音乐喷泉控制系统设计实施方案.docx

音乐喷泉控制系统设计实施方案 音乐喷泉控制系统实施方案 摘要 随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷泉以其独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。 根据目前音乐喷泉的发展现状，介绍了一个以AT89C51单片机为核心的小型音乐喷泉控制系统。给出了一个简洁的单片机控制电路，分析了输出地址，描述了不同类型的输出电路和输入电路；介绍了从特定构造的喷池中获得决定喷池动作的喷池数据的原理；给出了主程序框图和看门狗子程序。采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制花型。音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。 关键词：音乐喷泉；单片机；单片机控制；喷池数据；看门狗子程序 Small-scale musical fountain control system design Abstract With the improvement of people's living standard and yearn for building green city, music fountain is more and more popular for its unique charm and special function large numbers of music fountain is increasingly built. According to the present situation of music fountain now, control system of mini type music Fountain based on AT89C51 SCM was introducedA succinct SCM control circuit was preto obtain data from a specific fountain pool .Was elaborated，which will affect actions of the p001Finally, the structure drawing of main program and the watchdog program were put forward. The flower shapes are controlled by program controlling or man-made keystroke controlling electromagnetic valves. The color、the light and shade of ray are changed by musical signals. So that the color、the light and shade of ray、the spring form is changed with musics rhythm when m usic is played Key Words:music fountain；SCM；SCM control；data of fountain pool；watchdog program 目录 摘要 (1) ABSTRACT (2) 1 绪论 (5) 1.1引言 (5) 1.2小型音乐喷泉的发展现状 (5) 1.3本文主要研究内容 (6) 2 喷泉硬件设计 (7) 2.1鱼缸设计 (7) 2.2造型方案设计 (7) 2.3花型及喷头的选择 (7) 2.4喷泉照明灯具的选择 (10) 2.5水泵和电机的选择 (10) 3 喷泉控制系统硬件设计 (11) 3.1控制系统硬件总体设计方案 (11) 3.2单片机电路 (11) 3.3输出电路 (13) 3.4输入电路 (13) 3.5潜水泵调速硬件方案设计 (14) 3.6灯光硬件方案设计 (14) 3.7电磁阀硬件方案设计 (15) 3.8解决系统时间滞后硬件电路设计 (16) 4 喷泉控制系统软件设计 (17) 4.1喷池数据 (17) 4.2主程序框图 (18) 4.3控制潜水泵软件设计模块 (19) 4.3.1 潜水泵开关调速的原理 (20) 4.3.2潜水泵开关调速的软件设计 (20) 4.4控制电磁阀软件设计模块 (21) 4.5歌曲存储模块 (22) 4.5.1音频脉冲的产生 (22) 4.5.2音乐程序 (24) 4.6灯光控制模块 (26) 4.7看门狗子程序 (27) 4.8实验仿真 (27) 结论 (29) 致谢 (30) 参考文献 (31) 第一章绪论 1 绪论 1.1引言 随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求越来越高,城市环境建设日益为人们所重视。喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景,不断的出现在城市的广场、公园及其它公共场所，早些的喷泉都是固定不可调的，显得有些单调，随着科技的发展音乐喷泉也进入了我们的城市。音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，音乐喷泉将喷水图形、彩色灯光及音乐旋律构成一个有机的整体，随着乐曲旋律和节奏的变化，各种不同的喷水花形相应的配合变换，在五彩绚丽的变幻灯光照耀下，构成一幅幅奇妙无比的景观、令人赏心悦目，叹为观止，在视听上获得极大的享受。音乐喷泉的起源于1930年，德国人首先带出喷泉的概念，此后经过多年的发展，其音乐喷泉的设计及构造已变得更大型及复杂。随着我国改革开放政策的不断实施，80年代中，我国也相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环境，活跃人民的文化生活起了良好的作用。通过学习和引进国外先进技术，加上自行研究和开发，喷泉的面貌不断更新，各种新水型层出不穷，音乐喷泉还可以同水幕电影、激光表演和舞台表演相结合，产生令人难忘的艺术效果。我国现有上百家喷泉水景设备制造厂，经过市场竞争、优胜劣汰，我国已经出现了几家综合实力较强的大型喷泉水景工程公司，能够独立建设投资上千万元的特大型喷泉水景工程，并创造了一些世界之最的新记录。总体上说，我国的喷泉水景技术已经达到了国际先进水平，其建设规模和市场需求更是其他国家所难以相比的。 本次设计内容有：首先进行音乐喷泉产品的市场分析并制定总体方案及其系统规范，其次进行音乐喷泉硬件模块化设计，再次进行音乐喷泉软件模块化设计，最后是组装调试，并进行总结。 1.2小型音乐喷泉的发展现状 从喷泉概念的提出发展至今喷泉技术已越来越成熟，许多高科技技术也得到不断的应用。起初，喷泉被用来装饰我们的城市出现在各大广场、公园等公共场所，为城市环境增色不少。但是随着人们生活品质的提高，越来越多的人迫切希望小型的音乐喷泉能走进人们的家中，搬进室内。 目前，国内对小型音乐喷泉的研究和开发都较少，技术不成熟。小型音乐喷泉不仅是一种观赏性较高的艺术水景，而且能增加周围空气湿度，减少空气中的尘埃，降低空气温度。喷头向上喷出的水珠与空气中的水分子高速撞击后能产生 大量的负氧离子，从而对改善环境起着综合作用。经过市场调查分析, 随着人们生活质量的提高，小型音乐喷泉在国内的建设将会越来越多，市场前景较好。综上所述，决定设计和开发小型音乐喷泉。 1.3本文主要研究内容 经过大量的调查，针对家庭用户要求价格实惠，在五百元以内是可以接收的。要求系统有现场采集并处理的能力，如现场采集某音频设备播放的任意一首歌，并用水柱表现出来；对于家庭用户要求不占地方，中等尺寸鱼缸就可以安装。易于维护，用户能控制花型的变化等。 目前音乐喷泉的控制系统部件有可编程序控制器PLC、单片机、基本电路的组合等。 小型音乐喷泉可以使用基本电路作为控制器，但如果要求控制效果比较理想的话就离不开变频器；使用PLC的话就必须给PLC一个控制信号，一般不单独使用PLC去控制音乐喷泉；既然小型音乐喷泉的控制系统要求不是很复杂，而单片机具有对音乐信号采样和不是很复杂的处理能力，因此使用单片机可以直接利用处理后音乐数据去控制电机和电磁阀，进而控制音乐喷泉的花形、水柱高低等,而且成本最低，综上所述，本设计选用单片机作为小型音乐喷泉的控制系统部件。 模块化设计的内容有： 喷泉硬件设计，在选择了鱼缸后，选择了各种喷头,灯具和潜水泵。 潜水泵控制模块。对于一般的家庭用户，不要求精确控制潜水泵转速,只要水柱的高低能反映声音强度的变化就行。结合音乐与水柱要尽量同步，尽量降低成本，所以本系统不采用变频器调速，采用单片机程序及其控制电路完成调速。 灯光控制模块。尽量使用小功率的灯具设备，为了能使用各种灯具设备，减小软硬件设计难度，利用较便宜的音频调制灯光控制芯片。 花型控制模块。采用用户按键选择花型和程序自选花型两种形式，用户按键选择的花型通过LED显示出来。 歌曲存储模块。采用程序存储器来存储用户比较喜欢的歌曲，如有必要，可以扩展程序存储器。 延时模块。由于单片机处理数据的能力有限，为了便于以后使用傅立叶变换增加更多滞后时间，要求在外围采用硬件延时电路。 2 喷泉硬件设计 2.1鱼缸设计 本音乐喷泉系统主要应用于大型金鱼缸中。金鱼缸已经是批准生产了，其主要参数已经固定，本系统以圆形金鱼缸1500mm进行说明。 2.2 造型方案设计 设计方案：根据所选择的金鱼缸规格,喷泉管道设计如图2.1所示,设置十三个喷头，分内外两圈布置。 图2.1 管道造型 2.3花型及喷头的选择 选择单射型、蒲公英型、向心型、礼花型、旋转型、水柱型、牵牛花型、蘑菇型花型，相应喷头参考如下表2.11 表2.1 喷头参考参数 喷头名称喷头型 号 水压 (kpa) 流量 (m3/h) 喷高 (m) 连接管 直径 DN(mm) 连 接 形 式 安装尺 寸 A(mm) 安装尺 寸 B(mm) 数 量 树冰喷头SB-219 1245 0.6-1.13 0.2-0.5 20 内 螺 纹 140 +10 1 直流喷头WX-117 43-67 0.20.4 0.2-0.5 15 内 螺 纹 701+40 2 花柱喷头HZ-112 242-47 0.3-0.74 0.2-0.5 25 内 螺 纹 100+60 2 旋转喷头XZ-307 25-50 0.5-1 0.2-0.5 25 内 螺 纹 140 +80 1 牵牛 花喷头PML50 60 1.20 0.40 20 内 螺 纹 160 +140 1 涌泉喷头YQ-201 37.0-68.0 0.4-1 0.45-0.70 25 内 螺 纹 200 -80 1 孔雀 开屏喷头KQ-210 70 1.50 0.60 40 内 螺 纹 600+450 1 扇形 喷头SX-213 -23 0.3-0.6 0.2-0.5 40 内 螺 纹 200 +120 2 雾状 喷头WZ-112 16-65 0.24-0.470.2-0.520内 螺 纹 45+20 1 礼花 喷头LH-207 3.4 0.3-0.70.2-0.540 内 螺 纹 100 70 2 加气 喷头JQ-309 44-65 0.2-0.37 0.2-0.5 25 内 螺 纹 230 +50 1 说明：喷头系列来源于宜兴市陶都喷泉设备厂。 其中内圈选用一个牵牛花喷头和四个礼花喷头。 牵牛花喷头又称喇叭花喷头。它是利用折射原理，喷水时形成均匀的薄膜，其形状在无风和一定的水压下可形成完整的喇叭花型。这种喷水适用于室内或庭院的喷水池。在喷头下方可安装阀门调节水量，同时还可以调节喷头顶部的盖帽，使喷水花型达到最佳效果，半球喷头与此原理相同。 雾状喷头它喷出的水滴非常细小，成为雾状，在阳光照射下可形成七色彩虹。因喷嘴构造差异，喷出的水姿也有不同，喷水时噪声小，用水量少，一般安装在雕像周围。 直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球型接头，可沿垂直方向15度进行调节，万向直流喷头可组合各种不同形状的喷射效果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小定。 孔雀开屏(半球蒲公英)喷头 半球蒲公英喷头也称孔雀开屏喷头，但它结构原理与构造形式和开屏(散射)喷头都不相同，而与蒲公英喷头基本相同，其区别仅在于它是半球形，喷出的水姿像半环蒲公英，又像孔雀开屏。对水质的要求与蒲公英喷头相同，可应用于各种喷水池中。 花柱喷头是多孔散射喷头的一种，又名层花喷头、花篮喷头等。喷水时，其外观形似一束鲜花，造型美观，安装方便，适用于各种场合的喷水池中。 旋转喷头是利用水流的离心作用和反作用力的推动，使喷头边喷水边旋转。由于喷头的支管数目。弯曲方向及喷头安装的倾斜角度不同，在喷水时形成美观多姿的不同造型如旋转喷头、旋转花篮喷头。 涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，这种喷头可用较少的水量获得丰满庞大的景观，它可广泛用于各种场合喷水池中。 礼花喷头是多孔散射喷头的另一种，又称莲蓬喷头。由于它与花柱喷头的构造稍有不同，喷出的水姿与花柱也有区别，它的喷水造型尤如正在燃放的礼花，造型美观，安装方便，适用于各种场合的喷水池中。 加气喷头也称为掺气喷头、泡沫喷头、吸气喷头等。这种喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷头的水柱呈白色不透明状，反光效果好。调节外套的高度可以改变吸入的空气量，吸入空气越多，水柱的颜色越白，泡沫越细，喷头有球形接头，可绕中心线轴向15度转动。它适用于室内外的各种喷水池中。 2.4喷泉照明灯具的选择 喷泉的照明可分为：固定照明、闪光照明和调光照明、水上照明和水下照明。本设计采用水下照明和闪光彩灯。水下照明灯配置是将灯泡装在密闭的灯具外壳内；置于水面下510厘米处，闪光彩灯是嵌于金鱼岗池壁之中。为了安全，本系统水下灯使用12伏的低压电源，并在灯泡的外面设有不锈钢的保护罩。 2.5水泵和电机的选择 由于本系统所需流量较小，且使用于家庭，在此选择电机工作电压为220V。水泵的种类很多，在喷泉系统中使用较多的是离心泵、潜水泵等。离心泵又分为单级离心泵、多级离心泵，其送水高度可达数百米。潜水泵可以直接置于喷水池或天然河湖等水体内，因此可以省去大量的管道布置和水泵房等设施。同时具有以下特点：体积小、重量轻，移动和安装方便;操作简便，由于泵体浸在水中，没有吸水扬程，所以启动前不需灌水，只要接通电源就能出水;成本低廉，它只要很短的出水管，没有吸水管和长的输水管，不装低阀和逆止阀。潜水电泵一般可以在0.7倍1.2倍的额定流量范围内正常运行。鉴于潜水泵的以上特点以及本设计的特点，根据喷泉管道系统中所需的流量及总扬程，选择潜水泵的型号见表2.62： 表2.6 潜水泵的型号 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) 配管外 径(mm) QDX40-4-0.75 15-25 4 0.75 2860 1.4 220 25 QDX5-4-0.06 5 4 0.060 2860 0.3 220 25