最新基于单片机的音乐喷泉控制
1 绪论
1.1 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。
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，解决系统中信号的同步性问题。
1.2 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，喷水可产生五六种变化，时而转动如银伞，时而飘忽如玉带，时而如金蛇狂舞，时而旋转飞溅……喷出的花形有昙花、菊花、扶桑花、百合花和曼陀罗花，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，人们可以一边欣赏音乐，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，假山瀑布及两侧的喷泉群与3层水池形成一处动静结合的较为文雅悠扬的水景园，入夜则有五光十色，优美动听的喷泉景观，整个舞台区域东西面阔近百米，南北深度约40m,成为目前亚洲最大的音乐喷泉之一。表现出壮阔、绚丽的水景之美。
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，但是都属于大型的音乐喷泉，其控制系统也多采用PLC逻辑编程控制，造价高，流量需求大，一般为专门的定量设计。即使这样，国内外的音乐喷泉控制系统设计均已达到成熟的水平，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。
1.3 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。
1.4 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，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。
虽然喷泉的种类繁多，如广场喷泉、景点喷泉、旱泉、跑泉、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都具有千姿百态的效果，但都有一个共同的特点：即形成水形的基本通路都是由水泵、管道、阀门和喷头组成。因此，音乐喷泉工程中无疑也会安装大量的电磁阀门、彩灯、水泵和产生其它机械动作的电机。除个别变频水泵需要用模拟信号来连续调节水柱高度、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、彩灯、水泵随着音乐进行不同的组合，从而产生各种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、旋律和感情色彩输出，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（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。
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。
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[1]。
当垂直视角为30度时，其合适视距为[1]：
10
cot ()
30cot ()2
3.7()
D H h H h H h α=-=-=- 式（2.1） 式中 D 1—合适视距
H —景物高
h —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
2 2.5 2.11.2 1.2
D W m ==≈ 式（2.4） 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约为景物宽度的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。
水泵
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
图2.1 喷泉造型平面图
—局部水头损失之和
∑h
局
2.3 喷泉的管道布置、管材及附件选择
2.3.1 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。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，在喷泉底座下设检查井，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，因此喷水池需设补充供水管。
③为了池水上涨造成溢流应设溢水管，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，均应进行水压试验。
2.3.2 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。
2.3.3 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、过滤器等附件。
①连接管件
钢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
径为50mm ，同时为使安装方便，故选螺纹连接[1]
。 表2.2 喷泉管道材料选择表
2.4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润滑，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。查JB/T8092-1996标准[8]
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
额定流量(m 3/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) 配管内径(mm) QSP12.5-40-3
12.5 40 3 2860 7.54 380 50
2.5喷水池的设计
2.5.1 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：
2.5.2 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，在该范围的基础上，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：
2232.50.35
1.7244d h
V m ππ??==≈ 式（2.44）
3 控制系统的设计
3.1 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 SSR 图3.1 控制原理图
方案：控制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成，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阀和变频器的动作及灯光的变化，其中电磁阀对喷头控制思想是：预先是根据设计的花形种类和变化方式，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，这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。同样，单片机对变频器的控制也与之类似，只不过控制字的编制是根据音乐的频率进行编制的，而且查表的方式也有所不同，这将在后面的内容中进行阐述；因而变频器根据所接受的信号，输出不同的频率值，以控制水泵的转速，进而达到控制喷泉管路中的流量，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，以驱动灯具，并使之与单片机隔离。
3.2 单片机型号选择
3.2.1 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，需要将程序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[11]
。因此，本次设计选择MCS-51系列的8751芯片作为控制核心。
3.3 控制系统的硬件设计
3.3.1 系统组成
该硬件电路的核心是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 扩展。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播放出来，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T0的计数值到后，就对P1.7口取反，即产生相应频率的方波。由于系统中的电磁阀数量较多，且每个电磁阀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够，故需进行输出口的扩展，以便电磁阀和变频器的控制，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接口简单，并将PA、PB、PC口作为输出接口[12]。
为了使音响和花形变化同步，系统采用了硬件延时电路，其电路设计将在后面进行；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，它是一种无触点通断的电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端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)，从而控制较大负载。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、能与逻辑电路兼容、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计算机等领域[13]。根据以上叙述，现将方案一转换成硬件电路接口图，即成为本设计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。
3.3.2 8155的初始化
将8155的地址/数据复用线AD
0～AD
7
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/0口、存储器RAM选择信号（IO/M）与P2.0相连作为地址选通信号，低电平有效，即选择I/O口作为输出口。RESET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。
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: 0101H PB口：0102H
PC口：0103H 命令字：0FH 8155的初始化程序如下：
CLR P2.1 ；8155复位
SETB P2.1
CLR P2.1
SETB P2.0 ；8155IO/M=1选择使用在输出输入口
MOV DPTR，#100H ；命令/状态寄存器地址100H（指向命令口）
MOV A,#0FH ；设定命令/状态寄存器PA，PB，PC为输出
MOVX @DPTR，A ；写入命令字
为此根据要求对同步控制的可行性进行分析如下：利用音乐的音频信号对变频器进行控制，音乐的音频信号本身是一个功率很小的交流电压信号，经过整流滤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，下面对通用性的变频器的工作原理进行了简单的介绍：
1—整流部分 2—滤波部分 3—逆变部分 4—控制部分 5—负载
图3.2 通用变频器基本电路
通用变频器的基本电路如图3.2所示，它由4个主要部分组成，分别是：
1—整流部分，把交流电压变为直流电压；
2—滤波部分，把脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的直流电；
3—逆变部分，把直流电又转换成三相交流电，这种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，当这种波形的电压加到负载上时，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—控制电路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、外部通断控制以及变频器内部各种各样的保护和反馈信号的综合控制等。
通用变频器对负载的输出波形都是双极性SPWM波，这种波形可以大幅度提高变频器的效率，但同时这种波形使变频器的输出区别于正常正弦波,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)是三角形的载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。由于变频器有数字输入和模拟输入的信号类型。因为单片机输出的是数字信号，若要选择模拟输入信号的变频器，就必须进行数模转换电路设计，本身变频器的价格就比较昂贵了，在加入一个数模转换电路，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，但是一般的变频器不能直接与单片机相连，需要进行强弱电的隔离处理。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，因此可直接选用这种变频器，目的可使硬件电路结构简单，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。
根据变频器的选用原则：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载能力强，一旦电机有过载，损坏的首先是变频器(如果变频器的保护功能不完善的话)；又如果设备上已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，也就是说变频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[16]。因此变频器的选择主要是对变频器容量的选择，而变频器的容量又由很多因素决定，如电动机容量、电动机加速时间（即反应时间）等，其中，最主要的是电动机的额定电流。
②变频器的容量计算[17]
由于变频器只驱动一台电机，而对于连续运转的变频器必须满足下列3项计算公式：
满足负载要求输出：
cos 1.053 4.470.820.86M CM KP P KVA η≥
??=≈? 式（3.1）
满足电动机容量：
33310310 1.053807.54 5.21CM E E P KU I A
KVA --≥?=????≈ 式（3.2）
满足电动机电流：
1.057.547.92CM E
I KI A ≥=?≈ 式（3.3）
式中：P CM 是变频器的容量、P M 负载要求的电动机轴输出功率、U E 是电动机的额
定电压、I E 电动机的额定电流、η是电动机的效率、cos Φ电动机功率因素、K 是
电流波形补偿系数，由于变频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 控制方式的变频器，K 的取值为1.05～1.1。
根据以上条件可选择成都中南实业有限公司提供的西门子全新一代标准变频器，变频器型号为MICROMASTE 440通用型的变频器。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频器的反应时间，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，变频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加在音响和灯光之前的，而没有在变频器之前加延迟电路，故不能直接对变频器进行延时处理，所以，变频器的设定值取较小值为宜。
表3.3 相关变频器参数
变频器型号
MICROMASTE 440
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 0.1～9999秒（加、减速时间独立设定）
图 3.4 变频器接线端子
③变频器的频率设定
根据前面控制功能分析可知变频器要实现八种电机速度，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计的。那么最高速时电机接受正常的供电频率为50Hz；最低转速时为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，制动前应把速度减到较低的速度，可设置这个频率为6.25Hz。
变频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MICROMASTE 440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代表变频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。速度设定单元为变频器的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
单元速度设定值／Hz
端子X3（PC2）端子X2
（PC1）
端子X1
（PC0）
F8H 0 0 0 A11 6.25
F9H 0 0 1 A12 12.5
FAH 0 1 0 A13 18.75
FBH 0 1 1 A14 25
FCH 1 0 0 A15 31.25
FDH 1 0 1 A16 37.5
FEH 1 1 0 A17 43.75
FFH 1 1 1 A18 50
3.3.4 硬件延迟电路
①延迟时间的计算
延迟时间的计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，延迟时间的计算是非常重要的，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，不管是电磁阀的启动还是关闭时，由于管中有水，当水泵启动时，便对水产生压力，水流就会对电磁阀和球阀产生冲击，当电磁阀突然关时，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瞬间转变。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