基于单片机的音乐喷泉控制系统设计.docx
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基于单片机的音乐喷泉控制系统设计
基于单片机的音乐喷泉控制系统设计
任务书
1．课题意义及目标
学习并掌握单片机及相关知识；了解并掌握音乐喷泉控制系统的工作要求；在查阅资料的基础上，实现音乐播放，水泵控制等功能，完成系统整体方案设计；完成系统硬件设计，完成系统元器件的选型，在掌握电子线路图绘制工具软件的基础上，完成系统组成框图的绘制、完成相关电路图及系统原理图的绘制；完成系统软件设计。
2．主要任务
（1）、阅读任务书，通过查阅相关资料，构建设计方案并充分论证，并撰写开题报告；
（2）、进行系统总体设计，熟悉开发环境；
（3）、系统硬件设计，系统软件设计；
（4）、毕业设计说明书；
3．主要参考资料
[1]李晓林.单片机原理与接口技术[M].北京：
电子工业出版社,2013
[2]徐沐龙.单片机原理及应用[M].北京：
机械工业出版社,2013
[3]蒲珊珊.基于8751单片机的音乐喷泉控制系统设计[J].机械制造与自动化,2011，2
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
阅读任务书，通过查阅资料，撰写开题报告并进行开题答辩；
3月3日~3月23日
2
系统总体方案设计，硬件选型及原理图绘制；
3月24日~4月13日
3
绘制软件流程图，中期答辩；
4月14日~5月4日
4
程序编制及调试；
5月5日~6月1日
5
撰写设计说明书，准备毕业答辩
6月2日~6月22日
审核人：
年月日
基于单片机的音乐喷泉控制系统设计
摘要：
在音乐喷泉控制系统设计中，通过两种喷泉造型方案的优缺点的比较，选择了最优的方案。
本设计主要阐述音乐喷泉的工作原理，并完成小型音乐喷泉系统的硬件结构和软件方面的设计改进。
控制系统以单片机为核心控制变频器、电磁阀和水下照明灯具等设备，实现音乐播放和喷头喷水同步的目的。
为了便于理解音乐喷泉的工作原理，本设计同时还简要介绍了元器件的参数和工作原理。
最后，利用Altiumdesigner软件绘制硬件原理图。
关键词：
音乐喷泉，控制系统，单片机，变频器，电磁阀
MusicFountainControlSystemDesignBasedOnSCM
Abstract：
Inthedesignofthecontrolsystemaboutmusicfountain,thebestmusicfountainmodelingischosenaccordingtothecomparisonoftwostylingplans’meritsanddemerits.Thispapermainlydescribestheprincipleofmusicalfountainandcompletesthedesignofsmallscalemusicfountainsystemconcerningabouthardwareandsoftware.Thecontrolsystemwithintakingmicrocomputerasthecorecontrolsfrequencytransformer,solenoidvalve,underwaterlightingsandotherfacilities.Anditachievesthepurposeofmakingmusicplaytokeeppacewithwaterinjection.Inordertomakeotherstounderstandtheprincipleofmusicfountaineasily,thepaperalsointroducescomponents’parameterandworkingprinciplebriefly.Intheend,theprinciplediagramofthehardwareisdrawnbytakingadvantageoftheAltiumdesignersoftware.
Keywords:
MusicFountain,ControlSystem,SCM,FrequencyTransformer,Solenoidvalve
1前言
1.1课题研究背景和意义
音乐喷泉理论是一位德国人在二十世纪三十年代初提出的，起初他仅把小型喷泉建造在商场和酒店内供人欣赏。
在随后的十几年间，喷泉技术被引进美国，走向世界。
在音乐喷泉走向世界的同时，各种新兴技术被不断应用在音乐喷泉上，使得音乐喷泉的设计更加多样，构造也越来越复杂，使得喷泉、音乐和灯光之间的配合显得更加十分巧妙而富有美感。
随着市场的不断扩展，国内关于喷泉的研究和开发工作呈现出一片欣欣向荣的景象。
根据档案记载，我国在20世纪80年代中期开始引进和设计音乐喷泉。
音乐喷泉既是一种水景艺术，把声、光、水、电完美结合，体现动静结合，形成活泼气氛，给人以美的享受；同时也能够大幅改善周围环境，有效降低PM2.5的含量。
根据不完全统计，2014年整个音乐喷泉行业的年产值已经突破百亿大关。
为了引导我国音乐喷泉行业健康有序地发展，行政主管部门、技术监督部门和社会学术团体相继颁布和出版了相关国家设计规范、设计手册和行业术语标准。
例如在1989年出版的《给水排水设计手册》中首次将“水景设计”以专门章节的形式进行详细介绍。
为了适应社会市场需求，音乐喷泉行业逐步从大型化转向小型化和专业化的方向发展。
因此音乐喷泉的控制方式也变得灵活多变，比如PLC（可编程逻辑控制器）、单片机和DSP（数字信号处理）等都在音乐喷泉中有所应用。
本课题主要针对国内大学的广场和酒店门口进行的音乐喷泉设计。
控制系统将采用单片机为核心，驱动喷泉喷头处电磁阀的启闭和潜水泵电机的运停，并解决系统中音乐放音和喷头喷水不同步的问题。
1.2音乐喷泉的发展状况
在这之前，我见识了各种各样的喷泉，但是真正目睹音乐喷泉的风采是在家乡的容湖生态公园。
那是一个大型的音乐喷泉—水幕电影，不单单可以随音乐变化，还可以播放视频。
自此以后，我就被音乐喷泉的魅力深深折服，因此对国内音乐喷泉的发展状况进行调研。
音乐喷泉是高科技与自然的完美结合，充分体验了人们的智慧，世界各地的音乐喷泉体现美的形式也是不尽相同。
北京石景山古城公园的音乐喷泉在我国建造时间比较早，它可以随音乐交替产生百合、玉兰、秋菊等花型，变化无穷，丰富了动态空间的美丽图景。
现在，我国喷泉建设向着大型化、复杂化的方向发展，艺术效果更加绚丽多姿。
例如，在洛阳开阳湖建设的音乐喷泉被称作“亚洲第一大音乐喷泉”，在水景综合工程拥有许多世界之最，包括369米数控跑泉，12万平方米的水景面积，360度无差别定位数控摇摆等。
位于世界知名学府哈佛大学校园内的唐纳音乐喷泉是一座雾喷泉。
春、夏、秋三季，水雾像云一样在石上舞蹈，模糊了石头的边界。
白天，阳光的反射令水雾产生彩虹；晚上，水雾在灯光的照射下产生迷离的效果。
上述音乐喷泉都属于大型音乐喷泉，由专门公司量身定做，造价昂贵，流量需求大。
目前，国内的音乐喷泉逐渐向智能化、综合化、多样化方向发展。
1.3音乐喷泉的工作原理
喷泉设备安装在人工构筑的整形或天然泉池中，喷射优美的水资，以供人观赏。
喷泉的工作原理从物理方面属于动量守恒的范畴：
当水流从大直径管道到小直径管道时，流速会产生一定的变化，从而冲向背离地面的方向。
大直径管道中水流速度由水泵决定，小直径管道中的流速是原来速度和动量转化速度的和。
这就需要建立一个微元方程计算动量守恒，求出出口的速度，然后水流做抛物线运动。
前提是理想状态，忽略摩擦和风的影响。
音乐喷泉的工作原理与喷泉的工作原理并没有太大的差别。
音乐喷泉只是将音乐和喷泉水柱结合起来，并使水柱形状和音乐音频同步变化。
而水柱是由与电机相接水泵控制的，异步电机如果直接接入工频电源，其转速是固定不变的，这就需要通过变频器调节电源的频率控制电机转速。
通过改变电机的转速改变水泵供水的压力使水柱产生变化。
1.4课题主要研究内容
现在音乐喷泉的应用越来越普遍，涉及到的控制方式也越来越多，于是音乐喷泉的控制系统设计涵盖了机械电子工程的各个学科，且生动形象。
虽然喷泉的种类繁多，花型千姿百态，但是他们都有相似之处：
花型的形成基本都是由调速水泵、输水管道、电磁阀门和不同性质的喷头构成。
因此，音乐喷泉的设计建造同样离不开以上的基本元件。
通常情况下，利用开关量控制上述元器件。
这些开关量控制水泵、电磁阀、灯光的动作随音乐进行组合，进而产生一场美轮美奂的视觉盛宴。
当然，有个别水泵需要用模拟信号实现连续调速实现预期的艺术效果。
针对不同花型变换要求需要采用不同的控制方法。
现在音乐喷泉有以下三种主要的控制形式：
1、声控方式：
这种控制方式使得喷泉可以接受任何音频信号，实现声音和喷泉的完美结合，比如音乐演唱会现场等等。
2、程序控制：
这种控制方式需要提前在控制单元中预存程序，程序应囊括各种水型和花样，然后和灯光一起形成绚丽的艺术效果。
其优点比较明显：
造假低廉、控制简单、适用于狭小的空间。
3、手动控制：
这是目前最常用的控制方式。
特点是由人工操作进行表演，费时费力。
通过上文控制方式特点的介绍，程序控制方式能够满足本设计的要求。
控制系统要能够控制水泵转速，同时让喷泉水柱升降变化连续，这就需要变频器的密切配合。
同时，在系统中还将配备一定数量的电磁阀。
通过预存的花型字表控制电磁阀开关状态的不同组合，使喷泉花型不断变化。
这就间接是观众感受到喷泉随音乐变化的效果。
因为涉及到变频器、水泵、电磁阀、喷头的选择，所以需进行喷泉造型系统的设计计算，并以此作为元器件选择的依据；同时要进行控制系统包括硬件和软件的设计，以此实现放音、喷泉效果变化和他们之间同步处理。
2音乐喷泉造型和工作流程设计
2.1造型方案设计和选择
方案：
在本设计中选择安装十六个喷头，分为内外两圈布置。
为了让水流快速到达每个喷头，有以下两种供水方式供选择：
方案
，将潜水泵安装在喷泉水池中央，然后用十字管道将内外两圈连接起来供水。
方案
，将潜水泵安装在内圈或者外圈
管道上，然后用一根短直管将内外圈连接起来供水。
通过对上述两个方案分析比较，
我们不难得，如果采用方案
所述供水方式，距离水泵较远的喷头水柱变化会明显滞后于距离水泵较近出喷头水柱变化。
然而，方案
的供水形式产生的滞后效应比方案
要小。
同时方案
相对于方案
拥有其他优点，比如控制方案灵活，可视效果好，观赏性强等。
综上所述选择方案
作为本次设计的花形造型方案，其造型形式如图2.1所示。
在造型设计中要根据人眼视角的生理特点和附近景物确定喷泉在广场的空间位置，以此取得较好的视觉效果。
经咨询医务人员和查询有关资料，人眼视角包括垂直视角和水平视角。
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。
经计算水平视距取为2.5M左右合适，喷泉的水柱高度和宽度按最大为2M进行设计[1]。
图2.1喷泉造型设计
2.2水泵选择
目前，许多水景工程都采用潜水泵作为水力提升设备。
潜水泵是由水泵、电机、输水管和开关控制器四大部分组成。
潜水泵为单吸多级立式离心泵；潜水电机为密闭充水湿式、立式三相鼠笼异步电动机。
三相异步电动机的工作原理基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。
当定子的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组内将通过对称三相电流，并在空间产生旋转磁场，该磁场沿定子内圆周切线方向旋转[2]。
通常异步电动机在额定负载时，转子的旋转速度接近于旋转磁场的旋转速度，转差率S很小，为0.15—0.16。
因为潜水泵工作时泵体可以完全浸于水中，同时其电机和水泵的运转部件都采用水润滑方式，因此不会产生过高的热损失，效率较高。
经过查阅JB/T8092-1996标准选择潜水泵的型号列于表2.1。
表2.1潜水泵的主要技术参数
型号
流量（m3/h）
扬程（m）
功率（kw）
转速（R/min）
电流（A）
电压（V）
内径（mm）
QSP12.5-40-3
12.5
40
3
2860
7.54
380
50
2.3喷泉彩灯和喷头选择
水下照明灯具是水景中常用设备，特别是在音乐喷泉中。
因为在喷泉中安装水下照明设备主要追求的是艺术创意设计而非照明亮度，所以景观照明灯具的选择要充分考虑造型美观色彩艳丽。
水下照明灯一般是在水面以下5-10cm处配置，其最大水深不超过50cm。
水下灯将完全密封，有将防冲击的灯泡直接置于水中和将灯泡装在有密闭的灯具外壳内两种。
经过有关资料选择灯具如表2.2。
目前，在喷泉设计中喷头的选择余地很大，但有三种是最常用的：
旋转、树冰和雾状喷头。
旋转喷头以水流的喷射作为动力推动喷头旋转，形成水柱四射的效果。
树冰喷头喷射的水柱粗大挺拔，能抵抗一定的侧向风。
雾状喷头喷射出来非常细小的水滴，在空气形成雾状，在阳光照射下可形成美丽的彩虹，通常在雕塑设计中用于美化。
经过对上述三种喷头喷射效果的分析比较，在喷泉内圈选择旋转喷头，外圈采用树冰喷头。
表2.2水下灯具选择表
型号
功率
电压
颜色
照射高度
直径
数量
SXLEDI-24
5W
24V
红/黄/绿/蓝
1.5～3M
100MM
8
3硬件电路设计及元器件介绍
3.1控制系统方案设计
本设计的控制系统结构形式如图3.1所示，从图可以看出控制系统硬件包括单片机，延时电路，调控器件等组成。
该控制系统是通过对音乐进行预处理，将其转换成汇编程序写入单片机，使单片机直接连接扬声器播放音乐。
当然，其它控制语句也需要写进控制程序。
从控制结构形式原理图中可以看出，单片机同时需要对电磁阀、变频器和灯光进行控制。
下面对控制原理进行一些必要介绍。
单片机对电磁阀的控制原理是预先将编制完成的花型控制字表存入单片机，当单片机执行程序时，通过查表得方式去取不同的花型。
而花型的不同是通过对不同类型喷头处电磁阀的开闭进行组合形成的。
同样，单片机控制变频器的思想与之有相似之处。
只不过是依据音乐频率编制控制字，同时查表方法也不尽相同，这样就实现了变频器依据接受不同信号输出不同频率值控制水泵电机转速的目的。
扬声器和灯光是经过同一个I/O接口经延时电路实现同步动作的。
在灯光之前还应接一个固态继电器，使灯具与单片机隔离，并驱动灯具动作。
图3.1控制系统控制结构形式
3.2单片机原理与应用
目前世界上单片机的生产厂商很多，其主流产品多达70多个系列、500多个品种，但最早推出的是Intel公司的MCS8051/31系列单片机，它是世界上使用量最大的几种单片机之一[4]。
MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751三种类型。
8031单片机由于片内不带ROM（程序存储器），因此在使用时需进行ROM扩展和逻辑电路设计，但是改写或者更换程序比较麻烦，需要用特殊紫外线照射，并且写入到外接程序存储器的程序代码安全性不高。
而8051与8031有很大不同，其片内有4K掩膜ROM，因此无需存储器扩展和外接逻辑电路，更能体现“单片”的简练。
但是用户自己没有办法向其片内写入程序，只能由生产厂家一次性烧入，日后无论谁都不能改写程序。
8751与8051内部结构几乎没有差别，只是8751片内的4K内存为EPROM（紫外线可擦除ROM），用户可以将自己编写的程序写入EPROM中进行现场试验与应用，但改写同样需要用紫外线照射擦除后再烧写。
综合考虑本设计的特点，在SCM中需要提前烧写程序。
因此，本次设计选择8751单片机作为控制核心，这样能够使控制电路简单。
3.2.1复位电路设计
关于介绍单片机外部引脚的书籍资料很多，在这里就不对其进行详细介绍了。
只简要介绍下最小系统即使得单片机能够工作的最基本电路,最小系统必须要接有复位电路和时钟电路。
如果没有复位电路单片机就没有办法正常工作。
复位电路分为上电复位和外部复位两种方式。
利用电容器的充电即可实现上电复位。
在时钟电路工作后，在RST端连续给出2个机器周期的高电平即可完成复位操作。
这种复位方式适用于长时间不断电工作的单片机设计，如果中途想要单片机复位只能断电再通电实现。
外部复位的方式是当复位按键按下后，复位端通过51Ω的小电阻与+5V电源接通，迅速放电，使RST引脚为高电平；当复位键弹起后，+5V电源通过2KΩ电阻对22μF电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。
其时间常数取决于RC电路的时间常数。
外部复位只要按下复位按钮大于单片机的两个时钟周期就能进行复位（回到初始状态）。
经过对两种复位方式的比较，外部复位是本设计的首先复位方式，连接方式如图3.2所示。
因为调试过程中要经常对单片机进行复位，这样方便工作异常时能及时进行复位而不用断电。
图3.2单片机复位电路
3.2.2时钟电路设计
单片机通过片内的时钟电路和定时电路来完成定时控制功能，单片机利用内部时钟方式或者外部时钟方式产生时钟。
时钟电路为单片机按序工作提供条件，如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，那么单片机就无法执行程序。
在本设计中采用内部时钟方式，如3.3所示。
经查阅资料，在本次设计中采用12MHZ的晶振，计算可得单片机的机器周期为1μs，指令周期为1～4μs。
同时，在晶振的两端一般采用两个大小为15～33pF的瓷片电容。
在本方案中拟用30pF。
图3.3MCS-51单片机时钟产生方式
3.3控制系统硬件设计
3.3.1喷泉控制系统组成
音乐喷泉控制系统硬件电路以8751型单片机为核心。
根据前面章节的介绍可知，8751单片机片内具有4K的EPROM,因而可以满足需求不必进行片外程序存储器扩展。
另外，在本次设计中提前将所需的程序编制完成写入单片机，不用进行大量运算和数据暂存，片内的随机存取存储器已然能够满足运行过程中对RAM容量的需求，故也不用进行片外扩展。
为了使控制简单方便，在单片机的P0口设置了第一曲、第二曲以及循环播放的功能。
从单片机的资料知P1口可以进行位寻址，因此用P1.7口作为放音和灯光控制输出口，在定时器T0的计数值达到设定值后，I/O口取反产生相应频率的PWM波。
在喷泉造型设计中可以看出，系统需要控制的电磁阀数目较多，并且电磁阀之间的控制信号是相互独立的。
除此之外，变频器也需要控制信号。
这就造成仅仅选用单片机的输出口不能满足控制需求，因此要对单片机进行I/O接口扩展,以便能同时实现对电磁阀和变频器的控制，也简化了日后更改控制动作的流程和工作量。
此处，将8155芯片作为控制接口扩展的最佳选择。
8155是Intel公司生产的可编程多功能接口芯片，被广泛应用在单片机系统中。
8155可以直接与51系列单片机直接连接，而不用设计额外的硬件电路。
因此将PA、PB、PC当作控制系统的输出接口。
为使观众感受到音乐播放和花型变化同步，系统采用了硬件延时电路，其电路设计将在后面进行介绍；为了实现强电与弱电之间隔离，采用光电隔离电路。
系统中还选用了SSR（固态继电器）隔离单片机和水下照明灯，它是一种通断电子开关,没有接触点的四端有源元件，两个输入端和两个端。
输入和输出之间为光电隔离。
当在输入控制端输入的直流或者脉冲信号达到特定电流值时，输出端就能从阻断状态变成导通状态，因此可以控制较大负载[7]。
虽然整个元器件在动作过程中没有机械接触部件，但是它的功能和常用的机械式电磁继电器几乎没有区别。
与普通继电器相比，固态继电器具有与逻辑电路兼容性强、输入功率小、灵敏度高、电磁干扰小、转换快速等一系列优点，有逐步取代传统电磁继电器之势，而且可以进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。
现将上文所述方案转变成硬件电路图即控制系统原理图，并用电路绘图软件AltiumDesigner绘制出来，详见本设计说明书附录1。
AltiumDesigner是由ProtelTechnology公司推出的用于EDA（电路设计自动化）的软件。
这套软件是一套完整的板卡级设计系统，真正实现了在单个应用程序的集成，能够支持整个设计过程。
利用这个软件可以帮助工程师完成原理图设计、PCB（印刷电路板）设计、电路系统仿真和可编程逻辑器件设计等工作。
3.3.2接口芯片与单片机连接
可编程RAM/IO接口芯片8155片内有256字节的RAM、14位定时/计数器以及三个并行I/O口,即A口、B口和C口,其中C口只有6位。
A口、B口既可以作为基本I/O口，也可作为选通I/O口；C口除可以作为基本I/O口外，还可以用作A口、B口的应答控制联络线。
此外，8155内部还有一个控制寄存器组，用来存放控制命令。
芯片8155可以和8751单片机直接相连，图3.4是8155和51系列单片机连接的一种基本方法。
图中采用线选法、部分译码，将P2.2和____CE相连，P2.0与IO/__M相连，8155的AD0～AD7直接接至P0口，两者的ALE、____RD和____WR可直接相连,REST和P2.1口相连，减少复位电路，节约设计成本。
图3.48155和MCS-51的接线方法
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。
即：
RAM地址：
000H～00FFH命令口：
0100H
PA口:
0101HPB口：
0102H
PC口：
0103H命令字：
0FH
8155的初始化程序如下：
CLRP2.1；8155复位
SETBP2.1
CLRP2.1
SETBP2.0；8155IO/M=1选择使用在输出输入口
MOVDPTR，#100H；命令/状态寄存器地址100H（指向命令口）
MOVA,#0FH；设定命令/状态寄存器PA，PB，PC为输出
MOVX@DPTR，A；写入命令字
表3.18155端口地址表
IO口
命令口
PA
PB
PC
P2.7
0
0
0
0
P2.6
0
0
0
0
P2.5
0
0
0
0
P2.4
0
0
0
0
P2.3
0
0
0
0
P2.2
0
0
0
0
P2.1
0
0
0
0
P2.0
1
1
1
1
P0.7
0
0
0
0
P0.6
0
0
0
0
P0.5
0
0
0
0
P0.4
0
0
0
0
P0.3
0
0
0
0
P0.2
0
0
0
0
P0.1
0
0
1
1
P0.0
0
1
0
1
十六进制数
0100H
0101H
0102H
0103H
表3.28155命令字表
TM2
TM1
IEB
IEA
PC2
PC1
PB
PA
命令字
0
0
0
0
1
1
1
1
0FH
3.3.3变频器选型
从异步电动机的转速公式
，可见异步电动机的调速方法有三种，即改变电动机定子绕组极对数p、供电电源频率f、及电动机的转差率s。
在上述调速中，改变转差率调速效率低，变频调速具有转差率有限、效率高、范围宽和精度大的特点。
因此变频调速是交流电动机一种很好的调速方法。
依照本设计的要求，需要利用音乐的音频信号控制变频器，然而音频信号属于交流电压信号，功率很小，必须经过整流滤波稳压输出直流电压信号，但是该信号依然非常微弱，因此需要对该信号进行功率放大，输出0～5V的标准电压信号，以次实现音频信号对变频器的控制[9]。
为了实现控制目的，下面简要介绍下通用变频器.
变频器是用于控制交流电动机的电力控制设备，顾名思义，
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