基于单片机的音乐喷泉控制系统设计

基于单片机的音乐喷泉控制系统设计摘要：在音乐喷泉控制系统设计中，通过两种喷泉造型方案的优缺点的比较，选择了最优的方案。本设计主要阐述音乐喷泉的工作原理，并完成小型音乐喷泉系统的硬件结构和软件方面的设计改进。控制系统以单片机为核心控制变频器、电磁阀和水下照明灯具等设备，实现音乐播放和喷头喷水同步的目的。为了便于理解音乐喷泉的工作原理，本设计同时还简要介绍了元器件的参数和工作原理。最后，利用Altiumdesigner软件绘制硬件原理图。关键词：音乐喷泉，控制系统，单片机，变频器，电磁阀IMusicFountainControlSystemDesignBasedOnSCMAbstract：Inthedesignofthecontrolsystemaboutmusicfountain,thebestmusicfountainmodelingischosenaccordingtothecomparisonoftwostylingplansmeritsanddemerits.Thispapermainlydescribestheprincipleofmusicalfountainandcompletesthedesignofsmallscalemusicfountainsystemconcerningabouthardwareandsoftware.Thecontrolsystemwithintakingmicrocomputerasthecorecontrolsfrequencytransformer,solenoidvalve,underwaterlightingsandotherfacilities.Anditachievesthepurposeofmakingmusicplaytokeeppacewithwaterinjection.Inordertomakeotherstounderstandtheprincipleofmusicfountaineasily,thepaperalsointroducescomponentsparameterandworkingprinciplebriefly.Intheend,theprinciplediagramofthehardwareisdrawnbytakingadvantageoftheAltiumdesignersoftware.Keywords:MusicFountain,ControlSystem,SCM,FrequencyTransformer,SolenoidvalveII目录1前言.11.1课题研究背景和意义.11.2音乐喷泉的发展状况.11.3音乐喷泉的工作原理.21.4课题主要研究内容.22音乐喷泉造型和工作流程设计.42.1造型方案设计和选择.42.2水泵选择.52.3喷泉彩灯和喷头选择.63硬件电路设计及元器件介绍.73.1控制系统方案设计.73.2单片机原理与应用.83.3控制系统硬件设计.103.3.1喷泉控制系统组成.103.3.2接口芯片与单片机连接.113.3.3变频器选型.133.3.4电磁阀驱动电路设计.163.4硬件延时电路设计.174控制系统软件设计.194.1系统工作流程.194.2系统资源分配.204.3音乐控制码的编制.204.4软件流程.235结论.24参考文献.25致谢.26附录1电器接线图和硬件原理图.27附录2程序清单.2901前言1.1课题研究背景和意义音乐喷泉理论是一位德国人在二十世纪三十年代初提出的，起初他仅把小型喷泉建造在商场和酒店内供人欣赏。在随后的十几年间，喷泉技术被引进美国，走向世界。在音乐喷泉走向世界的同时，各种新兴技术被不断应用在音乐喷泉上，使得音乐喷泉的设计更加多样，构造也越来越复杂，使得喷泉、音乐和灯光之间的配合显得更加十分巧妙而富有美感。随着市场的不断扩展，国内关于喷泉的研究和开发工作呈现出一片欣欣向荣的景象。根据档案记载，我国在20世纪80年代中期开始引进和设计音乐喷泉。音乐喷泉既是一种水景艺术，把声、光、水、电完美结合，体现动静结合，形成活泼气氛，给人以美的享受；同时也能够大幅改善周围环境，有效降低PM2.5的含量。根据不完全统计，2014年整个音乐喷泉行业的年产值已经突破百亿大关。为了引导我国音乐喷泉行业健康有序地发展，行政主管部门、技术监督部门和社会学术团体相继颁布和出版了相关国家设计规范、设计手册和行业术语标准。例如在1989年出版的给水排水设计手册中首次将“水景设计”以专门章节的形式进行详细介绍。为了适应社会市场需求，音乐喷泉行业逐步从大型化转向小型化和专业化的方向发展。因此音乐喷泉的控制方式也变得灵活多变，比如PLC（可编程逻辑控制器）、单片机和DSP（数字信号处理）等都在音乐喷泉中有所应用。本课题主要针对国内大学的广场和酒店门口进行的音乐喷泉设计。控制系统将采用单片机为核心，驱动喷泉喷头处电磁阀的启闭和潜水泵电机的运停，并解决系统中音乐放音和喷头喷水不同步的问题。1.2音乐喷泉的发展状况在这之前，我见识了各种各样的喷泉，但是真正目睹音乐喷泉的风采是在家乡的容湖生态公园。那是一个大型的音乐喷泉水幕电影，不单单可以随音乐变化，1还可以播放视频。自此以后，我就被音乐喷泉的魅力深深折服，因此对国内音乐喷泉的发展状况进行调研。音乐喷泉是高科技与自然的完美结合，充分体验了人们的智慧，世界各地的音乐喷泉体现美的形式也是不尽相同。北京石景山古城公园的音乐喷泉在我国建造时间比较早，它可以随音乐交替产生百合、玉兰、秋菊等花型，变化无穷，丰富了动态空间的美丽图景。现在，我国喷泉建设向着大型化、复杂化的方向发展，艺术效果更加绚丽多姿。例如，在洛阳开阳湖建设的音乐喷泉被称作“亚洲第一大音乐喷泉”，在水景综合工程拥有许多世界之最，包括369米数控跑泉，12万平方米的水景面积，360度无差别定位数控摇摆等。位于世界知名学府哈佛大学校园内的唐纳音乐喷泉是一座雾喷泉。春、夏、秋三季，水雾像云一样在石上舞蹈，模糊了石头的边界。白天，阳光的反射令水雾产生彩虹；晚上，水雾在灯光的照射下产生迷离的效果。上述音乐喷泉都属于大型音乐喷泉，由专门公司量身定做，造价昂贵，流量需求大。目前，国内的音乐喷泉逐渐向智能化、综合化、多样化方向发展。1.3音乐喷泉的工作原理喷泉设备安装在人工构筑的整形或天然泉池中，喷射优美的水资，以供人观赏。喷泉的工作原理从物理方面属于动量守恒的范畴：当水流从大直径管道到小直径管道时，流速会产生一定的变化，从而冲向背离地面的方向。大直径管道中水流速度由水泵决定，小直径管道中的流速是原来速度和动量转化速度的和。这就需要建立一个微元方程计算动量守恒，求出出口的速度，然后水流做抛物线运动。前提是理想状态，忽略摩擦和风的影响。音乐喷泉的工作原理与喷泉的工作原理并没有太大的差别。音乐喷泉只是将音乐和喷泉水柱结合起来，并使水柱形状和音乐音频同步变化。而水柱是由与电机相接水泵控制的，异步电机如果直接接入工频电源，其转速是固定不变的，这就需要通过变频器调节电源的频率控制电机转速。通过改变电机的转速改变水泵供水的压力使水柱产生变化。21.4课题主要研究内容现在音乐喷泉的应用越来越普遍，涉及到的控制方式也越来越多，于是音乐喷泉的控制系统设计涵盖了机械电子工程的各个学科，且生动形象。虽然喷泉的种类繁多，花型千姿百态，但是他们都有相似之处：花型的形成基本都是由调速水泵、输水管道、电磁阀门和不同性质的喷头构成。因此，音乐喷泉的设计建造同样离不开以上的基本元件。通常情况下，利用开关量控制上述元器件。这些开关量控制水泵、电磁阀、灯光的动作随音乐进行组合，进而产生一场美轮美奂的视觉盛宴。当然，有个别水泵需要用模拟信号实现连续调速实现预期的艺术效果。针对不同花型变换要求需要采用不同的控制方法。现在音乐喷泉有以下三种主要的控制形式：1、声控方式：这种控制方式使得喷泉可以接受任何音频信号，实现声音和喷泉的完美结合，比如音乐演唱会现场等等。2、程序控制：这种控制方式需要提前在控制单元中预存程序，程序应囊括各种水型和花样，然后和灯光一起形成绚丽的艺术效果。其优点比较明显：造假低廉、控制简单、适用于狭小的空间。3、手动控制：这是目前最常用的控制方式。特点是由人工操作进行表演，费时费力。通过上文控制方式特点的介绍，程序控制方式能够满足本设计的要求。控制系统要能够控制水泵转速，同时让喷泉水柱升降变化连续，这就需要变频器的密切配合。同时，在系统中还将配备一定数量的电磁阀。通过预存的花型字表控制电磁阀开关状态的不同组合，使喷泉花型不断变化。这就间接是观众感受到喷泉随音乐变化的效果。因为涉及到变频器、水泵、电磁阀、喷头的选择，所以需进行喷泉造型系统的设计计算，并以此作为元器件选择的依据；同时要进行控制系统包括硬件和软件的设计，以此实现放音、喷泉效果变化和他们之间同步处理。32音乐喷泉造型和工作流程设计2.1造型方案设计和选择方案：在本设计中选择安装十六个喷头，分为内外两圈布置。为了让水流快速到达每个喷头，有以下两种供水方式供选择：方案，将潜水泵安装在喷泉水池中1央，然后用十字管道将内外两圈连接起来供水。方案，将潜水泵安装在内圈或者2外圈管道上，然后用一根短直管将内外圈连接起来供水。通过对上述两个方案分析比较，我们不难得，如果采用方案所述供水方式，距离水泵较远的喷头水柱变化会明显2滞后于距离水泵较近出喷头水柱变化。然而，方案的供水形式产生的滞后效应比1方案要小。同时方案相对于方案拥有其他优点，比如控制方案灵活，可视212效果好，观赏性强等。综上所述选择方案作为本次设计的花形造型方案，其造型形式如图2.1所示。1在造型设计中要根据人眼视角的生理特点和附近景物确定喷泉在广场的空间位置，以此取得较好的视觉效果。经咨询医务人员和查询有关资料，人眼视角包括垂直视角和水平视角。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。经计算水平视距取为2.5M左右合适，喷泉的水柱高度和宽度按最大为2M进行设计1。4图2.1喷泉造型设计2.2水泵选择目前，许多水景工程都采用潜水泵作为水力提升设备。潜水泵是由水泵、电机、输水管和开关控制器四大部分组成。潜水泵为单吸多级立式离心泵；潜水电机为密闭充水湿式、立式三相鼠笼异步电动机。三相异步电动机的工作原理基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。当定子的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组内将通过对称三相电流，并在空间产生旋转磁场，该磁场沿定子内圆周切线方向旋转2。通常异步电动机在额定负载时，转子的旋转速度接近于旋转磁场的旋转速度，转差率S很小，为0.150.16。因为潜水泵工作时泵体可以完全浸于水中，同时其电机和水泵的运转部件都采用水润滑方式，因此不会产生过高的热损失，效率较高。经过查阅JB/T8092-1996标准选择潜水泵的型号列于表2.1。5表2.1潜水泵的主要技术参数型号流量(m3/h)扬程（m）功率（kw）转速(R/min)电流(A)电压(V)内径(mm)QSP12.5-40-312.540328607.54380502.3喷泉彩灯和喷头选择水下照明灯具是水景中常用设备，特别是在音乐喷泉中。因为在喷泉中安装水下照明设备主要追求的是艺术创意设计而非照明亮度，所以景观照明灯具的选择要充分考虑造型美观色彩艳丽。水下照明灯一般是在水面以下5-10cm处配置，其最大水深不超过50cm。水下灯将完全密封，有将防冲击的灯泡直接置于水中和将灯泡装在有密闭的灯具外壳内两种。经过有关资料选择灯具如表2.2。目前，在喷泉设计中喷头的选择余地很大，但有三种是最常用的：旋转、树冰和雾状喷头。旋转喷头以水流的喷射作为动力推动喷头旋转，形成水柱四射的效果。树冰喷头喷射的水柱粗大挺拔，能抵抗一定的侧向风。雾状喷头喷射出来非常细小的水滴，在空气形成雾状，在阳光照射下可形成美丽的彩虹，通常在雕塑设计中用于美化。经过对上述三种喷头喷射效果的分析比较，在喷泉内圈选择旋转喷头，外圈采用树冰喷头。表2.2水下灯具选择表型号功率电压颜色照射高度直径数量SXLEDI-245W24V红/黄/绿/蓝1.53M100MM863硬件电路设计及元器件介绍3.1控制系统方案设计本设计的控制系统结构形式如图3.1所示，从图可以看出控制系统硬件包括单片机，延时电路，调控器件等组成。该控制系统是通过对音乐进行预处理，将其转换成汇编程序写入单片机，使单片机直接连接扬声器播放音乐。当然，其它控制语句也需要写进控制程序。从控制结构形式原理图中可以看出，单片机同时需要对电磁阀、变频器和灯光进行控制。下面对控制原理进行一些必要介绍。单片机对电磁阀的控制原理是预先将编制完成的花型控制字表存入单片机，当单片机执行程序时，通过查表得方式去取不同的花型。而花型的不同是通过对不同类型喷头处电磁阀的开闭进行组合形成的。同样，单片机控制变频器的思想与之有相似之处。只不过是依据音乐频率编制控制字，同时查表方法也不尽相同，这样就实现了变频器依据接受不同信号输出不同频率值控制水泵电机转速的目的。扬声器和灯光是经过同一个I/O接口经延时电路实现同步动作的。在灯光之前还应接一个固态继电器，使灯具与单片机隔离，并驱动灯具动作。图3.1控制系统控制结构形式音乐单片机变频器光电隔离水泵音频放大电磁阀延时电路继电器灯光播放音乐喷泉花型73.2单片机原理与应用目前世界上单片机的生产厂商很多，其主流产品多达70多个系列、500多个品种，但最早推出的是Intel公司的MCS8051/31系列单片机，它是世界上使用量最大的几种单片机之一4。MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751三种类型。8031单片机由于片内不带ROM（程序存储器），因此在使用时需进行ROM扩展和逻辑电路设计，但是改写或者更换程序比较麻烦，需要用特殊紫外线照射，并且写入到外接程序存储器的程序代码安全性不高。而8051与8031有很大不同，其片内有4K掩膜ROM，因此无需存储器扩展和外接逻辑电路，更能体现“单片”的简练。但是用户自己没有办法向其片内写入程序，只能由生产厂家一次性烧入，日后无论谁都不能改写程序。8751与8051内部结构几乎没有差别，只是8751片内的4K内存为EPROM(紫外线可擦除ROM)，用户可以将自己编写的程序写入EPROM中进行现场试验与应用，但改写同样需要用紫外线照射擦除后再烧写。综合考虑本设计的特点，在SCM中需要提前烧写程序。因此，本次设计选择8751单片机作为控制核心，这样能够使控制电路简单。3.2.1复位电路设计关于介绍单片机外部引脚的书籍资料很多，在这里就不对其进行详细介绍了。只简要介绍下最小系统即使得单片机能够工作的最基本电路,最小系统必须要接有复位电路和时钟电路。如果没有复位电路单片机就没有办法正常工作。复位电路分为上电复位和外部复位两种方式。利用电容器的充电即可实现上电复位。在时钟电路工作后，在RST端连续给出2个机器周期的高电平即可完成复位操作。这种复位方式适用于长时间不断电工作的单片机设计，如果中途想要单片机复位只能断电再通电实现。外部复位的方式是当复位按键按下后，复位端通过51的小电阻与+5V电源接通，迅速放电，使RST引脚为高电平；当复位键弹起后，+5V电源通过2K电阻对22F电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。其时间常数取决于RC电路的时间常数。外部复位只要按下复位按钮大于单片机的两个时钟周期就能进行复8位（回到初始状态）。经过对两种复位方式的比较，外部复位是本设计的首先复位方式，连接方式如图3.2所示。因为调试过程中要经常对单片机进行复位，这样方便工作异常时能及时进行复位而不用断电。图3.2单片机复位电路3.2.2时钟电路设计单片机通过片内的时钟电路和定时电路来完成定时控制功能，单片机利用内部时钟方式或者外部时钟方式产生时钟。时钟电路为单片机按序工作提供条件，如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，那么单片机就无法执行程序。在本设计中采用内部时钟方式，如3.3所示。经查阅资料，在本次设计中采用12MHZ的晶振，计算可得单片机的机器周期为1s，指令周期为14s。同时，在晶振的两端一般采用两个大小为1533pF的瓷片电容。在本方案中拟用30pF。9图3.3MCS-51单片机时钟产生方式3.3控制系统硬件设计3.3.1喷泉控制系统组成音乐喷泉控制系统硬件电路以8751型单片机为核心。根据前面章节的介绍可知，8751单片机片内具有4K的EPROM,因而可以满足需求不必进行片外程序存储器扩展。另外，在本次设计中提前将所需的程序编制完成写入单片机，不用进行大量运算和数据暂存，片内的随机存取存储器已然能够满足运行过程中对RAM容量的需求，故也不用进行片外扩展。为了使控制简单方便，在单片机的P0口设置了第一曲、第二曲以及循环播放的功能。从单片机的资料知P1口可以进行位寻址，因此用P1.710口作为放音和灯光控制输出口，在定时器T0的计数值达到设定值后，I/O口取反产生相应频率的PWM波。在喷泉造型设计中可以看出，系统需要控制的电磁阀数目较多，并且电磁阀之间的控制信号是相互独立的。除此之外，变频器也需要控制信号。这就造成仅仅选用单片机的输出口不能满足控制需求，因此要对单片机进行I/O接口扩展,以便能同时实现对电磁阀和变频器的控制，也简化了日后更改控制动作的流程和工作量。此处，将8155芯片作为控制接口扩展的最佳选择。8155是Intel公司生产的可编程多功能接口芯片，被广泛应用在单片机系统中。8155可以直接与51系列单片机直接连接，而不用设计额外的硬件电路。因此将PA、PB、PC当作控制系统的输出接口。为使观众感受到音乐播放和花型变化同步，系统采用了硬件延时电路，其电路设计将在后面进行介绍；为了实现强电与弱电之间隔离，采用光电隔离电路。系统中还选用了SSR(固态继电器)隔离单片机和水下照明灯，它是一种通断电子开关,没有接触点的四端有源元件，两个输入端和两个端。输入和输出之间为光电隔离。当在输入控制端输入的直流或者脉冲信号达到特定电流值时，输出端就能从阻断状态变成导通状态，因此可以控制较大负载7。虽然整个元器件在动作过程中没有机械接触部件，但是它的功能和常用的机械式电磁继电器几乎没有区别。与普通继电器相比，固态继电器具有与逻辑电路兼容性强、输入功率小、灵敏度高、电磁干扰小、转换快速等一系列优点，有逐步取代传统电磁继电器之势，而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。现将上文所述方案转变成硬件电路图即控制系统原理图，并用电路绘图软件AltiumDesigner绘制出来，详见本设计说明书附录1。AltiumDesigner是由ProtelTechnology公司推出的用于EDA(电路设计自动化)的软件。这套软件是一套完整的板卡级设计系统，真正实现了在单个应用程序的集成，能够支持整个设计过程。利用这个软件可以帮助工程师完成原理图设计、PCB（印刷电路板）设计、电路系统仿真和可编程逻辑器件设计等工作。3.3.2接口芯片与单片机连接11可编程RAM/IO接口芯片8155片内有256字节的RAM、14位定时/计数器以及三个并行I/O口,即A口、B口和C口,其中C口只有6位。A口、B口既可以作为基本I/O口，也可作为选通I/O口；C口除可以作为基本I/O口外，还可以用作A口、B口的应答控制联络线。此外，8155内部还有一个控制寄存器组，用来存放控制命令。芯片8155可以和8751单片机直接相连，图3.4是8155和51系列单片机连接的一种基本方法。图中采用线选法、部分译码，将P2.2和Error!相连，P2.0与IO/Error!相连，8155的AD0AD7直接接至P0口，两者的ALE、Error!和Error!可直接相连,REST和P2.1口相连，减少复位电路，节约设计成本。图3.48155和MCS-51的接线方法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：000H00FFH命令口：0100HPA口:0101HPB口：0102HPC口：0103H命令字：0FH8155的初始化程序如下：12CLRP2.1；8155复位SETBP2.1CLRP2.1SETBP2.0；8155IO/M=1选择使用在输出输入口MOVDPTR，#100H；命令/状态寄存器地址100H（指向命令口）MOVA,#0FH；设定命令/状态寄存器PA，PB，PC为输出MOVXDPTR，A；写入命令字表3.18155端口地址表IO口命令口PAPBPCP2.70000P2.60000P2.50000P2.40000P2.30000P2.20000P2.10000P2.01111P0.70000P0.60000P0.50000P0.40000P0.30000P0.20000P0.10011P0.00101十六进制数0100H0101H0102H0103H13表3.28155命令字表TM2TM1IEBIEAPC2PC1PBPA命令字000011110FH3.3.3变频器选型从异步电动机的转速公式，可见异步电动机的p/）s1（f60）s1（n0调速方法有三种，即改变电动机定子绕组极对数p、供电电源频率f、及电动机的转差率s。在上述调速中，改变转差率调速效率低，变频调速具有转差率有限、效率高、范围宽和精度大的特点。因此变频调速是交流电动机一种很好的调速方法。依照本设计的要求，需要利用音乐的音频信号控制变频器，然而音频信号属于交流电压信号，功率很小，必须经过整流滤波稳压输出直流电压信号，但是该信号依然非常微弱，因此需要对该信号进行功率放大，输出05V的标准电压信号，以次实现音频信号对变频器的控制9。为了实现控制目的，下面简要介绍下通用变频器.变频器是用于控制交流电动机的电力控制设备，顾名思义，它是通过改变电动机工作电源的频率来实现该功能的，其基本电路如图3.5所示。变频器靠内部IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开断调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压。因为单片机输出的是数字信号，所以可以直接选用具有数字输入的变频器，但是一般的变频器不能与单片机直接相连，需要在他们之间增加强电弱电隔离电路。为了使电路设计简单、容易理解，经查阅资料，在市场上带隔离功能的数字输入的变频器，因此可直接选用这种变频器，这样就使得硬件电路结构简单，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。14图3.5变频器基本电路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11。变频器在选型时主要考虑变频器容量的大小，变频器的容量由多种因素影响，其中，影响最大的当属电机的额定电流。下面进行变频器选型计算。在本设计中变频器只需驱动一台电机，而对于连续运转的变频器必须满足下列3项计算公式：下面进行变频器选型计算。在本设计中变频器只需驱动一台电机，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：式（3.1）cos1.0534.7826MCKPVA满足电动机容量：式（3.2）310.5807.4521CMEPKUIKVA满足电动机电流：15式（3.3）1.0574.92CMEIKA式中：PCM-变频器的容量、PM-负载要求的电动机输出功率、UE-额定电压、IE-额定电流、-动机的效率、-电动机功率因素、K-电流波形补偿系数，由于变cos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10。对于PWM控制方式的变频器，K的取值为1.051.1。根据以上条件可选择西门子的MICROMASTE440通用型的变频器,其相关参数如表3.3所示。对于表中加、减速时间，本设计拟采用0.1秒以提高变频器响应速度，使之匹配相邻音符的最小间隔时间；如果将加、减速时间设定值过大，相邻音符变换时，变频器的反应就会变得迟钝，这是因为控制系统只在扬声器和水下照明灯之前加了延时电路，故不能直接对变频器进行延时处理，所以将变频器的加减速时间设定比较小的值。表3.3MICROMASTE440变频器的参数最大适用电机功率（KW）3.7额定容量（KVA）6.6变频器输出额定电流（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0.19999秒（加、减速时间独立设定）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。3.3.4电磁阀驱动电路设计电磁阀最常用于电磁控制领域，用在工控系统中调整介质的流量、方向、压力等参数。在保证精度和灵活性的前提下，电磁阀配合不同的电路实现预期的控制。16电磁阀种类繁多，类型相异的电磁阀在工控系统的不同位置发挥迥然不同的作用。在电磁阀选择时要综合考虑下面几个方面：适用性、可靠性、安全性、经济性等方面。安装时要注意电磁阀应垂直向上安装，在额定电压15%-10%波动范围内正常工作。本课题设计电磁阀的驱动电路如图3.6所示，在电磁阀前面设计了光电隔离电路，实现了电磁阀的控制不受其他电路的影响和提高单片机的驱动能力的功能。图3.6电磁阀驱动电路3.4硬件延时电路设计为了达到音乐播放和喷头喷射水柱达到同步的要求，设计中必须进行延时计算。但是，这种同步并不全是完全的同步，只是从技术上减小了听觉和视觉之间的差异。因此，延时计算是及其重要的，这将决定硬件延时电路延迟时间的设定。从上文的设计可知，水流经水管流至喷头的过程中，不仅存在沿程损失，而且在喷头处和水管管径变化处存在冲击。在电磁阀启动或者关闭时，水流突然运动或者停止都会导致动能向压力能的瞬间转变。因此，理论上水流到达喷头处所花费的时间比实际到达所用时间小，两者间的时间差就是产生冲击的时间。从前文的说明可知，变频器反应(tp)、水泵动作(tb)、电磁阀开闭(tf)和产生冲击（tc）都会产生延时，因此延时计算要包括以上几方面。经计算得总的延迟时间为：0.357sttcfbp下面介绍硬件延时电路设计方案。为了使播放音乐、控制变频器和变换花型同步动作，必须要进行延时电路设计。但是同时用软件控制无法满足上述要求，故需17要设计硬件延时电路。在本设计中采用数字式长延时电路,电路如图3.7所示。因为没有用到电容和阻抗很高的电路，所以具有延时精度高，延时范围宽等特点。该电路以MC14521B集成块为核心，将触发输入端接地或者不加任何信号，电路进入延时状态，通过三刀开关与不同触点的接通和阻值100K可变电阻器来调整延时范围。当用容量不同的电容替换39Pf电容，可以进行更长或者更短的延时。如果在触发输出端加正信号，4521B内的分频器复位。要使延时稳定可靠，一般采用615V的稳压电源供电。由总的延迟时间的计算知，该电路的延迟时间为0.357s，所以应将39nF的电容换成13nF。18图3.7硬件延时电路194控制系统软件设计4.1系统工作流程本设计的音乐喷泉控制系统具备以下功能：1)音乐播放：将预存音乐控制码，经处理后，通过延时电路驱动扬声器播放乐曲。由于灯光和扬声器共用相同的I/O口，灯光将由固态继电器SSR驱动同步变化。2)按键功能：采用了点动触发按钮。从附录1中硬件电路原理图可以看出，按键S3、S4、S5时为高电平触发，如图4.1所示。3)花形控制：花型控制包括大小和形状的控制。其控制过程为：系统启动后，系统自动自检，等待动作命令；若为正常按键（一个瞬时一个按键），则进行相应的动作，否则视为错误命令，系统报警。自检完成系统正常，依次执行软件动作，当按下停止或复位命令时，系统结束所有动作。图4.1按键连接电路204.2系统资源分配为了便于程序编写，先对系统的资源分配加以说明。1)定时器：定时器采用单片机内部的定时/计数器（简称T/C），TMOD(定时器工作方式寄存器)用于选择定时器的工作方式，它的高4位控制定时器T1，低4位控制定时器T0。然后令T/C工作在计时模式下，通过改变TH0和TL0的计数值从而产生不同的频率也就产生不同的音节。2)片内RAM及标志位的分配与定义如表4.1所示。表4.18751单片机片内RAM及标志分配表地址功能初始化值20H2FH数据缓存操作区00H5CH用于简谱码值存储区00H60H7FH堆栈区07H（复位时的值）PSW中断状态保护（恢复）04.3音乐控制码的编制本设计选用两首歌曲茉莉花和兰花草程序，程序见附录3音乐程序模块。音频脉冲的产生，首先要计算出音频的周期（1/f），然后将周期乘以1/2。采用定时器计时半周期时间的方法，计时终止立即对P1.7取反相，重复上述过程,就可在P1.7引脚上得到此频率的脉冲。利用8751的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，频率370Hz音符周期T1/3702703s，因此只要令计数器计时1351s/1s=1351，每计数1351次时将P1.7反相，就可得到中音FA（370Hz）。计数脉冲值与频率的关系是：（N-计数值，fi-机器频率，fr-想fr2iN要频率）。C调各音符频率与计数值T的对照表如表4.2所示。计数初值T的算法：。f653653NT21表4.2C调各音符频率与计数值T的对照表音符频率(Hz)简谱码(T值)音符频率(Hz)简谱码(T值)低1DO26263628#4FA#74064860#DO#27763731中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968低3Mi33064021#693264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3M65964777#6186565268中4FA69864820高7SI196765283在单片机片内一个音符占据一个字节，音符高低对应字节的高四位，音符节拍对应字节的低四位，表4.3节拍与节拍码的对照。假如某拍为0.8秒，那么1/4拍是0.2秒，节拍时间通过设定延迟时间来求出来。例如，1/4拍的节拍时间为DELAY，那么相应的1拍为4DELAY，以此类推。因此，如果计算出1/4拍的延迟时间，剩余节拍的时间就是它的n倍（n为整数），如表4.4为1/4和1/8节拍的时间设定。22表4.3节拍与节拍码的对照节拍码节拍数节拍码节拍数11/4拍11/8拍22/4拍21/4拍33/4拍33/8拍41拍41/2拍51又1/4拍55/8拍61又1/2拍63/4拍82拍81拍A2又1/2拍A1又1/4拍C3拍C1又1/2拍F3又3/4拍表4.4各调1/4节拍的时间设定各调1/8节拍的时间设定曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125毫秒调4/462毫秒调3/4187毫秒调3/494毫秒调2/4250毫秒调2/4125毫秒表4.5简谱对应的简谱码、T值简谱发音T值简谱码简谱发音简谱码T值5低音6426016中音9649686低音6440027中音A650307低音6452431高音B650581中音6458042高音C651102中音6468453高音D651573中音6477764高音E651784中音6482075高音F65217235中音648988高音0根据表4.2所示内容将乐谱的音符建立T值表的顺序表，然后把T值表建立在TABLE1，构成发音符的计数值放在TABLE中；简码（音符，参照表4.5）为高4位，节拍（节拍数，参考表4.3）为低4位，音符节拍码放在程序的“TABLE”处16。4.4软件流程依据前文介绍的硬件系统工作流程，将软件设计分为下面两个模块：首先，主程序包括系统初始化和按键检测，按键自检是指检测是否有相应的按键操作，以便程序执行正常。其次是花型控制。花型控制流程是取得花型控制字，输送到8155芯片的PA、PB端口，开启或者关闭电磁阀。其中花型的变换采用循环的方式，每间隔大概5秒循环一次。通过单片机时钟电路的设计计算可知，单片机的机器周期（一个节拍的时间）为0.4秒，也就是说相邻音符之间的间隔为0.4秒，所以每经过大概13个音符花型改变一次。因此软件设计可以通过计算音符数来调用花型程序。根据控制系统原理图设置PA、PB各个端口的状态，获得以下程序控制字。24图4.2主程序流程图255结论喷泉作为水景设计的重要表现形式，喷泉的广泛建造不仅给人们的生活添加些许情趣，而且向着种类丰富、造型美观、花型灵活的音乐喷泉发展。同时得益于灯光艺术的衬托，喷泉更加绚丽引人注目。音乐喷泉的设计研究拥有很大的发展潜力，当代的高新技术被广泛应用。在本设计中，我仅仅对音乐喷泉的初步设计与研究进行阐述。关于提高节拍和喷泉同步精确性的问题，需要对控制系统进行全面考虑，包括乐谱的识别提取、延时计算等。本文设计的音乐喷泉控制系统是大学校园广场和酒店门口用的小型音乐喷泉。基于控制系统简单廉价的原则，在设计中采用把音乐延迟播放的方法解决音乐和喷泉同步的问题，这种方法与造价高昂、设备完善的大型音乐喷泉正好相反。虽然解决了同步性的问题，但系统还存在不少问题，最显著的是只能播放音乐的曲调，因为系统是利用单片机产生的PWM波信号控制扬声器发音的。在未来随着技术的成熟，小型音乐喷泉新产品会越来越多，下一步的发展也将变得更加广阔，将建立音乐喷泉系统的现场采集和数字处理模块。26参考文献1毛培琳.喷泉设计M.北京：中国建筑工业出版社.1990.2程宪平.机电传动与控制M.武汉：华中科技大学出版社.2010.9.3王渊峰，戴旭辉.电路设计标准教程M.北京：科学出版社.2011.11.4余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术M.西安：电子科技大学出版社.1999.5张毅坤，梁莉，陈善久.单片微型计算机原理及应用M.西安：电子科技大学出版社.2013.2.6周峰.基于单片机的音乐喷泉系统设计J.内江科技,2013，34（11）.7张毅刚.单片机控制固态继电器SSR的简单方法J.电子查询网2006第6期.8石小和.我国音乐喷泉控制系统研究进展J.科技创新与应用2014年20期.9王莲涛.变频控制系统在音乐喷泉中的应用D.电子世界2005第7期.10魏世化.变频器在音乐喷泉控制系统中的应用J.变频世界2006年第2期.11王延才，王伟.变频器原理及应用M.机械工业出版社.2005.12李光飞，楼然苗.单片机课程设计实例指导M.北京航空航天大学出版社.2004.13博景源.单片机音乐演奏控制器设计J.电子世界2003第10期.14张均，