进行数模转换电JS设计,本身变颛器的价格就比较昂贵了，在加入—个数模转换电珞，无疑是增加产品和设计设计成本。故直接选择具有数字输入的变频器，但是一般的变颛器不能直接与单片机相连，需要进行强用电的隔离处So为了不单独选择或设计隔离电路，经查阅大量资料，有带隔离数字输入的变频器，因此可直接选用这抻变颛器，目的可使硬件电珞结构简单，减少各硬件电路之间的干扰和时间延迟，以保证音乐放音和花形及流量的同步控制动作。根据变颛器的选用原则：变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流。由于变频的过载能力没有电机过莪能力强，一旦电机

有过莪，损坏的首先是变颛器（如果变颛器的保护功能不完善的话）；又如果设备上巳选用的电机功率大于实际机械负载功率，但是有可能用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率，此时，变频器一定要可以胜任，也就是说变颛器的功率选用一定要等于或大于电机功率。个别电机额定电流值较特殊，不在常用标准规格附近，又有的电机额定电压低，额定电流偏大，此时要求变频器的额定电流必须等于或大于电机额定电流四。因此变颛器的选择主要是对变颛器容量的选择，而变独器的容量又由很多因素决定，如电动机容量、电动机DII速时间（即反应时间）等，其中，最主要的是电动机的额定电流。②变颛器的容量计算⑼由于变频器只电动一台电机，而对于连续运转的变独器必须满足下列3项计算公式:满足负莪要求输出：P〉旦式（3.1）式（式（3.1）式（3.2）式（3.3）1.05x3 4= q4.47K1640.82x0.86满足电动机容量:Pcxt之道义I。-'KUeL：A=JJx10-3X1.05X380X7.54、5.21KVA满足电动机电流:32KIe=1.05x7.54^7.924式中：Pcm是变颛器的容量、Pm负莪要求的电动机轴输出功率、£是电动机的额定电压、Ie电动机的额定电流、T）是电动机的效率、COS①电动机功率因素、K是电流波形补偿系数，由于变颛器的输出波形不是完全的正弦，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加。对于PWM控制方式的变颛器，K的取值为1.05~1.1。根据以上条件可选择成那中南实业有限公司提供的西口子全新一代标准变颛器，变频器型号为MICROMASTE440通用型的变颛器。其相关参数如表3.3,接线端子如图3.4所示。对于表3.3中加、减速时间，本设计中设定设定为0.1s,这样设定的目的是为了提高变独器的反应时间，使之与音乐的各个音符之间的最小间隔时间相匹配；如果该时间设定值过大，当音符由上一个变化至下一个音符时，变颛器的反应就

不迅速了，这是因为控制系统电路原理图中的延迟电路是Dll在音响和灯光之前的,而没有在变频器之前加延迟电路，故不能直接对变颛器进行延时处理，所以，变频器的设定值取较小值为宜。表3.3相关变颛器参数变频器型号MICROMASTE440变频器输出最大适用电机功率（KW）3.7额定容量（KVA）6.6额定电流（A）9.6输入信号数字设定接收三位数字信号输出信号报警输出DC28V0.3A加减速时间0.1~9999sM加、藏速时间独立设定）外接制动单元外接制动电阻RSTMICROMASTE44009WL模拟输入。〜1OV0〜20mA4〜RSTMICROMASTE44009WL模拟输入。〜1OV0〜20mA4〜20mAttwHFDRRSTFREEXIX2X3CDMM口>VGHGGNDMMFF

rcTITCITAI继电器输出1TBlTC2TAE继电器输出2TB2Y2Y1开集电器输出COM— -频率输出电流输iiW|反馈电压反馈图3.4变演器接线端子③变颛器的颛率设定根据前面控制功能分析可知变频器要实现八抻电机速度，由于最高转速时为2860r/min,而在喷泉的控制系统设计时就以最高速设it的。那么最高速时电机接受正常的供电颛率为50Hz；最低特速时为357.5r/min,那么变频器输出频率就为6.25Hz；由于考虑到制动的原因，制动前应把速度臧到较低的速度，可设置这个频率为6.25Hzo变颛器通过外部给定方式，外部数字量给定，由外部端子输入，因此电机转速可通过MICROMASTE440通用型的变频器的数字输入端口X1、X2、X3的电平高低组成的速度控制字进行设定。设PC口输出的控制信号中，0代表变颛器输入口处于通电状态，1代表变频器输入口处于断电状态。速度设定单元为变颛器的A11、A12、A3、A14、A15、A16、A17、A18八个单元,其设定值(频率)见表3.4。表3.4变频器速度设定表速度控制字智能端子电平高低速度设定单元速度段定B/Hz端子X3(PC2)端子X2(PC1)端子X1(PC0)F8H000A116.25F9H001A1212.5FAH010A1318.75FBH011A1425FCH100A1531.25FDH101A1637.5FEH110A1743.75FFH111A18503.3.4硬件延迟电路①延迟时间的it算延迟时间的it算的目的是保证音乐放音时与喷头喷水时到达同步动作，但并不能完全同步，只能尽量减小视觉和听觉上的差异。于是，延迟时间的it算是非常重要的，将直接影响延迟电路或编制延迟程序时的延迟时间设定。由前面的计算过程可以知道，水流经管道流到喷头处时，不但存在沿程损失,而且会产生冲击，不管是电磁阳的启动还是关闭时，由于管中有水，当水泵启动时，便对水产生压力，水流就会对电磁网和球网产生冲击,当电磁隅突然关时,管道中仍然会产生压力冲击，即液体的突然停止运动导致动能向压力能得腑间转变。故理论上到达的时间与实际到达的时间有一定的滞后，且滞后的时间就是产生冲击的时间，故需要进行延迟计算。从前面的设计过程可知，产生时间延迟的部分包括：变颛器(%)和水泵的反应时间(tb),电磁阀的开闭反应时间阪及产生冲击的时间(&)。因此总的延迟时间为:

=0.1+0.1+0.1+0.057 式(3.4)=0.357s即硬件延迟电路的总延迟时间为:0.357s。②硬件延迟电路设计硬件延迟电路的设计目的是为了使音乐放音和变频器的控制动作与花形实现同步动作，这是因为用裳件控制不能达到的原因。⑻图3.5硬件延迟电路硬件延迟电路图3.5（a）中的延迟电路为一般的延迟电路，其中电路的负教为继电器或电磁铁的线圈，也可以是信号灯等显示和报警器件。但接通电源开关时运算放大器的反相输入端（-）加分压值U-而同相输入瑞（+）由于电容Ci尚未充电，故其电压为负值。该电路的技术参数见表3.5O对于像图（a）中一般的延迟电路，通常要借助电解电容器或高阻杭电路，而且这类延时电路的稳定性较差，延时的精度也不高。于是给出了图3.5（b）所示的数字式长延时电路，它完全掘弃了电解电容和高阻抗电路，延时精度高。电路的核心是集成块MC14521B,这是一个24级分频电路，内含可构成振荡电路的例相器。如果将触发输入端接地或不加信号，则电路进入延时状态，延时时间由范围开关Xfll100KO电位器来调整。若X与点A相接，延时为1分40秒至18分30秒，而X与B相接，过时为13分20秒至2小时28分。当X与C相接时，延时为1小时47分至20小时。具体韭时时间由100KO电位器调定。若要进行较短或更长的延时，则可用较小的或较大电容代替39nF电容。这时延时小到0.01s或长达一周以上的时间。在触发输出端阳正信号，则4521B内的分频器复位。要使延时稳定可靠,一般采用6~15V的稳压电源供电。在此选择数字延时电路，由总的韭迟时间的计算如，该电路的延迟时间为0.357s,所以应将39nF的电容换成13nFo表3.5一般延迟电珞的技术参数工作电压延迟时间重复动作时间开关功率Ub=12V±12%tv约260s%到12s120W-3.5KW3.3.5系统工作流程本控制系统具备以下功能:①乐曲播放：将存入单片机的音乐控制码，经软件处理后，输出至外围的延迟放大电路后，再送至音响描放乐曲。由于灯光和音响水并联的，所以，此时灯光将同时变化，而水下灯SXLED是通过固态继电器SSR驱动。②按键功能：采用了点动触发按钮，&（系统复位键）、S2（系统启动/停止键）、S3（第一曲按鲤）、&（第二曲按鲤）、S5（循环技键）。从硬件电路原理图如，当按下按HS3、S,、S5时为高电平触发方式。③花形变化:花形的变化包括两部分控制,一是控制花形的大小；二是花形形状的变仇。其工作过程如下:当系统启动后，系统自动进入自检状态，等待按鲤命令；若为正常按键（一个腕时只有一个按摧），则进行相应的动作。除此为非正常按摧，则发出警报。侍

自检完成后，依次执行软件程序的动作，当按下停止或复位命令时，系毓结束所有动作。3.4控制系统的裳件设计3.4.1系统资源分配为了便于程序编写，先对系统的资源分配加以说明。①定时器：利用8751的内部定时器使其工作计数器模式（M0DE1）下，改变计数值THO及TLO以产生不同颛率的方法产生不同音阶。②片内RAM及标志位的分配与定义如表3.9所示。表3.9音乐喷泉控制兼件片内RAM及标志分配表地址功能初始化值20H~2FH数据缓存操作区00H5CH用于筒于码值存储区00H60H~7FH堆我区07H（复位时的值）PSW中断状态保护（恢复）03.4.2音乐控制码的编制①音乐选择本系统选择以下一首歌曲：1）河北南皮民戢《茉莉花》;『C2/4 茉莉花6%Q135C5G|15处5■・・1712好他）一朵——I：■・・1712好他）一朵——I： .'3565615615 - -=-=茉莉花，53满55535（怎幻&彳658、332彳223.532笔L231那也）花岫嗡比（啕不过 它。

1-广星 “廿苜 胡适同1-C4 二花早 佚名Jlh银霞演唱(。话6©专台io326抗1361。翅。2i立$aI3---|♦■•]♦♦♦35656- 53212• r- 23215|6 --)1 ■, । 23215|6 --)1666666666・ 5种在校园I1朝朝频顾惟83333・■我从山中来转眼秋天到Ip217g带着丝以草移兰人暖厉355U3

』4 ・■।希里花开早

夜夜不相忘

36653・一日看苫回期待春花开

12176

MWWWiwr F■看得花时过

能将宿愿偿-II0000-II00003117”花却依然满庭花簇僦

2・1756

=£~~r•苞齿无一个

添得许多香②音颛脉冲的产生若要产生音频脉冲，只要算出某一音颛的周期("颛率)，再将此周期除以2,即为半周期的时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将P1.7反相,然后重复计时再反相。就可在P1.7引脚上得到此频率的脉冲。利用8751的内部定时器使其工作计数器模式(M0DE1)下，改变it数值THO及TLO以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，颛率为523Hz,其周期T=1/523=1912ns,因此只要令计数器计时956us/1hs=956,每计数956次时将P1.7反相，就可得到中音DO(523Hz)2C调各音符频率与率与初值T对照如表3.6所示。表表3.6C调各音符频率与计数值T的对照表音符频率(Hz)简请周〕值)瑜率(Hz)简漕码1值)Itt1DO26263628#4FA#74064860#DO#27763731中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968低3Mi33064021#693264994IK4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058IK5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110IK6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3M131865157IK7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3M65964777#6186565268中4FA69864820高7sl196765283每个音符使用一个字节，字节的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的节拍，表3.7为节拍与节拍码的对照。如果1柏为0.4秒，1/4柏是0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。假设1ftDELAY,用应为4DELAY,以此类推。所以只要求得1/4用的DELAY时间，其余的节拍就是它的倍数，如表3.8为1/4和1/8节拍的时间设定。表3.7位节拍与节拍码的对服节拍码节拍数节拍码节招数11/4相11/8«22/4相21/4ffi33/4柏33/8ffi41柏41/2柏51Q1/4相55/8ffi6151/2ft63/4ft82拍81柏A2Q1/2相A141/4柏C3柏C141/2柏F3J3/4拍表3.8各调1/4节拍的时间设定各调1/8节拍的时间设定曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125亳秒调4/462毫秒调3/4187亳8调3/494毫秒调2/4250亳秒调2/4125毫秒③建立音乐控制图表先根据乐措的音符报表3.6建立T值表的额序如表3.9所示，把T值表建立在TABLE1,构成发音符的计数值放在TABLE中；简僧码（音符）为高4位，节抽（节柏数）为低4位,音符节拍科放在程序的“TABLE”处。软件流程根据硬件的工作流程，软件设计分为以下几个功能模块：①主程序：初始化与按捱监控（即进行自检，是否有相应的按键操作，以便程序正常执行）o②取花形：获飒花形控制字，输出到PA、PB口，控制电磁阳的动作。其中花形的变化采用楣环程序，每5s左右变化一次。由于每个音符之间的间隔时间为（即为一个节拍时间）0.4s,因此，大约每13个音符就改变一次花形，于是可以计数音符数，当计满13时，就调用花形子程序。其花形控制字是通过改变各个电磁网的通断状态来编制的。根据控制系统原理图设置PA、PB各口的状态，获得了以下的花形控制字。

表3.9简措对应的简措码、T值、节拍数简请发音简诺周Tffi节拍周节招数5低音SO16426011/4ffi6低音LA26440022/4柏7低音TI36452433/4柏1中音DO46458041柏2中音RE56468451J1/4ffi3中音Ml6647776151/2#4中音FA76482082柏5中音SO864898A2J1/2ffi6中音LA994968C3柏7中音TIA65030F333/4拍1高音DOB650682高音REC651103高音MlD651574高音FAE651785高音SOF65217不发音0开始初始化取行拍常数调花形子程序―取简谱码指针启动TOqo清零o5S?查表取常数。清零0，指针+1图3.6主程序流程图图3.7中断子程序流程图系统控制程序控制程序：;程序起始地址;主程序进入点;程序起始地址;主程序进入点;定时中断TO人口地址；跳至TIMERO中断子程序AJMPCSHORGOOOBHLJMPTIMO************10.8155、P1口初始仇************ORG0030HCSH：MOVRO,#7FH ；内部RAM(OOH~7FH)清零CSH1：MOVRO,#00HDJNZRO,CSH1

MOVSP,#60HMOVTMOD,#01H器CLRTC0N.1SETBIE.1SETBPTOCLRP2.1SETBP2.1CLRP2.1SETBP2.0MOVDPTR,#100HMOVA,#OFHMOVXDPTR,A;移开堆枝指针SP；设TIMERO在M0DE1作16;移开堆枝指针SP；设TIMERO在M0DE1作16位计数;TO禁止动作;TO允许中断;TO中断优先;8155复位;8155IO/M=1选择使用在输入输出口;命令/状态寄存器地址;设定命令/状态寄存器地址PA,PB,;PC为输出WAIT:NOPMOVJNBJNBJNBMOVAJMPJPZZ1：MOVMOVSETBAJMPJPZZ2：MOVMOVSETBAJMPP1,#OFHP1.0,JPZZ1P1.1,JPZZ2P1.2,XUNHUAN5CH,#00HMAIN5CH,#00H20H,P1.0P1.0MAIN5CH,#57H20H,P1.1P1.1MAIN;P1口初始化（低四位为输入、高四位输出口）;P1.0口为0放第一曲;P1.1口为0放第二曲;P1.2口为0执行楣环;P1.2口为1顺序执行一次结束;放第一首歌曲;取第一首歌的简谓指针;将P1.0口的值暂存于20H单元;恢复P1.0的初值;执行循环;取第二首歌的简谓指针;将P1.1口的值暂存于20H单元;恢复P1.1的初值;执行循环XUNHUAN：MOV5CH,#00HMOV21H,P1.2SETBP1.2AJMPMAIN;将P1.2口的值暂存于MOV21H,P1.2SETBP1.2AJMPMAIN;将P1.2口的值暂存于21H单元;恢复P1.2的初值;执行循环***************主程用MAIN:MAIN0：MSD：MOV22H/00HLCALLDCFMOVA,5CHMOVDPTR,HABLEMOVCA,A+DPTRMOVR5,AJZEND1ANLA,#OFHMOV R6,AMOV A,R5SWAPAANLA,#OFHJNZBQYUCLRTROAJMPD1;调用花形子程序;简僧码指针装入A;至TABLE（简码表）取简码;取到的简码存入R5;是否取到00（结束码）?;不是，艮I取低四位（节柏利）;将节拍码存入R6;将取到的简科再装入R5;高低四位交换;取低四位（音符利）;取到的音符码是否为0?;是，则不发音;跳到D1结论本文设it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