音乐喷泉自动控制系统设计

小型音乐喷泉自动控制系统
摘要：鉴于目前中、大型音乐喷泉投入大，许多小型企事业单位一是没有这么大场地，二是没有这么多资金投入，使音乐喷泉的应用得到了限制，而我见许多单位为了美化环境都设置了喷泉，但其控制十分单调，缺乏观赏性。

为了改变这个现状，我就利用我从事的技术工作的经验，将现代新技术应用到这一块来。

这就是我研究这个题目的初衷。

它适用于中小型企事业单位甚至家庭，具有可观的实用价值。

关键词：音乐喷泉变频调速PLC 自动控制触摸屏
前言：
自2008年到邯郸大学后，系统学习电气自动化知识对音乐喷泉操作进行了理论学习和考察。

学习电工专业课程《数字逻辑电路》、《PLC》、《电力拖动》之外，还自己学习电子方面的课程，如《音响》等，通过对市民乐园音乐喷泉系统的熟悉，发现该系统虽然效果好，功能多，宏伟壮观，但一次性投入实在太大，该系统单设计费用就花了200万人民币，更不用说总投入了，它不是一般单位和个人可以承受得了的。

而许多中小型企业大部分都为了美化环境而建了喷泉系统，但其控制单一，缺乏变化，令观赏性大打折扣。

所以，我就一直想设计一套一次性投入不大，但观赏性相对较强、可靠性又高的价廉物美的、适用于中小型企事业单位的小型音乐喷泉自动控制系统。

通过几年的理论学习，我认为自己具备了这个实力，于是决定开发这个项目。

正文
1、方案设想
对于小型企事业单位或家庭而言，要建立一个音乐喷泉系统，我认为一次性投入不能太大，与大型音乐喷泉系统相比，规模应大大缩小，功能也没有必要那么完备。

除具备
随音乐变化外，再加上几种变化就可以满足需求。

就比原来仅仅单一手动调节水柱变化要强许多。

尤其对已有喷泉的单位，则投入将更小。

只需投入变频器一台或两台、PLC一台、触摸屏一个、DVD一台即可。

总投入应在2万元以内（如果原喷泉功率不是十分大的话），是任何一个单位或富裕家庭都能承受的水平。

我的设想是利用音乐的高低通过PLC控制变频器的输出频率，从而改变电动机转速，从而去改变水泵水柱的高低，利用变频器的多段速控制，不需要另外增加通讯模块，可降低成本，同时也具备15种转速变化之多，基本可以反映出音乐强弱变化的全貌。

另外，配备一话筒，可以测量人们喊话音量的大小（用水柱高低变化来衡量）。

具备一定的趣味性。

如果仅有水柱随音量变化而变化这一种功能，则功能太过单一。

所以，我设想当不播放音乐时，应该具备按一定的规律进行水柱高度和喷洒时间的自动控制功能，并且水柱的喷洒高度和时间可以由用户来调节（或者通过触摸屏修改）。

从而增加系统的实用性，提高系统的附加值。

而该功能可以通过PLC编程实现，且较容易实现和扩展。

2、方案可行性论证
从技术性角度来看，设系统所用技术均为现代新技术，具有很高的技术含量。

从系统的可靠性来看，所增加的设备、PLC、触摸屏、变频器，它们的使用寿命都相当长，尤其是PLC，故该系统可靠性高，后期维护维修费用十分小。

从经济性来看，对于企事业单位，2万元投入更是小菜一碟。

综上所述，该系统具有良好的开发价值，具有广阔的应用前景。

3、方案设计
①音乐喷泉自动控制设计
A、控制原理图
图（一）音乐喷泉自动控制原理图
B、音频信号转换为PLC输入的设计
考虑到变频器和电动机及负载的惯性问题，决定每隔15秒采样一次音乐电平高低（采样频率过高，变频器、电机及水泵无法反应过来）。

该每隔5秒采样一次可以通过PLC自身实现，（依靠PLC输出对继电器定时控制），经ADC量化，编码为四位二进制数码（除0000外，0001-1111刚好15种变化，可以对应多段速的15段速控制），采用输出可以直接驱动发光二极管的ADC，可以将其输出直接作为PLC的输入，可以减少输入模块，降低成本，而音频—电平可以参照现有电平指示电路即可。

故得出音频转化为PLC的输入设计如下：
图（二）：电平指示电路
注意：该指示电路的电源由PLC自身供给，地与PLC输入COM连接。

C、音乐喷泉PLC程序设计
a、输入输出分配
由于音频采样及控制需4个输入，外加启动与停止共需6个输入输出控制变频器的多段速控制，15段速需PLC4个输出点，外加转向控制一个点，采集控制一个点，共需6个输出点，从而得出下表。

b、PLC与变频器接线图
c、输入输出逻辑分析
为了简化PLC程序的设计，如果将输入X1—X4的变化与输出Y1—Y4的变化一一完全相同，则只需要一条MOV传送指令即可实现音乐喷泉的适时控制。

d、变频器参数设置
变频器除了基本参数设置外，为了实现PLC输入控制电机转速，还需进行运行参数设置，PLC输入/输出及变频器运行参数见下表：
PLC输入状态PLC输出状态变频器运行
频率f(Hz) 参数号
D C B A Y4 Y3 Y2 Y1
Pr
0 0 0 0 0 0 0 0 0
注意：变频器参数设定时要注意Pr.79和Pr.186中参数的修改。

Pr.79应设为3，Pr.186应设为8（变频器型号不同，参数号也不相同），基本参数设置中Pr.9（电子过流保护）应据电机容量设定。

由于泵类负载的转矩与转速的平方成正比，故不能向上调速，只能将频率限制在额定频率以下。

如果将频率调到额定频率以上，将可能烧电机和变频器。

e、梯形图设计
至此，简易小型音乐喷泉设计完毕。

②、话筒音量控制喷泉的设计
只需在图（一）音频输入端加一个多路转换开关，一路接DVD的音频输出，一路接话筒经放大电路放大后的输出即可。

由于话筒转化为电信号的电平比DVD线路输出要低60—70dB，故话筒电压放大的放大电路放大倍数应设计在1000倍以上。

所以应采用多级放大，设两级放大，放大倍数接40×40设置，则总放大倍数可达1600。

应该可以满足要求，今采用两级直接耦合放大。

③自动变速程序设计
为了实现喷泉高度变化的多样性和观赏性，决定设计一种单极性正弦曲线变化程序，即水柱高度接正弦规律（单极性）变化。

由于前面音乐喷泉系统已设定了变频器的参数，而使用者一般难以懂得如何操作和修改变频器的参数。

故变频器的参数不宜修改，应与音乐喷泉系统的参数一致。

为了满足水柱变化快慢可调的要求（不同用户爱好不同）。

故各档位运行时间应可修改。

所以采用四按钮用于档位运行时间的增减。

实质是修改数据寄存器中的数值，即定时器的运行时间。

由于前面已用X0—X5，故设定X6、X7作为启动、停止。

X10、X11作为定时器定时时间的增减键。

故得增减时间程序如下：
为了满足用户要求，决定采用单循环与自动循环，依靠一个开关的两个状态来实现控制，设为X12控制。

从而得出自动变速单极性正弦式程序的状态转移图如下：
④、手动变速程序设计
由两个按钮实现手动增速和减速。

由于上面用到了X13，故用X14、X15作为增减速按钮输入。

X16作为手动变速的启动按钮输入，X17作为手动变速的停止按钮输入。

由此得出梯形图如下：
可简化为：
⑤、综合程序设计
对于小型音乐喷泉系统而言，具有上述4种功能已较完备了。

上面是分体设计，每
步子程序均有启动与停止，会造成两个方面的困扰：第一，开关按钮过多，不利于使用者操作；第二，浪费输入端子，从这两方面原因考虑，可将各程序的启动和停止合并用一个启动与停止。

由于上述运行方式有多种，而各种运行不能并存（即不能同时运行两种及两种以上的功能）。

故应对各功能的选用设置专用选择开关，防止程序出错，使PLC无所适从。

该选择开关应具备下列几档：声乐控制、自动、单调、手动四个档位。

而启动与停止则各用1个输入，速度增减2个输入，时间长短控制2个输入，加上音乐ADC输出4个输入共需14个输入。

而输出没有变化，故总程序的I/O分配需重新分配。

为了防止程序的修改量最小，故仍选用X1—X4接ADC输出不变。

综合程序的I/O分配如下表所示：。