设计基于单片机的音乐喷泉控制系统设计.doc

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 Altium

designer 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

Music Fountain Control System Design Based On SCM

making music play to keep pace with water injection. In order to make others to understand

the principle of music fountain easily, the paper also introduces components’ parameter and

working principle briefly. In the end, the principle diagram of the hardware is drawn by

taking advantage of the Altium designer software.

Keywords: Music Fountain, Control System, SCM, Frequency Transformer, Solenoid

valve

目 录

1 前言...................................................................................................................................1

1.1 课题研究背景和意义....................................................................................................1

1.2 音乐喷泉的发展状况....................................................................................................1

3 硬件电路设计及元器件介绍...........................................................................................7

3.1 控制系统方案设计........................................................................................................7

3.2 单片机原理与应用........................................................................................................8

3.3 控制系统硬件设计......................................................................................................10

3.3.1 喷泉控制系统组成...................................................................................................10

3.3.2 接口芯片与单片机连接...........................................................................................11

3.3.3 变频器选型...............................................................................................................13

3.3.4 电磁阀驱动电路设计...............................................................................................16

3.4 硬件延时电路设计......................................................................................................17

4 控制系统软件设计.........................................................................................................19

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...................................................................................................................29

1 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。

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

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

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

产生变化。

1.4 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

水泵需要用模拟信号实现连续调速实现预期的艺术效果。

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