基于PLC的音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)

造型優(yōu)美的噴泉，不僅能為城市增添許多靈氣，降低周?chē)h(huán)境的溫度、增加濕度，而且還能產(chǎn)生大量的負(fù)離子，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明：空氣負(fù)離子具有廣泛的進(jìn)行了音樂(lè)噴泉造型系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。造型設(shè)計(jì)闡述了噴泉的控制方式、運(yùn)用場(chǎng)所，以及噴泉的造型、水力分析計(jì)算等；控制部分運(yùn)用單片機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，主要包括：噴泉的流量及花形控制，采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了樂(lè)曲播放和燈光控制，運(yùn)用硬件延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)了花形變化和樂(lè)fnegativeions.Themodernmedicanervoussystem,anditwillbringarefreshingandpleasantBaseonadvantagesofFountain,thepaperdiscussthedesignof"Welcomemusicalthecontrolwaysofthefountains,usingofpremises,systemhasutilizedadvantagesofhardwlighting.Meanwhile,thehardwaredelaycircuittoachievethemusicbroadcasfloweroffountainsynchronization.Keywords:Musicfountain:Controlsystem:SCM; I 1.1課題背景 1.3本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容 22音樂(lè)噴泉造型系統(tǒng)設(shè)計(jì) 42.1造型方案設(shè)計(jì)及選擇 42.2噴泉的管網(wǎng)設(shè)計(jì) 52.2.1噴泉的水力計(jì)算 52.2.2配水管網(wǎng)的計(jì)算 2.3噴泉的管道布置、管材及附件選擇 7 72.3.2管材的選用 82.3.3管道附件選擇 8 2.5噴水池的設(shè)計(jì) 2.5.1噴水池的組成 2.5.2噴水池的尺寸確定 3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 3.2單片機(jī)型號(hào)選擇 3.2.1確定單片機(jī)型號(hào) 3.3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.3.1系統(tǒng)組成 3.3.28155的初始化 3.3.3變頻器的選擇 3.3.4硬件延遲電路 3.3.5系統(tǒng)工作流程 3.4控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 3.4.1系統(tǒng)資源分配 3.4.2音樂(lè)控制碼的編制 3.4.3軟件流程 3.4.4系統(tǒng)控制程序 附錄A:硬件電路原理圖 附錄B:電氣接線(xiàn)圖 34 德國(guó)發(fā)明家?jiàn)W圖皮士特先生在1930年首先提出噴泉的概念，起初他只是在百貨商店和餐館建造小型噴泉，之后經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其音樂(lè)噴泉的設(shè)計(jì)及構(gòu)造到奧圖皮士特先生的音樂(lè)噴泉的表演，并把它帶回紐約電臺(tái)音樂(lè)會(huì)堂。1953年1月15日音樂(lè)噴泉在美國(guó)首次表演，表演期間超過(guò)150萬(wàn)人觀看。在音樂(lè)噴泉推向全世界的同時(shí)，各種新技術(shù)也不斷地運(yùn)用在音樂(lè)噴泉上，使其表演能更復(fù)雜和電腦音樂(lè)噴泉是通過(guò)千變?nèi)f化的噴泉造型，結(jié)合五顏六色的彩光照明，來(lái)反現(xiàn)樂(lè)曲。1998年開(kāi)發(fā)的魔術(shù)師電腦音樂(lè)噴泉系統(tǒng)軟件更是將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、音樂(lè)模糊分析處理技術(shù)等高技術(shù)應(yīng)用于噴泉系統(tǒng)的典范。魔術(shù)師電腦音樂(lè)系統(tǒng)采用數(shù)字同步處理技術(shù)，使音樂(lè)與水型變化在0.1秒內(nèi)完成，在感官上和聽(tīng)覺(jué)上得到滿(mǎn)意的效果，采用多級(jí)分散控制結(jié)構(gòu)和隔離化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)安全性、可靠性和穩(wěn)定性；采用模塊化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)擴(kuò)展性好，兼容性強(qiáng)，安計(jì)的控制核心，主要是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的放音，并控制多個(gè)電磁閥的開(kāi)閉動(dòng)作和北京石景山古城公園的音樂(lè)噴泉，在悠揚(yáng)動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)聲中，噴水可產(chǎn)生五六種變化，時(shí)而轉(zhuǎn)動(dòng)如銀傘，時(shí)而飄忽如玉帶，時(shí)而如金蛇狂舞，時(shí)而旋轉(zhuǎn)飛濺……噴出的花形有曇花、菊花、扶?；ā俸匣ê吐恿_花，這是在80年代臺(tái)灣臺(tái)中的亞哥花園，有一個(gè)專(zhuān)為音樂(lè)噴泉表演的水舞劇場(chǎng)，以氣勢(shì)磅礴的蒼穹為天幕，舞臺(tái)建筑為意大利羅馬式的柱廊構(gòu)成，圓形，用噴泉環(huán)繞，有600個(gè)噴頭，配合著135種變化的燈光，組合成一種載歌載舞的美妙舞姿，水舞時(shí)，新加坡圣陶沙旅游區(qū)的音樂(lè)噴泉的設(shè)計(jì)與效果也是值得參考的，它布置在一個(gè)空曠而略有坡度的空間，面積很大，與圣陶沙車(chē)站前的長(zhǎng)形噴水池共同組成為一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的綜合系列噴泉，音樂(lè)噴泉位于系列噴泉的頂端。舞臺(tái)為一假山堆疊的西洋式半圓柱廊組成，共分3層。白天，假山瀑布及兩側(cè)的噴泉群與3層水池形成一處動(dòng)靜結(jié)合的較為文雅悠揚(yáng)的水景園，入夜則有五光十色，優(yōu)美動(dòng)聽(tīng)的噴泉景觀，整個(gè)舞臺(tái)區(qū)域東西面闊近百米，南北深度約40m,成為目前亞洲最大以上幾處音樂(lè)噴泉從建筑形式、音樂(lè)曲調(diào)及水舞表演的的美麗姿態(tài)，但是都屬于大型的音樂(lè)噴泉，其控制系統(tǒng)也多采用PLC邏輯編程噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)均已達(dá)到成熟的水平，而且還有專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家，提供設(shè)計(jì)、噴泉設(shè)備及安裝等服務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)的音樂(lè)噴泉逐漸向智能化、分散化、綜的高度變化，以使水柱高度的變化及花形大小的變化與音樂(lè)的節(jié)奏同步，噴泉管路中的水流由水泵調(diào)節(jié)，而水泵是由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。因此只要控制了三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以可能控制管路中的流量，當(dāng)給三相異步電動(dòng)機(jī)通入工頻電源時(shí)，則轉(zhuǎn)速是不變化的；當(dāng)采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，可以使管路中的流量發(fā)生柔性變化，這樣噴泉運(yùn)行時(shí)花形變化就更靈活。隨著音樂(lè)噴泉的使用越來(lái)越廣泛，涉及到的控制方式也就越多，變頻器，單片機(jī)，上位機(jī)，觸摸屏雖然噴泉的種類(lèi)繁多，如廣場(chǎng)噴泉、景點(diǎn)噴泉、早泉、跑泉、激光噴泉、層效果，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：即形成水形的基本通路都是由水泵、管道、閥門(mén)和噴頭組成。因此，音樂(lè)噴泉工程中無(wú)疑也會(huì)安裝大量的電磁閥門(mén)、彩燈、水泵和產(chǎn)生其它機(jī)械動(dòng)作的電機(jī)。除個(gè)別變頻水泵需要用模擬信號(hào)來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)水柱高度、實(shí)現(xiàn)特定的藝術(shù)效果之外，其它部件基本是通過(guò)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制。這些開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)、彩燈、水泵隨著音樂(lè)進(jìn)行不同的組合，從而產(chǎn)生各種水形和燈光變換效果。為了達(dá)到聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)的和諧統(tǒng)一，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)音樂(lè)的節(jié)奏、旋律和感情色彩輸出，產(chǎn)生各種不同的狀態(tài)組合來(lái)控制水形和燈光實(shí)時(shí)變化，這也第一類(lèi)水形，啟動(dòng)水泵直接向管道和噴頭加壓，效果是噴頭的水柱在啟動(dòng)和停止時(shí)有一過(guò)渡的升降過(guò)程；第二類(lèi)水形，需要通過(guò)變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)一種達(dá)到一種花型變換；第四類(lèi)水形，需要在直接啟動(dòng)水泵向管道加壓后，通過(guò)控制器快速地控制大量的電磁閥門(mén)的開(kāi)閉，使噴嘴以各種方式進(jìn)行點(diǎn)射，形成所謂的通過(guò)上述分析，本課題將同時(shí)采用第二類(lèi)水形和第四類(lèi)水形，即控制系統(tǒng)須控制變頻器的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速控制，讓噴泉在運(yùn)行時(shí)，可以看到水柱的連續(xù)升降和花型的大小變化效果；為了在噴泉運(yùn)行過(guò)程中，隨音樂(lè)的節(jié)奏變化，可以在不同的瞬時(shí)獲得不同的花形，系統(tǒng)將設(shè)有一定數(shù)量的電磁閥，系統(tǒng)將根據(jù)音樂(lè)節(jié)奏的快慢或信號(hào)的強(qiáng)弱，控制相應(yīng)的電磁閥開(kāi)閉狀態(tài)，就可以得到不同的花形。由于涉及到變頻器、水泵、電磁閥、噴頭的選擇，故需進(jìn)行噴泉造型系統(tǒng)的管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算(流量計(jì)算、損失計(jì)算等),這將作為變頻器、水泵、電磁閥、噴頭選擇的依據(jù)：同時(shí)要進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)),是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的放音、花形變化、燈光變化，以及音樂(lè)信號(hào)和花形的同步性處2音樂(lè)噴泉造型系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1造型方案設(shè)計(jì)及選擇方案：設(shè)置了十六個(gè)噴頭，分內(nèi)外兩圈布置，在水池的中心還設(shè)置了一個(gè)花柱噴頭，噴泉造型如圖2.1所示。本方案采用十字形供水方式，將水泵設(shè)置在噴池中央，同樣是為了讓水流迅速流至每個(gè)噴頭，當(dāng)然也可以采用在外圈或內(nèi)圈安裝水泵，用一短直管將內(nèi)外兩圈的水管連接起來(lái)，就可以向各個(gè)噴頭供水了，但是這種方式使距離水泵較遠(yuǎn)的噴頭的水柱高度變化會(huì)滯后于距離水泵較近的同性質(zhì)的噴水高度變化，產(chǎn)生的滯后效應(yīng)較十字形供水方式的滯后效應(yīng)大。同時(shí)，本方案具有花形控制靈活，花形變化類(lèi)型多，而且觀賞效果好，可以從各個(gè)方向上都能夠看到同樣的花形，作為酒店門(mén)口的迎賓用的音樂(lè)噴泉是較佳的選擇。選擇此方案作為本次設(shè)計(jì)的花形造型方案。由于噴泉設(shè)置在酒店門(mén)口，為了取得較好的視距效果。因此，噴泉所占據(jù)的空間位置，需根據(jù)人眼視域的生理特征以及周?chē)木拔飦?lái)確定，經(jīng)查相關(guān)資料，由以下兩個(gè)指標(biāo)確定，即垂直視域和水平視域。當(dāng)垂直視角在30度、水平視角在45度的范圍內(nèi)，有良好的視域[1]。當(dāng)垂直視角為30度時(shí)，其合適視距為[1]:D?=cota(H-h)式(2.1)式中D?—合適視距h—人眼高根據(jù)酒店門(mén)口特征，取水平合適視距為2.5m左右較為合適，因此由式(2.3)可得噴水池的寬度為式(2.4)由于小型噴泉的垂直合適視距約為噴水高的3倍，噴泉景物合適的視距約為景物寬度的1.2倍，因此噴泉的噴水高度按最大為2m高的水柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，寬度也按2m進(jìn)行設(shè)計(jì)。1—花柱噴頭2、3、4、5、6—樹(shù)冰噴頭7、9、11、13、15—萬(wàn)向直流噴頭8、10、12、14、16—扁嘴噴頭2.2噴泉的管網(wǎng)設(shè)計(jì)①水平射程和噴水高度影響噴頭水平射程的因素很多，但主要因數(shù)是工作壓力，噴嘴直徑和噴射角h—射流高度(m)a—傾斜射流的仰角(度)表2.1噴泉中各噴頭的型號(hào)及參數(shù)表噴頭型號(hào)水壓(KPa)流量(m3/h)4噴高(m)噴灑直徑DN(mm)連接管直徑DN(mm)連接形式內(nèi)螺紋內(nèi)螺紋內(nèi)螺紋內(nèi)螺紋安裝尺寸A(mm)數(shù)量(個(gè))5155②流量計(jì)算噴頭的流量可按下列公式計(jì)算：f—噴嘴的過(guò)水面積g—重力加速度由此可計(jì)算出主管道總流量為：0000+5×1.7×102m3/s+1×3.式(2.27)式2.2.2配水管網(wǎng)的計(jì)算由水力學(xué)公式得知Q=A●V,而將其代入上式，移項(xiàng)得：h?=Zh+Zh式(2.38)2.3噴泉的管道布置、管材及附件選擇2.3.1噴泉的管道布置③為了池水上漲造成溢流應(yīng)設(shè)溢水管，為了便于清洗在水池底部應(yīng)設(shè)泄水管。④連接噴頭的水管不能有急劇的變化，直管的長(zhǎng)度不小于噴頭直徑的20～50⑤噴泉所有管道的接頭應(yīng)嚴(yán)格密封，安裝完按表2.2選擇噴泉主管道為公稱(chēng)通徑為50mm,外徑為60mm的鋼管，管螺紋連接方式(圓柱形管螺紋),其螺紋長(zhǎng)度為24mm,基面處大徑為49.616mm。在噴泉的管道中，除開(kāi)直管、噴頭外，還有管道的連接件，控制件、過(guò)濾器等附件。①連接管件鋼管的連接方式有螺紋連接，焊接和法蘭連接三種。由于在管徑計(jì)算時(shí)所得管徑為50mm,同時(shí)為使安裝方便，故選螺紋連接。表2.2噴泉管道材料選擇表管材類(lèi)別和名稱(chēng)產(chǎn)品特征優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)金屬管水煤氣鋼管鍍鋅鋼管(白鐵(管)管徑單根長(zhǎng)度)容許工作壓力1、堅(jiān)韌：耐力大，抗震佳，彎切易2、薄輕：壁薄，質(zhì)輕，耗料少3、不糙：內(nèi)壁較光滑，水力條件好4、易裝：連接方便(白鐵管的鍍鋅層能保護(hù)管和稅的色味不銹損)1、易生銹：理在土中易腐蝕，其壽命為2、價(jià)昂3、白鋼管比黑鐵管重3～6%,因?yàn)橛绣冧\6~≤10普通管≤16加厚管在噴泉管路中常用的閥門(mén)主要由閘閥，截止閥，逆止閥，電磁閥。其驅(qū)動(dòng)方式一般為手動(dòng)。連接型式有內(nèi)螺紋和法蘭兩種，公稱(chēng)壓力一般在10kg/cm2以下。止回閥又叫單向閥，它是用來(lái)限制水流朝一個(gè)方向流動(dòng)，用于水泵出水管和浮球閥是依靠水位變化而自動(dòng)控制水流的開(kāi)關(guān)。來(lái)保持水位以便自動(dòng)供水。到花型效果。各種控制管件的選擇列于表2.3。表2.3噴泉系統(tǒng)各控制器件選擇表名稱(chēng)參數(shù)球閥電磁閥止回閥手動(dòng)截止閥直通管接頭25C(6個(gè))20C(5個(gè))15C(5個(gè))SLIF系列<下水>專(zhuān)用電磁閥流量孔徑數(shù)量16個(gè)中15mm(5個(gè))φ25mm(6個(gè))中20mm(5個(gè))2個(gè)1個(gè)32個(gè)工作壓力φ50以下中65以上圖片彩色低壓水下燈：水下照明燈一般配置在水面下5～10厘米處。經(jīng)查文獻(xiàn)[7]選擇水下燈具如表2.4。表2.4水下燈具選擇表型號(hào)直徑功率電壓數(shù)量顏色照射高度圖片8只紅/黃/綠/藍(lán)4)利環(huán)保；5)高新尖。2.4水泵及電機(jī)的選擇四叩潛水泵泵體可以完全浸于水中工作，其電動(dòng)機(jī)和水泵的運(yùn)動(dòng)部件都是利用水來(lái)潤(rùn)滑，所以不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的水溫，效率較高，既減少了機(jī)械損失又減少了水頭損失。查JB/T8092-1996標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)選擇潛水泵的型號(hào)列于表2.5。表2.5潛水泵的主要技術(shù)參數(shù)表額定流量額定額定功率額定轉(zhuǎn)速額定電流額定電壓配管內(nèi)徑32.5噴水池的設(shè)計(jì)噴水池由池底、池壁、噴水供水管、吸水管、溢水管、泄水管、補(bǔ)充劑水管等組成。如圖2.3所示：由于噴泉的噴水范圍為直徑2m,為使水滴不落到池外，在該范圍的基礎(chǔ)上，將其周?chē)?50mm的余量空間，于是得噴水池的尺寸為的圓形水池2.5m,池壁高出地面0.4m,水深0.35m。由此可以計(jì)算出水池的最大蓄水量為：式(2.44)其平面俯視圖如下：圖2.4噴水池的尺寸及管道和燈具布置圖1-水下燈2-管道3-池壁3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器電磁閥潛水泵延遲放大光電隔離變頻器燈光噴頭圖3.1控制原理圖方案：控制系統(tǒng)是由單片機(jī)、延遲放大電路、光電隔離電路及電磁閥和變頻器組成，其控制結(jié)構(gòu)形式如圖3.1所示。該控制方案是通過(guò)對(duì)音樂(lè)信號(hào)的處理，將其轉(zhuǎn)換成匯編程序存入單片機(jī)，使單片機(jī)唱歌，而且再改程序之中還加入其他控制語(yǔ)句。由控制原理圖可以看出。單片機(jī)還需噴泉中的電磁閥和變頻器的動(dòng)作及燈光的變化，其中電磁閥對(duì)噴頭控制思想是：預(yù)先是根據(jù)設(shè)計(jì)的花形種類(lèi)和變化方式，通過(guò)對(duì)電磁閥的開(kāi)閉進(jìn)行組合，編制不同的控制字制成表存入單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行程序時(shí)，通過(guò)查表的方式去取不同的花形，以達(dá)到預(yù)想的花形變化，這樣花形的變化就隨音樂(lè)的節(jié)奏而變化。同樣，單片機(jī)對(duì)變頻器的控制也與之類(lèi)似，只不過(guò)控制字的編制是根據(jù)音樂(lè)的頻率進(jìn)行編制的，而且查表的方式也有所不同，這將在后面的內(nèi)容中進(jìn)行闡述；因而變頻器根據(jù)所接受的信號(hào)，輸出不同的頻率值，以控制水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制噴泉管路中的流量，就可以控制水柱的高度和花形大小了。燈光和音響是由同一個(gè)I/0口經(jīng)延遲放大電路后，使它們達(dá)到同步動(dòng)作，而燈光之前須接一個(gè)固態(tài)繼電器，以驅(qū)動(dòng)燈具，并使之與單片機(jī)隔離。96等，考慮到本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，需要將程序預(yù)先寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器，只有選擇具有可擦除功能的程序存儲(chǔ)器w。因此，本次設(shè)計(jì)選擇MCS-51系列的8751芯片作為控制核心。3.3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)口增加了第一曲、第二曲、循環(huán)等選擇功能?？紤]到本系需要硬件和軟件的協(xié)同工作。因?yàn)镻1口可以進(jìn)行位尋址，用P1.7口作為音樂(lè)和燈光輸出口，當(dāng)定時(shí)器TO的計(jì)數(shù)值到后，就對(duì)P1.7口取反，即產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波。由于系統(tǒng)中的電磁閥數(shù)量較多，且每個(gè)電磁閥都需還有變頻器的控制，所以單片機(jī)的輸出口點(diǎn)數(shù)不夠，故需進(jìn)行輸出口的擴(kuò)展，以便電磁閥和變頻器的控制，也方便今后其它控制動(dòng)作改造。此處選擇8155芯片作為擴(kuò)展控制芯片，因?yàn)?155芯片內(nèi)具有256個(gè)字節(jié)的RAM,兩個(gè)8位、一個(gè)6位的可編程1/0口和一個(gè)14位的計(jì)數(shù)器，與MCS-51接口簡(jiǎn)單，并將PA、PB、PC口作為輸出接口l。為了使音響和花形變化同步，系統(tǒng)采用了硬件延時(shí)電路，其電路設(shè)計(jì)將在后面進(jìn)行；為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電與弱電之間隔離，采用了光電隔離電路。系統(tǒng)中還選用了SSR(Solidstatereleys)作為水下燈的驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)之間的隔離，它是一種無(wú)觸輸出受控端，中間采用光電隔離，作為輸入輸出之間電氣隔離(浮空)。在輸入端加上直流或脈沖信號(hào)，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)(無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)),從而控制較大負(fù)載。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)常用的機(jī)械式所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、壽命長(zhǎng)、對(duì)外界干容、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。因而具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域，有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器之勢(shì)，并且可以進(jìn)一步無(wú)法應(yīng)用的計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域[。根據(jù)以上敘述，現(xiàn)將方案一轉(zhuǎn)換成硬件電路接口圖，即成為本設(shè)計(jì)的音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)原理圖，應(yīng)用電子CAD繪出其圖形見(jiàn)附錄A所3.3.28155的初始化將8155的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線(xiàn)AD?~AD?與8751單片機(jī)的PO口相連，作為數(shù)據(jù)信號(hào)(IO/M)與P2.0相連作為地址選通信號(hào)，低電平有效，即選擇I/0口作為本，其他引腳連接如硬件原理圖附錄A所示。于是根據(jù)下面兩個(gè)表可以寫(xiě)出8155的RAM和各端口地址及命令字。即：PC口：0103H8155的初始化程序如下：CLRP2.1;8155復(fù)位命令口：0100H;8155I0/M=1選擇使用在輸出輸入口;命令/狀態(tài)寄存器地址100H(指向命令口)MOVA,#OFH:設(shè)定命令/狀態(tài)寄存器PA,PB,PC為輸出命令口0000000000000000000000000000111100000000000000000000000000110101十六進(jìn)制數(shù)表3.28155命令字表命令字00001111①變頻器工作控制的原理根據(jù)設(shè)計(jì)要求，浪花與音樂(lè)要保持同步，在此提出了以下3點(diǎn)問(wèn)題：1)怎樣實(shí)現(xiàn)噴泉與音樂(lè)的同步；2)變頻器能否瞬時(shí)響應(yīng)；3)整套設(shè)備的調(diào)試和絕緣安全性。為此根據(jù)要求對(duì)同步控制的可行性進(jìn)行分析如下：利用音樂(lè)的音頻信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行控制，音樂(lè)的音頻信號(hào)本身是一個(gè)功率很小的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)整流濾波穩(wěn)壓可以輸出一個(gè)相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)，相對(duì)來(lái)講該信號(hào)很微弱，再經(jīng)過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行功率放大，可以輸出0-5V的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)，即可以實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)對(duì)變頻器的控制，即對(duì)水泵浪花的控制，從而實(shí)現(xiàn)音樂(lè)對(duì)噴泉浪花的控制。為了達(dá)到這一控制原理，下面對(duì)通用性的變頻器的工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹：1—整流部分2—濾波部分3—逆變部分4—控制部分5—負(fù)載圖3.2通用變頻器基本電路通用變頻器的基本電路如圖3.2所示，它由4個(gè)主要部分組成，分別是：1—整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷海?—濾波部分，把脈動(dòng)較大的交流電進(jìn)行濾波變成比較平滑的直流電；3—逆變部分，把直流電又轉(zhuǎn)換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開(kāi)關(guān)元件按照控制電路的驅(qū)動(dòng)、輸出脈沖寬度被調(diào)制的PWM波，或者正弦脈寬調(diào)制SPWM波，當(dāng)這種波形的電壓加到負(fù)載上時(shí)，由于負(fù)載電感作用，使電流連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形；4—控制電路是用來(lái)產(chǎn)生輸出逆變橋所需要的各驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、外部通斷控制以及變頻器內(nèi)部各種各樣的保護(hù)和反饋信號(hào)的綜合控制等。通用變頻器對(duì)負(fù)載的輸出波形都是雙極性SPWM波，這種波形可以大幅度提高變頻器的效率，但同時(shí)這種波形使變頻器的輸出區(qū)別于正常正弦波，產(chǎn)生了變頻器很多特殊之處。雙極性SPWM波如圖3.3所示，其中圖3.3(a)是三角形的載波與正弦形信號(hào)進(jìn)行比較的情形，圖3.3(b)是比較后獲的SPWM波形。a因此，為了控制噴泉管道中的流量，使花形變化柔性化，即使花形的高度和大小能夠很好地跟隨音樂(lè)節(jié)奏的變化，這樣選擇變頻器就可以控制潛水泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)潛水泵的轉(zhuǎn)速的改變就直接改變了管道中的流量。由于變頻器有數(shù)字輸入和模擬輸入的信號(hào)類(lèi)型。因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出的是數(shù)字信號(hào)，若要選擇模擬輸入信號(hào)的變頻器，就必須進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，本身變頻器的價(jià)格就比較昂貴了，在加入一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，無(wú)疑是增加產(chǎn)品和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)成本。故直接選擇具有數(shù)字輸入的變頻器，但是一般的變頻器不能直接與單片機(jī)相連，需要進(jìn)行強(qiáng)弱電的隔離處理。為了不單獨(dú)選擇或設(shè)計(jì)隔離電路，經(jīng)查閱大量資料，有帶隔離數(shù)字輸入的變頻器，因此可直接選用這種變頻器，目的可使硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少各硬件電路之間的干擾和時(shí)間延遲，以保證音樂(lè)放音和花形及流量的同步控制動(dòng)作。根據(jù)變頻器的選用原則：變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的功率和電流。由于變頻的過(guò)載能力沒(méi)有電機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)有過(guò)載，損壞的首先是變頻器(如果變頻器的保護(hù)功能不完善的話(huà));又如果設(shè)備上已選用的電機(jī)功率大于實(shí)際機(jī)械負(fù)載功率，但是有可能用戶(hù)會(huì)將把機(jī)械功率調(diào)節(jié)到達(dá)到電機(jī)輸出功率，此時(shí)，變頻器一定要可以勝任，也就是說(shuō)變頻器的功率選用一定要等于或大于電機(jī)功率。個(gè)別電機(jī)額定電流值較特殊，不在常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格附近，又有的電機(jī)額定電壓低，額定電流偏大，此時(shí)要求變頻器的額定電流必須等于或大于電機(jī)額定電流u]。因此變頻器的選擇主要是對(duì)變頻器容量的選擇，而變頻器的容量又由很多因素決定，如電動(dòng)機(jī)容量、電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間(即反應(yīng)時(shí)間)等，其中，最主要的是電動(dòng)機(jī)的額定電流。由于變頻器只驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，而對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須滿(mǎn)足下列3項(xiàng)計(jì)滿(mǎn)足負(fù)載要求輸出：P≥√3×103KU;IA式(3.1)式(3.2)式(3.3)式中：Pcy是變頻器的容量、Px負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率、UK是電流波形補(bǔ)償系數(shù)，由于變頻器的輸出波形不是完全的正弦，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加。對(duì)于PWM控制方式的變頻器，K的取值為根據(jù)以上條件可選擇成都中南實(shí)業(yè)有限公司提供的西門(mén)子全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器，變頻器型號(hào)為MICROMASTE440通用型的變頻器。其相關(guān)參數(shù)如表3.3,接線(xiàn)端子如圖3.4所示。對(duì)于表3.3中加、減速時(shí)間，本設(shè)計(jì)中設(shè)定設(shè)定為0.1s,這樣設(shè)定的目的是為了提高變頻器的反應(yīng)時(shí)間，使之與音樂(lè)的各個(gè)音符之間的最小間隔時(shí)間相匹配；如果該時(shí)間設(shè)定值過(guò)大，當(dāng)音符由上一個(gè)變化至下一個(gè)音符時(shí)，變頻器的反應(yīng)就不迅速了，這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電路原理圖中的延遲電路是加在音響和燈光之前的，而沒(méi)有在變頻器之前加延遲電路，故不能直接對(duì)變頻器進(jìn)行延時(shí)處理，所以，變表3.3相關(guān)變頻器參數(shù)變頻器型號(hào)MICROMASTE440變頻器輸出最大適用電機(jī)功率(KW)額定容量(KVA)額定電流(A)輸入信號(hào)數(shù)字設(shè)定接收三位數(shù)字信號(hào)輸出信號(hào)報(bào)警輸出加減速時(shí)間0.1～9999秒(加、減速時(shí)間獨(dú)立設(shè)定圖3.4變頻器接線(xiàn)端子根據(jù)前面控制功能分析可知變頻器要實(shí)現(xiàn)八種電機(jī)速度，由于最高轉(zhuǎn)速時(shí)為2860r/min,而在噴泉的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就以最高速設(shè)計(jì)的。那么最高速時(shí)電機(jī)接受正常的供電頻率為50Hz;最低轉(zhuǎn)速時(shí)為357.5r/min,那么變頻器輸出頻率就為6.25Hz;由于考慮到制動(dòng)的原因，制動(dòng)前應(yīng)把速度減到較低的速度，可設(shè)置這個(gè)頻率為6.25Hz。變頻器通過(guò)外部給定方式，外部數(shù)字量給定，由外部端子輸入，因此電機(jī)轉(zhuǎn)低組成的速度控制字進(jìn)行設(shè)定。設(shè)PC口輸出的控制信號(hào)中，0代表變頻器輸入口處于通電狀態(tài)，1代表變頻器輸入口處于斷電狀態(tài)。速度設(shè)定單元為變頻器的A11、A12、A3、A14、A15、A16、A17、A18八個(gè)單元，其設(shè)定值(頻率)見(jiàn)表表3.4變頻器速度設(shè)定表速度控制字智能端子電平高低速度設(shè)定單元速度設(shè)定值/Hz端子端子端子0000010100lll)0101111113.3.4硬件延遲電路延遲時(shí)間的計(jì)算的目的是保證音樂(lè)放音時(shí)與噴頭噴水時(shí)到達(dá)同步動(dòng)作，但并不能完全同步，只能盡量減小視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上的差異。于是，延遲時(shí)間的計(jì)算是非而且會(huì)產(chǎn)生沖擊，不管是電磁閥的啟動(dòng)還是關(guān)閉時(shí)，由于管中有水，當(dāng)水泵啟動(dòng)變。故理論上到達(dá)的時(shí)間與實(shí)際到達(dá)的時(shí)間有一定的滯后，且滯后的時(shí)間就是產(chǎn)從前面的設(shè)計(jì)過(guò)程可知，產(chǎn)生時(shí)間延遲的部分包括：變頻器(tp)和水泵的反應(yīng)時(shí)間(t),電磁閥的開(kāi)閉=0.1+0.1+0.1+0.057式(3.4)硬件延遲電路圖3.5(a)中的延遲電路為一般的延遲電路，其中電路的負(fù)載為繼電器或電磁鐵的線(xiàn)圈，也可以是信號(hào)燈等顯示和報(bào)警器件。但接通電源開(kāi)關(guān)時(shí)運(yùn)算放大器的反相輸入端(-)加分壓值Ur,而同相輸入端(+)由于電容C?尚未充電，故其電壓為負(fù)值。該電路的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3.5。對(duì)于像圖(a)中一般的延遲電路，通常要借助電解電容器或高阻抗電路，而且這類(lèi)延時(shí)電路的穩(wěn)定性于是給出了圖3.5(b)所示的數(shù)字式長(zhǎng)延時(shí)電路，它完全摒棄了電解電容和高阻抗電路，延時(shí)精度高。電路的核心是集成塊MC14521B,這是一個(gè)24級(jí)分頻電路，內(nèi)含可構(gòu)成振蕩電路的倒相器。如果將觸發(fā)輸入端接地或不加信號(hào)，則電路進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)，延時(shí)時(shí)間由范圍開(kāi)關(guān)X和100KQ電位器來(lái)調(diào)整。若X與點(diǎn)A相接，延時(shí)為1分40秒至18分30秒，而X與B相接，延時(shí)為13分20秒至2小時(shí)28分。當(dāng)X與C相接時(shí)，延時(shí)為1小時(shí)47分至20小時(shí)。具體延時(shí)時(shí)間由100KQ電位器調(diào)定，若要進(jìn)行較短或更長(zhǎng)的延時(shí)，則可用較小的或較大電容代替39nF電容。這時(shí)延時(shí)小到0.01s或長(zhǎng)達(dá)一周以上的時(shí)間。在觸發(fā)輸出端加正信號(hào)，則452IB內(nèi)的分頻器6～15V的穩(wěn)壓電源供電。在此選擇數(shù)字延時(shí)電路，由總的延遲時(shí)間的計(jì)算知，該電路的延遲時(shí)間為0.357s,所以應(yīng)將39nF的電容換成13nF。表3.5一般延遲電路的技術(shù)參數(shù)工作電壓延遲時(shí)間重復(fù)動(dòng)作時(shí)間開(kāi)關(guān)功率tv約260slw約12s①樂(lè)曲播放：將存入單片機(jī)的音樂(lè)控制碼，經(jīng)軟件處理后，輸出至外圍的延遲放大電路后，再送至音響播放樂(lè)曲。由于燈光和音響水并聯(lián)的，所以，此時(shí)燈鍵)、S?(第一曲按鍵)、S;(第二曲按鍵)、Ss(循環(huán)按鍵)。從硬件電路原理圖當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入自檢狀態(tài)，等待按鍵命令；若為正常按鍵(一個(gè)瞬時(shí)只有一個(gè)按鍵),則進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。除此為非正常按鍵，則發(fā)出警報(bào)。3.4.1系統(tǒng)資源分配表3.9音樂(lè)噴泉控制軟件片內(nèi)RAM及標(biāo)志分配表初始化值數(shù)據(jù)緩存操作區(qū)用于簡(jiǎn)譜碼值存儲(chǔ)區(qū)堆棧區(qū)07H(復(fù)位時(shí)的值)中斷狀態(tài)保護(hù)(恢復(fù))03.4.2音樂(lè)控制碼的編制好(哎)一朵茉55p蘭花草若蘭花草蘭入暖房3若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期(1/頻率),再將此周期除以T=1/523=1912μs,因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956μs/1μs=956,每計(jì)數(shù)956次時(shí)將P1.7反相，就可得到中音DO(523Hz)ttw。表3.6C調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值T的對(duì)照表音符頻率(Hz)簡(jiǎn)譜碼(T值)音符頻率(Hz)簡(jiǎn)譜碼(T值)中5S0中6LA低3Mi中7SI高1D0高2RE高3M低7SI高4FA中1D0高5S0中2RE高6LA中3M中4FA高7SItpDD每個(gè)音符使用一個(gè)字節(jié)，字節(jié)的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的節(jié)拍，表3.7為節(jié)拍與節(jié)拍碼的對(duì)照。如果1拍為0.4秒，1/4拍是0.1秒，只要設(shè)定延遲時(shí)間就可求得節(jié)拍的時(shí)間。假設(shè)1拍DELAY,則1拍應(yīng)為4DELAY,3.8為1/4和1/8節(jié)拍的時(shí)間設(shè)定。表3.7位節(jié)拍與節(jié)拍碼的對(duì)照節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)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3.8各調(diào)1/4節(jié)拍的時(shí)間設(shè)定各調(diào)1/8節(jié)拍的時(shí)間設(shè)定曲調(diào)值曲調(diào)值調(diào)4/4125毫秒62毫秒調(diào)3/4187毫秒94毫秒調(diào)2/4250毫秒125毫秒先根據(jù)樂(lè)譜的音符按表3.6建立T值表的順序如表3.9所示，把T值表建立在TABLE1,構(gòu)成發(fā)音符的計(jì)數(shù)值放在TABLE中；簡(jiǎn)譜碼(音符)為高4位，節(jié)拍(節(jié)拍數(shù))為低4位，音符節(jié)拍碼放在程序的“TABLE”處。①主程序：初始化與按鍵監(jiān)控(即進(jìn)行自檢，是否有相應(yīng)的按鍵操作，以便②取花形：獲取花形控制字，輸出到PA、PB口，控制電磁閥的動(dòng)作。其中花形的變化采用循環(huán)程序，每5s左右變化一次。由于每個(gè)音符之間的間隔時(shí)間為(即為一個(gè)節(jié)拍時(shí)間)0.4s,因此，大約每13個(gè)音符就改變一次花形，于是可以計(jì)數(shù)音符數(shù)，當(dāng)計(jì)滿(mǎn)13時(shí)，就調(diào)用花形子程序。其花形控制字是通過(guò)改變表3.9簡(jiǎn)譜對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜碼、T值、節(jié)拍數(shù)簡(jiǎn)譜發(fā)音簡(jiǎn)譜碼T值節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)5111/4拍6222/4拍7低音TI333/4拍1中音DO441拍2中音RE551又1/4拍3中音MI661又1/2拍4中音FA782拍5中音SO8A2又1/2拍6中音LA9C3拍7中音TIAF3又3/4拍1高音DOR2高音REC3高音MID4高音FAE5高音SOF不發(fā)音0初始化調(diào)花形子程序取簡(jiǎn)譜碼指針查表取常數(shù)NYYYYYNNYTRO清零0,指針+1NY圖3.6主程序流程圖T0T0中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)至速度表取速度控制字計(jì)數(shù)值恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回3.4.4系統(tǒng)控制程序************T0、8155、P1口初始化************口;移開(kāi)堆棧指針SP;8155IO/M=1選擇使用在輸入輸出;命令/狀態(tài)寄存器地址*****************掃鍵程序*****************·5CH,#00H5CH,#0OH:PI口初始化(低四位為輸入、高四位輸出口):P1.0口為0放第一曲:P1.1口為0放第二曲;P1.2口為0執(zhí)行循環(huán);P1.2口為1順序執(zhí)行一次結(jié)束;放第一首歌曲;取第一首歌的簡(jiǎn)譜指針;將P1.0口的值暫存于20H單元;恢復(fù)P1.0的初值;執(zhí)行循環(huán);取第二首歌的簡(jiǎn)譜指針;將P1.1口的值暫存于20H單元;恢復(fù)P1.1的初值;執(zhí)行循環(huán)·A*;是否取到00(結(jié)束碼)?本文設(shè)計(jì)的音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)是酒店門(mén)口用的小型音樂(lè)噴泉，具有造型優(yōu)美、營(yíng)業(yè)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的原則，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用流體力學(xué)理論設(shè)計(jì)了噴泉的管路系統(tǒng)；運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了樂(lè)曲播放和流量及花形控制；運(yùn)用Protel軟件設(shè)計(jì)出了控制系統(tǒng)的控制電路；運(yùn)用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)了噴泉管道的三維造型和各控制附件的裝配造型圖，不