声控喷泉设计【通过答辩毕业论文+CAD图纸】

全套设计（图纸）加 401339828 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 学生姓名 侯冬梅 班级 电气 063 指导教师 洪源 论文（设计）题目 声控喷泉设计 目前已完成任务 1、 声控喷泉设计的总体思想和框架 2、 各个硬件部分的原理与初步设计 3、 控制程序的初步编写 是否符合任务书要求进度： 是 尚需完成的任务 1、 各个 硬件部分的最后设计 2、 程序的最终敲定 能否按期完成论文（设计）： 能 存在问题和解决办法 存 在 问 题 程序的模拟 拟 采 取 的 办 法 上机模拟 指导教师签 字 日期 年 月 日 教学院长（ 系 主任） 意 见 签字： 年 月 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告 题目名称 :声控喷泉设计 学生姓名 侯冬梅 专业 电气工程及其自动化 学号 20060344304 指导教师姓名 洪源 所学专业 物理 职称 副教授 完成期限 2009 年 12 月 12 日至 2010 年 5 月 22 日 一、选题的目的意义 随着人们对喷泉的造景功能、娱乐功能、环保功能认识的提高，喷泉已经出现了多种多样的形 式。 喜庆节日、大型群众集会的广场喷泉和城市主题雕塑 喷泉 ，其水造型往往是简捷、明快、庄重、大方，给予人们团结进取，凝聚向上的感受。商业广场、购物中心以及游泳景点的大型激光彩色音乐喷泉，其动感十足的“水表演”，既欢快、跳跃，又抒情、富有诗意的“水舞蹈”，有些喷泉配之以水幕电影，给人们以变幻无穷，绚丽多姿的视听效果。 喷泉进入 住宅小区，多与建筑小品和雕塑相映、相伴，既有中、老年人们喜爱的幽静、典雅的风格，也有适于儿童嬉水，趣味十足的形式。 从喷泉在祖国各地不断的应用与推广来看，对喷泉的研究具有很大的经济效益和社会效益 。 二、国内外研究现状 随着音乐喷泉 市场的需求越来越大，国内外关于音乐喷泉的研究与开发工作也蒸蒸日上。人们对喷泉的追求因某些原因也太不相同，主要有以下几个方面： 1、大型化，譬如首尔“巨型喷泉”盘 浦大桥 给这座 大桥 带来了全新的惊喜 2、智能化，随着生活节奏的加快，人们对智能化的最求越发强烈 3、小型化，随着人们对住宅小区及别墅的环境的要求的提高，小型化喷泉已成为音乐喷泉发展的一个方向 4、融入环境方向 ,譬如北京奥运村的喷泉给游客带来的视觉冲击。 三、主要研究内容 1设计一套声控喷泉装置，主要设计它的控制电路； 2喷泉高度随声音强弱变化而变化； 3部分喷泉呈周期性变化。 2 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 1、 调研：近 年来，全国各地城市、小区广场喷泉如雨后春笋般建造起来。譬如 奥运 “多彩中华”民族文化节文字 喷泉具有很强的代表性。 2、 查资料 ：单片机的控制功能、比例电磁阀线性变化的特性、 辑控制等方法应用于喷泉设计，都有许多值得借鉴的地方。 3、 系统设计 ：机械方面（略），控制电路设计。 4、程序上机模拟 五、 主要参考文献与资料 1 李华，胡汉才 M等教育出版社， 2006 2 吕传林 D连理工大学机械设计及理论系， 2002 3 郭艳萍，李晓波 花式喷泉控制中的应用 J2003,2（ 9） :144 孙育才 M南大学出版社， 1979 5 张桂香 用 M2006 6 高西全 字信号处理 M2008 7 殷培峰 泉控制系统的设计与应用 J,兰州石化职业技术学 院学报， 2006,1（ 3） :208 宋书中，常晓玲 M2006 9 杜坤梅，李铁才 M2002 10 爱虎 变频器的花式喷泉的设计 D沙理工大学信息工程系， 2009 11 无名 D州市技工学校， 2004 12 凌小小 自动喷泉控制中的应用 D圳大学电气工程系， 2007 13 许攸 计 D：西安电子科技大学电子工程学院 14 景喷泉工程技术规程 S 六、 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 河南科技学院本科毕业论文（设计）中期 进展情况 检查表 目 录 1 引言 . 4 2 方案论证 . 4 计思路 . 4 案论证 . 4 统喷泉系统 . 4 传统喷泉方案的比较 . 6 方案总体设计框图 . 8 3 系统框图中各硬件的选取及电路设计 . 8 嘴及彩灯平面布置图 . 8 极体话筒选型及音频放大电路 . 9 频器的选型 . 10 编程控制器的选择 . 12 述 . 12 选型 . 12 下彩灯的选型 . 13 泵选择 . 14 件接线 . 15 型及灯光控制 . 16 4 程序设计 . 16 5 结束语 . 17 致谢 . 17 参考文献 . 19 附录 1 . 20 4 1 引言 随着城市化进程的加速，全国各地城市、小区广场喷泉如雨 后春笋般建造起来。然而喷泉建设中也出现了不少的问题，例如设计方面追求大型，喷泉唯美而忽略周边环境，不注重节水等问题。从喷泉在祖国各地的推广及设计方面存在的问题来看，对喷泉的研究具有很大的经济效益和社会效益。 喷泉设计的研究内容主要有以下几个方面： （ 1）机械方面，喷嘴及水下彩灯的布置，管路的布置，各种接头的衔接。 （ 2）硬件设计方面，水泵规格、喷嘴类型、水下彩灯规格、 号、变频器型号、音响设备等选择。 （ 3）软件设计方面，程序的编写。 （ 4）电路方面，怎样才能安全、长久、节能的运行下去。 本设计以变频 器和可编程控制器 核心，利用了变频器控制水泵的转速与松下 控制功能，协调了声音、灯光、水柱的变化，实现了对喷泉的控制。 2 方案论证 计思路 根据系统设计要求，本系统的主要任务是： （ 1）彻底解决水柱与声音信号的线性变化问题。 （ 2）利用 制喷泉花样及灯光变化。 基于此，本设计应实现以下功能： 选择一款变频器，它的能控制水泵的转速，解决 水柱与声音信号的线性变化问题； 喷泉水型能变化，花型方案由用户设计编程来解决。 因此在系统中使用了变频技术和 控制系统。由于喷泉 花型可以根据个人爱好变化，所以对控制系统的设计提出了一些要求。 案论证 统喷泉系统 在声控喷泉的传统设计中，为了满足一般喷泉的功能，通常设计的喷泉方案如图 1 所示。 其中，常设灯光和变化灯光由继电器控制，常量水泵控制固定花样的喷头，变量水泵用做声音信号的执行器件。电磁阀控制其他的一些变化功能。当喷泉工作在静态时，计算机定时循环输出一组数字量，经光电隔离和驱动后控制电磁阀买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 和继电器，从而控制水底彩灯和常设喷头的通断，此时的控制主要是开关量的循环输出。当喷泉工作于动态时，从声音设备前级输入到计 算机的音频信号被分成 两路，一路经检波处理后控制变量水泵的压力，实现水柱的上下运动；另一路经处理后送音响设备的功效。 图 1 音乐喷泉系统组成框图 为实现声控喷泉系统的计算机控制，传统设计的计算机接口电路通常如图 2所示。音频输入、输出信号和变压控制信号经过 A/D、 D/A 数据板进出计算机。接口板提供 10 路单控制终端的数据采集通道。其性能达到 精度和 12 位的分辨率。此外，此板还带有 5 个 12 位分辨率的输出通道，可插入计算机扩展 槽，直接与 线交换数据。根据实际工程中的控制点数设计 D/D 通道，其中包括光电隔离器和保护电路。通常使用中断来处理数据采集和实时控制，一般情况下选用的计算机为 386 工控机。 图 2 音乐喷泉控制流程图 传统方案中进行软件设计时，首先将设计好的彩灯与喷头的组合花样作为数据文件存储起来，系统采用定时中断方法处理各项任务，中断服务程序框图如图3 所示。 在无音乐或音乐输入无效时，随机选出一种状态数据来完成灯光组合数据输 出。虽然它也能够自动完成多种喷头花样组合及彩灯的变换，但是他不是随音乐 计 算机 A/D 变量泵 D/D 光电隔离 常量泵 音响设备 D/A 驱动 电磁阀 继电器 计算机及接口 常 设及变量灯光 常 量及变量 水泵 电磁阀 喷头 音乐设备 水下彩灯 6 节奏变化而变 化，故令人有一种不协调的感觉。如果音乐信号有效，则进行实时音频信号送变量泵输出，音频信号得延时 t 时刻后，才送功放，同时完成灯光组合数据输出，从而解决了音乐与喷水不能同步的问题。 2 图 3 中断服务程序框图 传统喷泉方案的比较 （ 1） 传统方案 是利用电磁阀开关大小控制水柱高度。 由图 4 可知，音频信号经放大后去控制电磁阀工作，使水经过喷头喷出。如果是普通的电磁阀，水柱高度变化难以随声音大小线性变化。如果应用比例流量电 磁阀，量多价格也不便宜。使用变频器的调速技术，泵在某一范围内变化时。流量、扬程、功率有下列关系： 图 4 控制过程 声音信号 灯光信号 放大 386 工控机 管路 喷头 电磁阀 在缓存队列中取 t 时刻以前的音频信号 送功放 有效 无效 灯光 组合 数据 输出 任意 状态 数据 A/D 采样 信号 音乐 开关 数字 信号 处理 变量 泵控 制量 输出 音频 信号 缓存 0000 )300 )买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 对于泵类来说，其工作特性主要由 线来描述。 线表示当转速恒定时，水压 H 与流量 Q 之间的关系曲线。从图 5 可以看出，当流量从 为 果用调节阀门的方法调节水量，由于泵的转速没有变化，则管网的阻力增加，即管网阻力曲线从 线变为 线，则系统的工作点从 A 点转化到 图可以看出，此时尽管流量减少 了，但水压却增加了，又由于输出功率2与在 A 点工作时的输出功率1 如果用调速的方法调节流量，管网阻力曲线不变，系统的工作点从 A 点转到 D 点。而过 D 点的泵的 线是 80%的特性曲线，此时输出功率图可以看出，在满足同样流量的情况下，水压3电动机输出功率却显著下降，所节约的电能与 3 由此可见，用调速方法调节流量的经济效益是十分显著的。 8 扬 程 H 流量 Q 图 5 泵的 线 （ 2）是控制技术的应用。由图 4 知，可利用 386 工控机控制喷泉的花样，价格较贵，且花型变化困难。而花式喷泉运行的灵活性是评价花式喷泉优劣的关键，而这与花式喷泉的控制系统息息相关。本设计 选择 制喷泉。使用 有使用方便、运行可靠、控制 程序设计简单等优点。同时 出接口较多，便于多路多点控制，而且采用模块式结构，便于用户检修和更换模块。 3 8 基于此，要想满足控制精度高，价格便宜，花型变化多样就应该舍弃传统方案，采用一种全新的设计方案。 方案总体设计框图 声控喷泉是一种用声音控制声控喷泉水型变化及灯光变化的自控装置，由图6 可知由以下几个部分组成： （ 1）声音接收装置：将声音信号转化为电信号。 （ 2）放大装置 :将电信号进行放大。 （ 3）控制装置：进行模数与数模转化等。 （ 4）执行机构：电磁阀、变频器等。 （ 5）动力设备 ：水泵等。 （ 6）其它设备：喷嘴、管道等。 图 6 方案总体框图 3 系统框图中各硬件的选取及电路设计 嘴及彩灯平面布置图 根据喷水控制系统的工艺要求，工作特点，环境等条件，选择合理的设计方案，喷水的平面布置图见图 7。 图 7 为声控喷泉造型图：分 4 层，外 2 层、内 1 层、中心 1 层；外层有 8 个十字星的喷嘴，次外层有 8 个喷嘴；内层有 4 个十字星喷嘴；中心层的 5 个喷嘴分布于五角星的顶点上。灯光系统由 3 条支路组成，分别为绿色灯支路处于外层与次 外层之间，黄色灯支路处于外层与内层之间，红色灯支路处于内层与中心层之间。 音源 放大电路 A/D 转换 频器 水泵 按钮信号 水下彩灯 喷头 管路 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 图 7 喷泉池示意图 极体话筒 选型及音频放大电路 驻极体话筒一般由驻极体与结型场效应管组合而成 这些高分子材料表面具有永久电荷 (Q)极、空隙三部分 ,这样在振膜与背极间形成一个具有定量电荷的电容结构。当说话时 ,会引起振膜与背极间的距离 (D)变化 ,据 C=S/D 可知 ,将使电容 (C)变化 ;据 U=Q/C 可知 ,a、 b 间电压会变化 ;从而引起结型场效应管的 G、 S 间电压变化 ,在 D、 S 间产生放大的电信号。其工作参数有： 工作电压 2V，常用的有 3V， 种 工作电流 间 输出阻抗 一般小于 2K（ 欧姆） 灵敏度 单位：伏 /帕，国产的分为 4 档，红点（灵敏度最高）黄点，蓝点，白点 频率响应 一般较为平坦 指向性 全向 等效噪声级 小于 35 分贝 下面介绍一下音频放大电路。该电路实质上是一个由晶体三极管 外围 阻容元件组成了典型的阻容耦合放大电路，担任前置音频电压放大； 成了两级直接耦合式功率放大电路，其中成发射极输出形式，它的输出阻抗较低。驻极体话筒 收到声波信号后，输出相应的微弱电信号。该信号经电容器 合到 基极进行放大，放大后的信号由其集电极输出，再经 合到 行第二级放大，最后信号中心 10 由 射极输出。电路中， 旁路电容器，其主要作用是旁路掉输出信号中形成噪音的各种谐波成份。 滤波电容器，为整机音频电流提供良好通路。 图 8 音频放大电路 在本次设计 中通过对声音的接收及信号的放大来向控制装置发送信号。控制装置收到信号后向变频器发送信号来调节水泵的转速。本次设计采用的驻极体话筒主要用来检测声音信号的强弱。将采用的是深圳市连清电子有限公司生产的号的 驻极体 话筒 ，它具有具有体积小、结构简单、 电声 性能好、价格低的特点。 其工作参数如下： 阻抗 小于 向特性 全向性 额定工作电压 流消耗 最大 敏度 不超过 a 信噪比 大于 58频器的选型 变频调速技术是电力电子技术、微电子技术、电机控制理论及自动控制技术高度发展的产物。它主要用于控制异步电机的转速，使电机的转速能够从 0 到高于额定转速的范围内变化，而且具有动态响应快、工作效率高、输出特性好、使用方便等其他调速技术所无法比拟的特点。常见变频器的外接控制端大致如下图9 所示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 图 9 变频器的常用外接控制端 根据异步电动机的转速表达式： 可知，能够平滑的调速。 图 10 变频调速框图 电机 负载 变频器 信号 60 （ ） 12 根据设计要求，将选用 1 台 S） E 系列变频调速器。 编程控制器的选择 述 1969 年美国 司研制出世界上第一台可编程控制器，并成功用在 当时只能进行逻辑运算，故称为“可编程逻辑控制器”，简称 80 年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大的推动了 发展，使 功能日益增强，成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称 由于容易与个人计算机相混淆，故人们习惯的用 继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定的优势。 集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（ 首位。它具有 1、运行稳定可靠 2、可实现三 电一体化 3、编程简单、使用方便 4、体积小、重量轻、功耗低 5、设计、施工、调试周期短等优点。 5 选型 在 统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是 程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算是，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的 设计相应的控制系统。 （ 1） 输入输出 I/O 点数估 算 I/O 点数估算是应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%余量。余量后，作为输入输出点数估算数据。 （ 2） 存储器容量的估算 存储器容量是可编程控制器本身能提供的硬件存储单位大小。程序容量小于存储器容量，为了设计选型时 鞥 对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量。 （ 3） 控制功能的选择 根据本课题的需要，主要介绍以下几个功能 1） 控制功能。主要用于顺序逻辑控制。 2） 编程功能。 5 种标准化编程语言：顺序功能图（ 梯形图（ 功能模块图（ 种图形化语言和语句表（ 结构文本（ 种文本买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 语言。 3）诊断功能。 诊断功能包括硬件和软件的诊断。 （ 4）机型的选择 超小型 近几年开发的新产品。虽进入中国市场较晚，但由于其设计上有不少独特之处，一经推出，就备受用户关注。 它体积小，重量轻，使用寿命长，编程和维护方便，故障率低，通过扩展模块的连接，可以增加输入 /输出点数。 通过对输入输出点数、存储器容量以及编程语言的分析，本控制系统选用松下 用梯形图语言编程。 表 1 品规格表 系列 规格 部件号 程序 容量 I/O 点数 连接方法 操作电压 输入类型 输出类型 16 输入： 8 输出： 8 接器型 244体管 控喷泉设计的 I/O 分配表： 表 2 输入 按钮 输入 说明 0 停止按钮 1 花式 1 选择开关 2 花式 2 选择开关 3 花式 3 选择开关 表 3 输出 继电器 输出 说明 频器 频器 频器 频器 5 红色灯 支路 6 黄色灯支路 7 绿色灯支路 下彩灯的选型 压水下灯的出现给整个喷泉业带来新的一轮光明革命，弥补了原来水下灯的种种不足之处，是原来水下灯的替代产品，因为 （ 1）该灯常规采用 压控制电源，由此可以打消漏电而造成的不必要的麻烦。 14 （ 2）该灯功率为小，而效率却相当于普通水下灯 80W 的亮度。 （ 3）该灯拥有散光型和聚光型，可根据喷泉中喷头的需要而选择选用，其中聚光型的射程可以定制光波长。现应用喷泉中照 30 米高的水柱可以到顶。 （ 4）该灯拥多种光源， 而原来的水下灯只有四种颜色，从而使喷泉池中的色彩更加丰富多彩并有更多变化。 （ 5） 压灯使用普通水下电缆 2*方线的可以接 30 盏灯。 （ 6）产品体积较小，便于运输安装。 （ 7）产品可以连续使用 10 万小时，基本无热量。 表 4 小功率水下彩灯规格表 序号 品 名 颜色 电压 规 格 单位 壳型号 1 下彩灯 单色 8 珠 * 下彩灯 单色 8 珠 * 下彩灯 单色 6 珠 * 下彩灯 单色 6 珠 * 下彩灯 七彩同步变色 1 珠 * 下彩灯 七彩同步变色 1 珠 * 下彩灯 七彩同步变色 2 珠 * 下彩灯 七彩同步变色 2 珠 * 据本文设计的要求，本文选择序号 3 的单色 下彩灯，有黄色、红色 绿色三种单色 。 泵选择 由于是喷泉用水泵，将完全浸入水中，其电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。同时 应具有以下特点：体积小、重量轻、移动和安装方便 ;操作简单 ,因水泵浸在水中，没有汲水扬程，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，没有汲水管和输水管，不装低阀，也不需建泵房。潜水泵一般可以在 的额定流量范围内正常运行。 油浸式潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。符合 8092准规定，产品取得全国生产许可证。具有泵电一体，结构紧凑；无需引水、使用简便；双端密封、电器保护 ;设计合理、性能优良；经久耐用、安全可靠的特点。 鉴于以上 特点，满足本设计的要求，将选择的 4 台杭州清泉水泵总厂 制造的潜水泵。其中 责中心层喷嘴的需水量， 责内层喷嘴的需水量， 责次外层喷嘴的需水量， 责外层喷嘴的需水量。 这些潜水泵的型号规格见下表 5： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 表 5 型号规格表 序号 型号 额定流量(m3/h) 额定扬程 (m) 额定功率(额定转速(r/额定电压(V) 额定电流(A) 配套管径(1 0 34 3 2860 380 5 2 0 34 3 2860 380 5 3 0 34 4 2860 380 0 4 0 34 4 2860 380 0 件接线 变频器可以控制多台电动机的并联运行，它们是同步改变转速的，不必有相同的容量或极数，变频器的额定电流应大于所带电动机满负荷电流之和。 8 图 11 变频器与水泵的接线图 系统中各个硬件的连线示意图如下： 16 图 12 连线示意图 型及灯光 控制 控制系统的软件实现框图如下： 图 13 软件实现框图 4 程序设计 本文设计的花式喷泉有 3 种花式可供选择。按下花式选择按钮，喷泉即开始工作，按下停止按钮，则停止工作。喷泉的喷水花式由选择开关来实现。 花式喷泉的第一种花式：（当选择开关 ，喷泉运行第一种花样）中心层、内层、次外层、外层隔 2 秒一次喷水，一起喷水 15 秒后停下，再按外层、各层按照设计花样喷水或停喷 控制 装置 处理 外部 接收 信号 变 频 器 水 泵 喷水 高度 控制 彩灯 控制 停止 按钮 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 次外层、内层、中心层的次序隔 2 秒一次喷水，再一起喷水 15 秒后停下，如此循环下去。当内层或中心层任意一层或 2 层喷水 时，黄灯支路将亮起来；当次外层喷水时，红灯支路亮；当所有层都喷水时，绿灯支路亮起来。梯形图语言见附录 1 的图 14。 花式喷泉的第二种花式：（当选择开关 ，喷泉运行是第二种花样式）外层、内层同时喷水 3 秒后停喷，次外层与中心层紧接着喷水 3 秒后中心层、内层、次外层、外层一起喷水 30 秒停止，如此循环下去。当内层或中心层任意一层或 2 层喷水时，黄灯支路将亮起来；当次外层喷水时，红灯支路亮；当所有层都喷水时，绿灯支路亮起来。梯形图语言见附录 1 的图 15。 花式喷泉的第三种花式：（当选择开关 ，喷泉运行第三种花式） 中心层、内层、次外层、外层按顺序延时 2 秒喷水。然后一起喷水 30 秒，如此循环下去。当内层或中心层任意一层或 2 层喷水时，黄灯支路将