花式音乐喷泉毕业设计

I绪 论 .1设 计 要 求 .2设 计 原 理 .2设 计 意 义 .2第 1 章 音 乐 喷 泉 总 体 设 计 .31.1 音 乐 喷 泉 布 局 .31.2 音 乐 喷 泉 运 行 控 制 要 求 .3第 2 章 音 乐 喷 泉 系 统 硬 件 设 计 .42.2 音 乐 喷 泉 系 统 组 成 .42.3 声 音 传 感 器 选 型 .42.4 PLC 选 型 .52.5 模 拟 量 扩 展 模 块 .62.6 变 频 器 选 型 .72.7 水 泵 电 机 选 型 .82.8 喷 泉 控 制 原 理 与 I/O 分 配 .92.9 主 电 路 图 及 外 部 电 路 控 制 图 .9第 3 章 音 乐 喷 泉 控 制 软 件 程 序 开 发 . .113.1PLC 编 程 语 言 .113.2 顺 控 继 电 器 指 令 简 介 .12第 4 章 调 试 与 安 装 .144.1 硬 件 调 试 .144.2 编 程 软 件 简 介 及 软 件 调 试 .144.3 硬 件 配 置 要 求 .15第 5 章 总 结 .171绪论喷 泉 是 一 种 将 水 和 其 他 液 体 经 过 一 定 压 力 通 过 喷 头 喷 洒 出 来 具 有 特 定 形 状的 组 合 体 ， 提 供 水 压 的 一 般 为 水 泵 。 喷 泉 景 观 概 况 来 说 可 以 分 为 两 大 类 ： 一是 因 地 制 宜 ， 根 据 现 场 地 形 结 构 ， 仿 照 天 然 水 景 建 造 而 成 ， 如 ： 壁 泉 、 涌 泉 、雾 泉 、 管 流 、 溪 流 、 瀑 布 、 水 帘 、 跌 水 、 水 涛 、 漩 涡 等 。 二 是 完 全 依 靠 喷 泉设 备 人 工 造 景 。 这 类 水 景 近 年 来 在 建 筑 领 域 广 泛 应 用 ， 发 展 速 度 很 快 ， 种 类繁 多 ， 有 音 乐 喷 泉 、 程 控 喷 泉 、 摆 动 喷 泉 、 跑 动 喷 泉 、 光 亮 喷 泉 、 游 乐 喷 泉 、超 高 喷 泉 、 激 光 水 幕 电 影 等 。喷 泉 原 是 一 种 自 然 景 观 ， 是 承 压 水 的 地 面 露 头 。 园 林 中 的 喷 泉 ， 一 般 是 为了 造 景 的 需 要 ， 人 工 建 造 的 喷 泉 具 有 装 饰 性 。 据 记 载 ， 早 在 我 国 汉 代 的 上 林苑 中 ， 就 有 “铜 龙 吐 水 “， 这 就 是 一 种 人 工 的 喷 泉 ， 可 见 喷 泉 应 用 于 园 林 已 有 二千 余 年 的 历 史 了 。 明 代 地 理 学 家 徐 霞 客 曾 遍 游 我 国 山 水 风 景 ， 他 在 游 历 云 南 鸡足 山 时 ， 发 现 一 寺 庙 内 有 “喷 泉 “， 曾 作 过 如 下 在 描 述 ： “（ 息 阴 ） 轩 中 水 由 亭沼 中 射 空 而 上 ， 其 高 将 三 丈 ， 玉 痕 一 缕 ， 自 下 上 喷 ， 随 风 飞 洒 ， 散 作 空 花 ， 前观 之 ， 甚 奇 “。 他 感 到 很 疑 惑 ： 认 为 既 然 是 在 池 中 置 管 向 上 喷 则 水 管 中 的 水 不一 定 是 池 水 ， 而 且 水 能 喷 得 如 此 之 高 ， 又 不 外 泄 ， 并 保 持 一 定 的 高 度 ， 必 定 另有 水 源 供 水 ， 彼 下 此 上 ， 与 之 等 高 ， 才 保 持 平 衡 。 经 过 他 的 调 查 研 究 ， 他 终 于发 现 在 这 喷 泉 附 近 的 三 丈 高 一 个 山 崖 上 有 水 源 ， 从 山 崖 以 锡 管 承 接 ， 并 由 地 下埋 伏 数 十 丈 至 池 沼 中 后 ， 始 向 池 心 竖 起 之 故 。 这 大 概 是 我 国 利 用 自 然 水 设 置 人工 喷 泉 的 原 始 做 法 了 。而 现 代 城 市 中 设 置 的 喷 泉 已 十 分 先 进 ， 游 人 和 居 民 经 常 光 顾 的 场 所 ， 我们 可 以 看 到 有 各 种 各 样 的 喷 泉 ， 这 些 喷 泉 有 的 是 为 了 引 人 入 目 ， 有 的 是 为 了 给生 活 或 者 节 日 带 来 喜 庆 的 气 氛 ， 而 有 的 变 成 了 企 业 的 一 种 精 神 象 征 1。 与 此同 时 喷 泉 可 以 湿 润 周 围 的 空 气 ， 减 少 尘 埃 ， 降 低 气 温 。 喷 泉 的 细 小 水 珠 同 空 气分 子 撞 击 ， 能 产 生 大 量 的 负 氧 离 子 。 因 此 ， 喷 泉 的 存 在 改 善 了 城 市 面 貌 ， 有益 于 人 们 的 身 心 健 康 。目 的 ： 在很多地方都可见到人工音乐喷泉,它集光、色、音于一身,给人以美感。喷泉的控制系统可采用单片机,可编程序控制器 PLC,甚至可采用工控机作控制核心。传统的喷泉控制一旦设计好控制电路,就不能随意改变喷水花样2及喷水时间。若采用 PLC 控制系统,利用 PLC 体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点, 对音乐特征的自动识别，通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关,就可以改变花式喷泉的喷水规律,从而不需要改变硬件就可变换出各式花样,适合应用于大型广场或景区的喷泉中。要 求 ：通过 PLC，结合按钮、开关、电源电路，将软件和硬件有机的结合起来，设计系统简单可靠，快捷方便，能很好的满足要求，并能准确高效运转的花式喷泉。1) 按下启动按钮,喷泉控制装置开始工作;按下关闭按钮,喷泉控制装置停止工作.2) 喷泉的工作方式由花样按钮来自行选择.3) 花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样.原 理 ：由音乐传感器识别音乐频率特征，将其转换为模拟信号传送到 PLC，PLC根据信号按照编写的程序控制变频器和水泵的运行意 义 ：本 设 计 利 用 传 感 器 采 集 音 乐 信 号 特 征 ， 使 用 可 编 程 控 制 器 控 制 花 式 喷 泉 ，具 有 使 用 方 便 ， 运 行 可 靠 ， 控 制 程 序 设 计 简 单 等 优 点 。 采 用 变 频 调 速 技 术 ,实现 水 泵 无 级 调 速 ， 能 根 据 音 频 信 号 强 弱 随 时 调 节 水 泵 速 度 。 本 设 计 能 够 通 过程 序 使 输 出 不 同 的 结 果 ， 从 而 改 变 原 来 设 定 的 喷 泉 花 样 。 程 序 编 写 简 便 ， 查错 方 便 ， 扩 展 能 力 强 ， 有 很 大 的 发 展 空 间 和 广 泛 的 应 用 前 景 。3第 1 章 音乐喷泉总体设计1.1 音 乐 喷 泉 布 局本 设 计 喷 泉 布 局 如 图 2-1， 图 中 分 别 为 喷 水 管 编 号 ， 4 号 为 中 间 喷 水 管 ，3 号 为 内 环 状 喷 水 管 ， 2 号 为 中 环 形 状 喷 水 管 ， 1 号 为 外 环 形 状 喷 水 管 。图 2.1 花 式 喷 泉 喷 头 布 局 示 意 图本 设 计 的 特 点 是 4 号 喷 水 管 ， 水 柱 高 度 能 够 随 音 乐 变 化 ， 该 喷 水 管 所 喷出 的 水 柱 为 4 组 喷 水 管 最 大 ， 喷 射 高 度 为 4 组 喷 水 管 最 高 ， 为 2-10（ m） 。 3号 喷 水 管 所 处 的 圆 上 由 8 个 喷 水 管 组 成 ， 该 喷 水 管 所 喷 出 的 水 柱 为 比 4 号 的水 柱 略 小 ， 所 喷 高 度 比 4 号 的 高 度 略 底 ， 所 喷 高 度 为 1.5（ m） 。 图 1-1 中 2号 喷 水 管 所 处 的 圆 上 由 20 个 喷 水 管 组 成 ， 该 号 所 喷 出 的 水 柱 比 3 号 的 水 柱 小 ，所 喷 高 度 比 3 号 水 柱 低 ， 所 喷 高 度 为 1（ m） 。 1 号 喷 水 管 由 30 个 喷 水 管 组 成 ，该 组 所 喷 水 柱 为 4 组 中 水 柱 最 小 ， 所 喷 高 度 最 低 的 一 组 。 所 喷 高 度 为0.5（ m） 。 为 了 在 每 组 喷 水 管 工 作 时 能 够 更 好 的 欣 赏 ， 能 区 别 4 组 所 喷 出 的 水柱 ， 所 以 3 号 所 处 的 圆 的 半 径 为 R=2(m)， 2 号 所 处 的 圆 的 半 径 为 R=4（ m） ， 1号 所 处 的 圆 的 半 径 为 R=6（ m） 。1.2 音 乐 喷 泉 运 行 控 制 要 求控 制 要 求 如 下 ：(1)喷 泉 控 制 电 源 开 关 接 通 后 ， 按 下 启 动 按 钮 ， 喷 水 装 置 即 开 始 工 作 ， 4号 喷 水 管 ， 水 柱 高 度 随 音 乐 变 化 ， 其 余 3 个 则 进 行 花 式 喷 水 。 按 下 停 止 按 钮 ，则 停 止 喷 水 。 工 作 方 式 由 “选 择 样 式 ”和 “连 续 循 环 ”来 决 定 。(2)选 择 “选 择 样 式 ”时 ， 喷 泉 只 循 环 运 行 一 个 喷 水 样 式 ； 选 择 “连 续 循环 ”时 ， 所 有 喷 水 样 式 连 续 循 环 运 行 。4(3)方 式 选 择 开 关 用 以 选 择 喷 泉 的 喷 水 花 样 ， 2 4 号 喷 水 管 的 工 作 方 式 选择 如 下 ：1)选 择 开 关 在 位 置 “1”按 下 启 动 按 钮 后 ， 喷 泉 1 3 号 水 管 的 工作 顺 序 为 ： 1 2 3 按 顺 序 延 时 5s 喷 水 ， 然 后 一 起 喷 水 10s 后 ， 1、 2、 3 水管 分 别 延 时 5s 停 水 ， 停 顿 5s 后 开 始 下 一 个 循 环 ；2)选 择 开 关 在 位 置 “2”按 下 启 动 按 钮 后 ， 1、 3 号 同 时 喷 水 ， 延 时5s 后 ， 2、 3 号 同 时 喷 水 ， 延 时 5s 后 ， 1、 ,2 号 同 时 喷 水 ， 延 时 5s 后 开 始 下一 个 循 环 ；3)选 择 开 关 在 位 置 “3”按 下 启 动 按 钮 后 由 3 2 1 反 序 分 别 延 时5s 喷 水 ， 然 后 再 一 起 喷 水 10s， 为 一 个 循 环 。(4)不 论 在 什 么 工 作 方 式 ， 按 下 停 止 按 钮 ， 喷 泉 立 即 停 止 工 作 ， 所 有 存 储器 复 位 。第 2 章 音乐喷泉系统硬件设计本 设 计 以 PLC 为 控 制 核 心 ， 通 过 传 感 器 把 音 乐 特 征 给 PLC， 通 过 程 序 控制 变 频 器 驱 动 水 泵 电 机 ， 使 喷 泉 的 喷 射 水 柱 高 度 随 音 乐 变 化 。2.2 音 乐 喷 泉 系 统 组 成首 先 由 音 乐 传 感 器 识 别 音 乐 频 率 特 征 ， 将 其 转 换 为 模 拟 信 号 传 送 到PLC， PLC 根 据 信 号 按 照 编 写 的 程 序 控 制 变 频 器 和 水 泵 的 运 行 ， 。2.3 声 音 传 感 器 选 型人 们 的 听 觉 最 直 接 的 感 受 就 是 声 音 的 响 度 ， 响 亮 度 是 声 音 的 一 个 重 要 特5性 ， 因 此 本 音 乐 喷 泉 把 乐 曲 的 响 度 值 做 为 识 别 的 音 乐 特 征 。 声 音 的 相 对 响 度一 般 用 分 贝 做 计 算 单 位 。BR-ZS1 型分贝模块内置高灵敏度传感器、数据采集模块。使声音响度信号不失真的以 05V 电压或 420mA 电流等工业标准输出，直接与用户的 PLC 配套使用，实现对现场声音的实时监控，精度高、通用性强、性价比高成为其显著的特点，被广泛用于各种声音测量领域。测量范围：30120dB(A)；频率范围：20Hz12.5kHz，最大误差： 0.5dB，供 电：220V 市电或 24V DC 。2.4 PLC 选 型S7-200 是 一 种 小 型 的 可 编 程 序 控 制 器 ， 适 用 于 各 行 各 业 ， 各 种 场 合 中 的检 测 、 监 测 及 控 制 的 自 动 化 。 S7-200 系 列 的 强 大 功 能 使 其 无 论 在 独 立 运 行 中 ，或 相 连 成 网 络 皆 能 实 现 复 杂 控 制 功 能 。 因 此 S7-200 系 列 具 有 极 高 的 性 能 /价格 比 。 S7-200 系 列 在 集 散 自 动 化 系 统 中 充 分 发 挥 其 强 大 功 能 。 使 用 范 围 可 覆盖 从 替 代 继 电 器 的 简 单 控 制 到 更 复 杂 的 自 动 化 控 制 。 应 用 领 域 极 为 广 泛 ， 覆 盖所 有 与 自 动 检 测 ， 自 动 化 控 制 有 关 的 工 业 及 民 用 领 域 ， 包 括 各 种 机 床 、 机 械 、电 力 设 施 、 民 用 设 施 、 环 境 保 护 设 备 等 等 。 如 ： 冲 压 机 床 ， 磨 床 ， 印 刷 机 械 ，橡 胶 化 工 机 械 ， 中 央 空 调 ， 电 梯 控 制 ， 运 动 系 统 。S7-200 系 列 PLC 是 模 块 式 结 构 ， 可 以 通 过 配 接 各 种 扩 展 模 块 来 达 到 扩 展功 能 、 扩 大 控 制 能 力 的 目 的 。 目 前 S7-200 主 要 有 三 大 类 扩 展 模 块 。（ 1） 输 入 /输 出 扩 展 模 块 S7-200 CPU 上 已 经 集 成 了 一 定 数 量 的 数 字 量I/O 点 ， 但 如 用 户 需 要 多 于 CPU 单 元 I/O 点 时 ， 必 须 对 系 统 做 必 要 的 扩 展 。6CPU221 无 I/O 扩 展 能 力 ， CPU 222 最 多 可 连 接 2 个 扩 展 模 块 （ 数 字 量 或 模 拟量 ） ， 而 CPU224 和 CPU226 最 多 可 连 接 7 个 扩 展 模 块 。S7-200 PLC 系 列 目 前 总 共 提 供 共 5 大 类 扩 展 模 块 ： 数 字 量 输 入 扩 展 板EM221（ 8 路 扩 展 输 入 ） ； 数 字 量 输 出 扩 展 板 EM222（ 8 路 扩 展 输 出 ） ； 数 字量 输 入 和 输 出 混 合 扩 展 板 EM223（ 8I/O， 16I/O， 32I/O） ； 模 拟 量 输 入 扩 展 板EM231， 每 个 EM231 可 扩 展 3 路 模 拟 量 输 入 通 道 ， A/D 转 换 时 间 为25 s， 12 位 ； 模 拟 量 输 入 和 输 出 混 合 扩 展 模 板 EM235， 每 个 EM235 可 同 时扩 展 3 路 模 拟 输 入 和 1 路 模 拟 量 输 出 通 道 ， 其 中 A/D 转 换 时 间 为25 s， D/A 转 换 时 间 100 s， 位 数 均 为 12 位 。基 本 单 元 通 过 其 右 侧 的 扩 展 接 口 用 总 线 连 接 器 （ 插 件 ） 与 扩 展 单 元 左 侧 的扩 展 接 口 相 连 接 。 扩 展 单 元 正 常 工 作 需 要 +5VDC 工 作 电 源 ， 此 电 源 由 基 本 单元 通 过 总 线 连 接 器 提 供 ， 扩 展 单 元 的 24VDC 输 入 点 和 输 出 点 电 源 ， 可 由 基 本单 元 的 24VDC 电 源 供 电 ， 但 要 注 意 基 本 单 元 所 提 供 的 最 大 电 流 能 力 。（ 2） 热 电 偶 /热 电 阻 扩 展 模 块 热 电 偶 、 热 电 阻 模 块 （ EM231） 是 为CPU222， CPU224， CPU226 设 计 的 ， S7-200 与 多 种 热 电 偶 、 热 电 阻 的 连 接 备有 隔 离 接 口 。 用 户 通 过 模 块 上 的 DIP 开 关 来 选 择 热 电 偶 或 热 电 阻 的 类 型 ， 接线 方 式 ， 测 量 单 位 和 开 路 故 障 的 方 向 。（ 3） 通 讯 扩 展 模 块 除 了 CPU 集 成 通 讯 口 外 ， S7-200 还 可 以 通 过 通 讯扩 展 模 块 连 接 成 更 大 的 网 络 。 S7-200 系 列 目 前 有 两 种 通 讯 扩 展 模 块 ：PROFIBUS-DP 扩 展 从 站 模 块 （ EM277） 和 AS-i 接 口 扩 展 模 块 （ CP243-2） 。2.5 模 拟 量 扩 展 模 块在 工 业 生 产 过 程 当 中 ， 有 许 多 连 续 变 化 的 量 ， 如 温 度 、 压 力 、 流 量 、 液 位和 速 度 等 都 是 模 拟 量 。 为 了 使 可 编 程 控 制 器 处 理 模 拟 量 ， 必 须 实 现 模 拟 量（ Analog） 和 数 字 量 （ Digital） 之 间 的 A/D 转 换 及 D/A 转 换 。 PLC 厂 家 都 生产 配 套 的 A/D 和 D/A 转 换 模 块 ， 使 可 编 程 控 制 器 用 于 模 拟 量 控 制 。EM235 是 最 常 用 的 模 拟 量 扩 展 模 块 ， 它 实 现 了 4 路 模 拟 量 输 入 和 1 路 模拟 量 输 出 功 能 。 用 户 通 过 DIP 开 关 设 置 EM235 扩 展 模 块 ， 开 关 1 到 6 可 选 择输 入 模 拟 量 的 单 /双 极 性 、 增 益 和 衰 减 。 DIP 开 关 SW6 决 定 模 拟 量 输 入 的 单 双7极 性 ， 当 SW6 为 ON 时 ， 模 拟 量 输 入 为 单 极 性 输 入 ， SW6 为 OFF 时 ， 模 拟 量 输入 为 双 极 性 输 入 。 SW4 和 SW5 决 定 输 入 模 拟 量 的 增 益 选 择 ， 而 SW1， SW2， SW3共 同 决 定 了 模 拟 量 的 衰 减 选 择 。假 设 模 拟 量 的 标 准 电 信 号 是 A0Am（ 如 ： 420mA） ， A/D 转 换 后 数 值 为D0Dm（ 如 ： 640032000） ， 设 模 拟 量 的 标 准 电 信 号 是 A， A/D 转 换 后 的 相 应数 值 为 D， 由 于 是 线 性 关 系 ， 函 数 关 系 A f（ D） 可 以 表 示 为 数 学 方 程 ：A （ D D0） （ Am A0） （ Dm D0） A0。根 据 该 方 程 式 ， 可 以 方 便 地 根 据 D 值 计 算 出 A 值 。 将 该 方 程 式 逆 变 换 ，得 出 函 数 关 系 D f（ A） 可 以 表 示 为 数 学 方 程 ：D （ A A0） （ Dm D0） （ Am A0） D0。为 了 减 小 音 乐 杂 音 带 来 的 误 差 ， 本 程 序 采 取 一 段 时 间 内 的 平 均 值 做 为 模 拟量 输 出 值 。2.6 变 频 器 选 型变 频 器 是 采 用 交 -直 -交 电 源 变 换 技 术 、 电 力 电 子 技 术 、 微 电 脑 控 制 等 技 术于 一 身 的 综 合 性 电 气 产 品 ， 它 通 过 改 变 电 动 机 工 作 电 源 频 率 从 而 达 到 改 变 电 动机 转 速 的 目 的 。 它 是 水 泵 电 机 调 速 的 执 行 者 ， 在 音 乐 喷 泉 控 制 系 统 中 起 着 非常 重 要 作 用 。变 频 调 速 技 术 的 基 本 原 理 是 根 据 电 机 转 速 与 工 作 电 源 输 入 频 率 成 正 比 的 关系 ：(2-1)1(60spfn式 中 ， n 表 示 电 机 转 速 ；f 表 示 电 源 频 率 ；s 表 示 电 机 转 差 率 ； P 表 示 电 机 磁 极 对 数 。通 过 改 变 电 动 机 工 作 电 源 频 率 达 到 改 变 电 机 转 速 的 目 的 。 变 频 器