音樂噴泉系統(tǒng)控制器設(shè)計

噴泉在城市和社區(qū)環(huán)境建設(shè)中起著及其重要的作用。噴泉工程和高新技術(shù)的結(jié)合也使得噴泉的形式更加多樣化，實現(xiàn)效果更加多彩迷人。其中，音樂噴泉系統(tǒng)以聲、光、水、色、形俱美，實現(xiàn)了獨特的藝術(shù)效果，已經(jīng)成為城市景觀建設(shè)和表演劇場的重要組成部分，婀娜多姿、賞心悅目，可激起人們的沉思、詠嘆、驚喜、雀躍的情緒，并從中獲得水美的藝術(shù)享受。目前，很多廣場或公園，以及戶外演出中也采用音樂噴泉景觀設(shè)計，各類花樣的噴泉、彩色的燈光和優(yōu)美的音樂形成一幅怡人的夜景，從而吸引著人們的目光，尤其在炎熱的夏季，令人流連忘返。

園林中的噴泉，一般是為了滿足造景的需要而進行人工建造的具有裝飾性的噴水裝置。此類噴泉可以濕潤周圍空氣、減少塵埃、降低氣溫。噴泉的細小水珠與空氣分子撞擊，能產(chǎn)生大量的負氧離子。因此，噴泉有益于改善城市面貌和增進居民身心健康。目前，城市化的發(fā)展及景觀建設(shè)的需要，使得音樂噴泉系統(tǒng)日漸被推廣應(yīng)用。

一、音樂噴泉系統(tǒng)的原理和組成

噴泉是一種將水或其他液體在一定壓力下通過噴頭噴灑出來具有特定形狀的組合體。提供水壓的一般為水泵?？傮w來說，噴泉景觀可以分為兩大類：一是因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場地形結(jié)構(gòu)，仿照天然水景制作而成，如壁泉、涌泉、霧泉、管流、溪流、瀑布、水簾、跌水、水濤、漩渦等；二是完全依靠噴泉設(shè)備人工造景，這類水景近年來在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，發(fā)展迅速、種類繁多，有音樂噴泉、程控噴泉、擺動噴泉、跑動噴泉、光亮噴泉、游樂噴泉、超高噴泉、舞臺水簾幕、激光水幕電影等。

1.1普通的音樂噴泉

普通的音樂噴泉系統(tǒng)主要由音頻控制系統(tǒng)、水路控制系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。音頻控制系統(tǒng)包括播放器、放大器、功率放大器、揚聲器、音柱等；水路控制系統(tǒng)主要由噴泉控制器、變頻器、水泵、多功能調(diào)節(jié)閥、噴頭和供水管網(wǎng)組成；燈光控制系統(tǒng)包括各種燈具、燈具控制軟件系統(tǒng)、燈光控制回路系統(tǒng)等；電氣控制系統(tǒng)包括弱電控制回路、強電系統(tǒng)、水泵、噴嘴等硬件。

控制回路包括觸發(fā)開關(guān)、集成控制芯片、音樂輸出回路、水泵驅(qū)動回路和燈光顯示回路。觸發(fā)開頭連接在集成控制芯片的觸發(fā)輸入端，音樂輸出回路、水泵驅(qū)動回路和燈光顯示回路分別連接在集成控制芯片的各對應(yīng)輸出端。通過觸發(fā)開關(guān)觸發(fā)集成控制芯片工作，使集成控制芯片輸出音頻信號至音樂輸出回路播放音樂，同時，分別輸出一個穩(wěn)定脈沖和一個根據(jù)音樂旋律和節(jié)奏而同步變化的脈沖至電機放大電路，得到疊加的變化電流，通過此電流來控制水泵電機，從而驅(qū)動水泵隨著音樂的變化而改變抽水高度。將音樂的節(jié)奏和強度轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?，此信號再控制一個電壓控制器件，電源經(jīng)過該電壓控制器件后，輸出電壓也隨音樂的變化而改變，進而控制水泵電機。改變頻率就改變了電機的轉(zhuǎn)速，也就改變了水泵的壓力。音樂的不同頻率經(jīng)集成控制芯片處理送到變頻電機的控制端，使得電機轉(zhuǎn)速隨著音樂的音調(diào)、節(jié)奏和強弱有所變化，水泵的壓力隨之變化，噴岀的水柱就有了高低變化，在同一時間由幾套設(shè)備對多組噴嘴實施控制。

音樂噴泉控制系統(tǒng)是集聲、光、電于一體的復(fù)雜的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷推廣，水泵專用變頻器已被廣泛用于水泵控制，音樂噴泉系統(tǒng)中需要采用大量的水泵來控制噴泉循環(huán)水，根據(jù)水泵工作特性知道泵的流量與泵轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速可直接控制水泵的流量。音樂噴泉系統(tǒng)需要實現(xiàn)噴泉水量實時調(diào)節(jié)，因此，變頻調(diào)速技術(shù)更適合在音樂噴泉系統(tǒng)中使用。此外，根據(jù)水泵特性知道，采用變頻調(diào)速技術(shù)具有一定的節(jié)能效果，這也是變頻器在音樂噴泉控制系統(tǒng)中得以推廣應(yīng)用的原因。隨著音樂噴泉應(yīng)用不斷推廣，各種噴泉專用控制器也不斷完善。噴泉控制器或跑泉控制器具有多功能開關(guān)量輸出、標準模擬量輸出及內(nèi)置通信接口電路，可通過RS-485或總線方式與上位機進行通信，其輸出的標準電流或電壓信號可作為變頻器調(diào)速給定信號，結(jié)合音樂噴泉專用變頻器的特有功能可實現(xiàn)復(fù)雜的控制。

1.2泄水型音樂噴泉

當(dāng)音樂信號比較低時，在潛水泵正常運轉(zhuǎn)的情況下，電路輸出控制信號通過固態(tài)繼電器打開泄水閥，減小管道壓力，從而降低噴水高度；而音樂信號比較強時，泄水閥被關(guān)閉，管道保持正常的壓力，水噴得比較高。這樣，電磁閥在音樂信號控制下時開時閉、管道壓力不停變化，水花上下跳躍，形成泄水型音樂噴泉。

1.3給水型音樂噴泉

當(dāng)音樂信號達到一定幅度時，電路輸出控制信號通過固態(tài)繼電器啟動潛水泵噴水，信號低于一定幅度電路無輸出，潛水泵斷電停止噴水，這樣，潛水泵在音樂信號的控制下時噴時斷、水花上下跳躍，形成給水型音樂噴泉。

二、音樂噴泉系統(tǒng)的控制原理

控制系統(tǒng)的原理是通過集成控制芯片中的匯編程序?qū)?jīng)A/D轉(zhuǎn)換的音頻信號進行采樣和處理，分級控制單相電動機，最終達到控制噴頭流量的方法。采用程序控制或人工按鍵控制電磁閥來控制花型。音頻信號還用于控制燈光色彩和光線明暗的變化，從而使燈光效果和噴泉水姿隨音樂節(jié)奏而變化。音樂噴泉是由電腦控制聲、光及噴孔組合而產(chǎn)生不同形狀、不同色彩、配合音樂節(jié)奏而構(gòu)成的綜合水景。水的形態(tài)會隨著聲音的抑揚頓挫而變化，加上燈光的照射，可以形成舞姿優(yōu)美、色彩斑斕的多樣噴泉。音頻控制系統(tǒng)大多系統(tǒng)采用多媒體PC通過上位機程序播放音樂。

在噴泉系統(tǒng)的控制方面，噴泉水泵目前已采用變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)水泵無級調(diào)速，能根據(jù)音頻信號的強弱隨時調(diào)節(jié)水泵速度，多功能閥及萬向噴頭由噴泉專用控制器控制，可根據(jù)設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)各種圖案和形狀。

音樂噴泉控制系統(tǒng)是集音頻控制技術(shù)、程序控制技術(shù)于一體的控制系統(tǒng)，屬于一種工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，其上位機大多采用多媒體工業(yè)PC機組成，可實現(xiàn)全程實時音控，能根據(jù)樂曲旋律、節(jié)奏和音頻的強弱程度控制噴泉系統(tǒng)，其電氣控制系統(tǒng)主要有以下三種形式：

（1）集中式控制：集中式控制系統(tǒng)采用放射型結(jié)構(gòu)，能滿足控制室離水池較近，規(guī)模較小，花型變化較少的音樂噴泉。

（2）現(xiàn)場總線式控制：現(xiàn)場總線是一種串行數(shù)據(jù)通信鏈路，實現(xiàn)噴泉現(xiàn)場基本控制設(shè)備與上級控制設(shè)備之間的聯(lián)系?，F(xiàn)場總線式的優(yōu)點有：一條傳輸線可控制多臺設(shè)備，控制系統(tǒng)簡單，安裝和維護容易；采用數(shù)字通信技術(shù)，抗干擾性強，精度高；控制功能分散到噴泉現(xiàn)場，提高了電控系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

（3）網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線式控制：網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場總線相似，性能優(yōu)于后者，網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線屬于分布式控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)運行速度更快，達到音樂噴泉實時控制的要求，穩(wěn)定性也更好；網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)種類很多，能同時支持總線型和放射型，可采用混合結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線主要差別是前者采用專用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上各個設(shè)備之間的相互操作。音樂噴泉燈光控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，在此不再詳細敘述。

三、音樂噴泉系統(tǒng)抗干擾措施

音樂噴泉系統(tǒng)集音樂、燈光、噴泉于一體，其電氣控制系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)以下音頻信號干擾問題：

（1）從變頻器工作原理可知，當(dāng)變頻器運行時，其輸入輸出側(cè)會產(chǎn)生豐富的諧波，此諧波信號通過傳導(dǎo)、輻射、耦合等方式對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。在設(shè)計時采用正確的布線和屏蔽線來消除感應(yīng)方式的干擾傳播。在變頻器和變壓器之間串入交流電抗器，對高頻諧波電流進行抑制。通過接入無線電干擾抑制濾波器，抑制通過輻射傳播的干擾。

（2）音樂噴泉系統(tǒng)中諧波干擾信號經(jīng)過音頻放大系統(tǒng)放大后，形成刺耳的噪音，并影響音樂的播放。為避免這種情況的發(fā)生，可采取以下措施：降低變頻器載波頻率；變頻器可靠接地，接地線采用線徑較粗的線，且接地點與變頻器距離要盡量短；變頻器輸入、輸出動力線盡量遠離音頻信號線和控制線，不要將動力線與控制線置于同一線槽中；音頻信號放大系統(tǒng)的電源盡可能與變頻器供電電源隔離等。

（3）諧波干擾信號會干擾變頻器的正常工作，噴泉水泵需隨音頻信號的強弱隨時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，這就要求變頻器響應(yīng)速度快，在設(shè)計時要對變頻器選型及調(diào)節(jié)參數(shù)深入了解。一般情況下，一臺音樂噴泉變頻器要求控制多臺水泵，在選用時首先應(yīng)保證變頻器的功能大于水泵功能總和，并至少預(yù)留10%的裕量，在變頻器參數(shù)設(shè)定方面，變頻器的加減速時間盡量短。但加減時間過短容易出現(xiàn)過電流保護，在使用時應(yīng)特別注意。目前大多變頻器具有故障自恢復(fù)功能，在調(diào)試可將此功能打開，以避免誤信號引起變頻器報警停機。

四、基于單片機的室內(nèi)音樂噴泉設(shè)計

目前在公共場所噴泉一般只是將音樂和噴泉高低簡單配合，無法真正體現(xiàn)音樂的旋律、節(jié)奏；或者是采用了高成本復(fù)雜的控制系統(tǒng)，搭建復(fù)雜的外圍電路實現(xiàn)功能；并且多數(shù)只能在現(xiàn)場觀賞，不能進入家庭。本文介紹基于AT89S52單片機控制的小型室內(nèi)移動式音樂噴泉。它使用了較少的外圍器件和較為簡單的電路設(shè)計，成本低、體積小、水型變換多樣，實用性強，適合室內(nèi)觀賞。

本系統(tǒng)采集音樂信號，根據(jù)音樂信號的強弱來控制水泵電機的轉(zhuǎn)速以及LED彩燈的亮滅。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由音樂輸入部分、音響放大部分、單片機控制部分和1輸出控制部分組成。AT89S52單片機作為系統(tǒng)的主芯片，一方面采集音樂信號，另一方面依據(jù)采集到的音樂信號的強弱輸出延時不等的矩形波來控制可控硅的導(dǎo)通時間，進而控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而達到控制噴水高度的目的。彩燈的亮滅也由單片機依據(jù)音樂采樣值的大小來控制。

五、室內(nèi)音樂噴泉系統(tǒng)硬件設(shè)計

音樂噴泉硬件系統(tǒng)由單片機電路、音頻電路、步進電機控制電路、彩燈控制電路、電源電路等組成。

5.1單片機電路

單片機要采集音樂信號，并據(jù)此調(diào)節(jié)I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89S52單片機。采用Atmel公司的擅長處理多開關(guān)量的標準單片機AT89S52作為控制器。AT89S52是一個低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS8位單片機，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦些1000次的Flash只讀存儲器，具有256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個I/O口，1個看門狗定時器，3個16位可編程定時器，具有ISP功能，能夠滿足設(shè)計要求。使用簡單且價格非常低廉。故系統(tǒng)的主控制器采用此方案。

5.2音樂信號的采樣

（1）音頻功放：音頻電路由音響放大器和音樂預(yù)處理電路兩部分組成。音響放大電路將音樂外放，包括兩級放大和一級功放。音樂預(yù)處理電路是將音頻信號經(jīng)由放大濾波輸入到單片機供片內(nèi)AD采集。整個系統(tǒng)采用單電源5V供電，選用可以使用單電源供電的運算放大器LM324。功放由4V～12V供電，功率由可達1.25W的LM386完成，可以推動喇叭達到揚聲器的作用。信號經(jīng)音頻電路初步處理后送入單片機內(nèi)部AD，由定時器控制以8k采樣率采集音樂信號。

（2）音樂控制：音樂信號是一個相當(dāng)復(fù)雜的量，實踐證明，采用國際標準音量計量單位VU信號對噴泉進行音樂控制，能取得較為理想的效果。將音樂信號經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為VU(volumeunit音量單位)信號(隨音樂變化)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號進入單片機處理，輸出控制信號控制噴泉。圖1中音樂分頻段處理主要是為了拾取音樂更多的信息量，提高控制效果并能實現(xiàn)對噴泉按各種噴型組合進行控制。本控制設(shè)備可進行的分頻段最多不超過6段。最簡單的可將音樂三分頻(高、中、低頻)，各頻段分別控制某幾組噴型的開、關(guān)及組合，如中頻段一般用于控制“雪松”、“禮花”等水花型，中高頻段一般用于控制“旋轉(zhuǎn)”、“擺動”、“直射”等。

（3）AD轉(zhuǎn)換電路：輸入的電壓為交流模擬量，不能直接送入單片機進行處理。因此首先采用全橋整流，濾波。使其成為直流信號，再采用了ADC電路。其中AD芯片為ADC0832。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。串行通信節(jié)約單片機I/O資源。AT89S52與ADC0832采用SPI串行接口方式，將ADC0832的CS和CLK分別接單片機的P0.0和P0.1引腳，將D1和D0分別接P0.2和P0.3引腳。對CH0通道的模擬信號實行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給數(shù)組mo_shu。

5.3步進電機控制

文中所控制的步進電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進電動機。本文所設(shè)計的步進電機控制驅(qū)動器由AT89C52單片機、光電耦和器、集成芯片L297和L298組成。L297是步進電動機控制器(包括環(huán)形分配器)，L298是高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器雙H橋式驅(qū)動器。其設(shè)計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機。具有兩抑制輸人來使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的，相應(yīng)外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個引出腳的高功率直插式封裝的集成芯片。AT89S52通過串口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換之后與微機相連，接受上位機指令，向L297發(fā)出時鐘信號、正反轉(zhuǎn)信號、復(fù)位信號及使能控制等信號。由于L297內(nèi)部帶有斬波恒流電路，繞組相電流峰值由Uref確定。當(dāng)采用兩片L297通過L298分別驅(qū)動步進電機的兩繞組，且通過兩個D/A轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的Uref時，即組成了步進電機細分驅(qū)動電路。另外，為了有效地抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，在單片機與步進電動機驅(qū)動回路中利用兩個16引腳光電耦合器件TLP521—4組成隔離電路。其作用是切斷單片機與步進電動機驅(qū)動回路之間電的直接聯(lián)系，實現(xiàn)了單片機與驅(qū)動回路系統(tǒng)地線的分別聯(lián)接，防止處于大電流感性負載下工作的驅(qū)動電路產(chǎn)生的干擾信號以及電網(wǎng)負載突變產(chǎn)生的干擾信號通過線路串入單片機，影響單片機的正常工作。

5.4彩燈控制電路

彩燈是為了渲染色彩增強節(jié)奏感而設(shè)計的。使用高亮LED圍繞在噴頭的周圍，有紅綠黃三種顏色，設(shè)計成上下環(huán)繞的三層構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu)，每層六個燈，顏色搭配得當(dāng)。每圈的燈并聯(lián)占用一個I/O口，用三極管8050放大提供足夠的電流驅(qū)動，依據(jù)音樂采樣值大小決定點亮的燈的圈數(shù)。

六、音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件上本系統(tǒng)使用了AD、比較器、定時器、中斷等資源，故軟件編程就包含這幾個方面的設(shè)置和使用。定時器T0控制AD的采樣速率。定時器T1在比較器的下降沿中斷中被啟動，延時一段時間，找到100Hz脈動直流每個周期的起點。定時器T2在定時器T1的中斷中被啟動，依據(jù)不同的AD采樣值延時不等的時間，在T2的中斷程序中輸出矩形波啟動水泵驅(qū)動電路。

設(shè)計的音樂噴泉LED彩燈經(jīng)過熱縮管的絕緣處理后用導(dǎo)線纏繞在塑料軟管上，然后再固定在盆內(nèi)。圍繞塑料軟管開幾個小孔，再安裝塑料插頭作為噴水裝置?？梢杂秒娔X或者MP3作為音源，噴泉高低和彩燈隨著音樂的啟停節(jié)奏發(fā)生變化。系統(tǒng)的主要控制電路被安裝在盒子里放置于旁邊，注意絕緣，安全用電。

設(shè)計的噴泉控制系統(tǒng)基于AT89S52單片機，采用了音頻放大，可控硅控制等簡潔的外圍電路，經(jīng)過焊接、組裝、調(diào)試后，可以很好實現(xiàn)控制功能，具有很強的實用性，尤其是具有體積小、易移動、適合家庭和室內(nèi)使用的特點。本方案也可以在功能上加以擴展，如加上對樂曲的頻域分析，結(jié)合頻域特點控制水泵；還可以制作霧化器來渲染效果等。

總結(jié)

隨著噴泉系統(tǒng)的不斷推廣，噴泉控制技術(shù)也在不斷完善和提高，已從早期的簡單噴泉控制發(fā)展到目前的集音控技術(shù)、程控技術(shù)及上位機控制技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場控制，其中的變頻調(diào)速技術(shù)在噴泉系統(tǒng)應(yīng)用也逐步成熟，并成為其水泵調(diào)速的主要方式。實踐證明，噴泉系統(tǒng)采用變頻器控制后，一方面提高了系統(tǒng)控制靈活性，另一方面，水泵采用變頻調(diào)速起到節(jié)能效果。因此，音樂噴泉變頻調(diào)速技術(shù)值得進一步推廣和應(yīng)用。

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