基于单片机的音乐喷泉Word格式文档下载.docx
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新加坡圣陶沙旅游区的音乐喷泉的设计与效果也是值得参考的，它布置在一个空旷而略有坡度的空间，面积很大，与圣陶沙车站前的长形喷水池共同组成为一个长达数百米的综合系列喷泉，音乐喷泉位于系列喷泉的顶端。
舞台为一假山堆叠的西洋式半圆柱廊组成，共分3层。
白天，假山瀑布及两侧的喷泉群与3层水池形成一处动静结合的较为文雅悠扬的水景园，入夜则有五光十色，优美动听的喷泉景观，整个舞台区域东西面阔近百米，南北深度约40m,成为目前亚洲最大的音乐喷泉之一。
表现出壮阔、绚丽的水景之美。
以上几处音乐喷泉从建筑形式、音乐曲调及水舞表演的角度展现了音乐喷泉的美丽姿态，但是都属于大型的音乐喷泉，其控制系统也多采用PLC逻辑编程控制，造价高，流量需求大，一般为专门的定量设计。
即使这样，国内外的音乐喷泉控制系统设计均已达到成熟的水平，而且还有专门的生产设计厂家，提供设计、喷泉设备及安装等服务。
目前，国内的音乐喷泉逐渐向智能化、分散化、综合化、多样化的方向发展，于是对喷泉控制系统的设计也提出了更高的要求。
1.3喷泉的物理原理
喷泉的原理是个动量守恒，从大半径管道到小半径管道，产生一个速度的变化，冲向背离地面的方向。
大半径的速度由泵带动，小半径中的速度是原来速度，与动量转化速度。
需要选择一个微元计算动量守恒，这样能求出一个速度，这个速度是出口速度，然后就是一个上抛运动了，这个是理想的情况，没有摩擦，没有风。
1.4本课题设计内容
音乐喷泉的工作原理为：
根据播放的音乐来控制喷泉的花形大小变化和水柱的高度变化，以使水柱高度的变化及花形大小的变化与音乐的节奏同步，喷泉管路中的水流由水泵调节，而水泵是由三相异步电动机驱动的。
因此只要控制了三相异步电动机的转速，就可以可能控制管路中的流量，当给三相异步电动机通入工频电源时，则转速是不变化的；
当采用变频器控制电机的转速时，可以使管路中的流量发生柔性变化，这样喷泉运行时花形变化就更灵活。
随着音乐喷泉的使用越来越广泛，涉及到的控制方式也就越多，变频器，单片机，上位机，触摸屏等，于是喷泉的控制涵盖了自动化的各个学科，并且形象直观。
虽然喷泉的种类繁多，如广场喷泉、景点喷泉、旱泉、跑泉、激光喷泉、层流喷泉、趣味喷泉、水幕电影等等，这些喷泉喷水时的花形都具有千姿百态的效果，但都有一个共同的特点：
即形成水形的基本通路都是由水泵、管道、阀门和喷头组成。
因此，音乐喷泉工程中无疑也会安装大量的电磁阀门、彩灯、水泵和产生其它机械动作的电机。
除个别变频水泵需要用模拟信号来连续调节水柱高度、实现特定的艺术效果之外，其它部件基本是通过开关量进行控制。
这些开关信号驱动阀门、彩灯、水泵随着音乐进行不同的组合，从而产生各种水形和灯光变换效果。
为了达到听觉、视觉的和谐统一，控制系统应能根据音乐的节奏、旋律和感情色彩输出，产生各种不同的状态组合来控制水形和灯光实时变化，这也是音乐喷泉的控制不同于工业控制的主要特点。
针对不同水形要求有不同的控制方法，从喷泉的控制来看基本可分为四类：
第一类水形，启动水泵直接向管道和喷头加压，效果是喷头的水柱在启动和停止时有一过渡的升降过程；
第二类水形，需要通过变频器控制水泵转速来实现一种水柱连续升降的效果；
第三类水形，在加压喷水时启动传动电机控制喷头摇摆，达到一种花型变换；
第四类水形，需要在直接启动水泵向管道加压后，通过控制器快速地控制大量的电磁阀门的开闭，使喷嘴以各种方式进行点射，形成所谓的跑泉和跳泉效果。
通过上述分析，本课题将同时采用第二类水形和第四类水形，即控制系统须控制变频器的动作，实现对水泵转速控制，让喷泉在运行时，可以看到水柱的连续升降和花型的大小变化效果；
为了在喷泉运行过程中，随音乐的节奏变化，可以在不同的瞬时获得不同的花形，系统将设有一定数量的电磁阀，系统将根据音乐节奏的快慢或信号的强弱，控制相应的电磁阀开闭状态，就可以得到不同的花形。
由于涉及到变频器、水泵、电磁阀、喷头的选择，故需进行喷泉造型系统的管网进行设计计算（流量计算、损失计算等），这将作为变频器、水泵、电磁阀、喷头选择的依据；
同时要进行控制系统设计（硬件设计和软件设计），是为了实现单片机的放音、花形变化、灯光变化，以及音乐信号和花形的同步性处理。
2音乐喷泉造型系统设计
2.1造型方案设计及选择
方案：
设置了十六个喷头，分内外两圈布置，在水池的中心还设置了一个花柱喷头，喷泉造型如图2.1所示。
本方案采用十字形供水方式，将水泵设置在喷池中央，同样是为了让水流迅速流至每个喷头，当然也可以采用在外圈或内圈安装水泵，用一短直管将内外两圈的水管连接起来，就可以向各个喷头供水了，但是这种方式使距离水泵较远的喷头的水柱高度变化会滞后于距离水泵较近的同性质的喷水高度变化，产生的滞后效应较十字形供水方式的滞后效应大。
同时，本方案具有花形控制灵活，花形变化类型多，而且观赏效果好，可以从各个方向上都能够看到同样的花形，作为旅游景点内观赏用的音乐喷泉是较佳的选择。
选择此方案作为本次设计的花形造型方案。
由于喷泉设置在旅游景点内，为了取得较好的视距效果。
因此，喷泉所占据的空间位置，需根据人眼视域的生理特征以及周围的景物来确定，经查相关资料，由以下两个指标确定，即垂直视域和水平视域。
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[1]。
当垂直视角为30度时，其合适视距为[1]：
式（2.1）
式中D1—合适视距
H—景物高
h—人眼高
根据旅游景点内的特征，取水平合适视距为2.5m左右较为合适，因此由式（2.3）可得喷水池的宽度为
式（2.4）
由于小型喷泉的垂直合适视距约为喷水高的3倍，喷泉景物合适的视距约为景物宽度的1.2倍，因此喷泉的喷水高度按最大为2m高的水柱进行设计，宽度也按2m进行设计。
1—花柱喷头2、3、4、5、6—树冰喷头
7、9、11、13、15—万向直流喷头8、10、12、14、16—扁嘴喷头
图2.1喷泉造型平面图
2.2喷泉的管网设计
2.2.1喷泉的水力计算
①水平射程和喷水高度
影响喷头水平射程的因素很多，但主要因数是工作压力，喷嘴直径和喷射角度,射流曲线轨迹的几个主要参数见图2.2。
图2.2倾斜射流曲线轨迹
图中：
L1—射流上升部分的水平投影（m）
L2—射流下降部分的水平投影（m）
R—水平射程（m）
h—射流高度（m）
α—倾斜射流的仰角（度）
表2.1喷泉中各喷头的型号及参数表
喷头型号
WX-117
HZ-112
BZ-305
SB-219
水压（KPa）
43-67
70
50
55
流量（m3/h）
0.6—0.8
5—7
4
2.5
喷高（m）
1.6—3.5
1.2—2.0
0.8—1.5
1.2
喷洒直径DN（mm）
0.2
1.5—1.8
1.3
连接管直径DN（mm）
15
25
20
连接形式
内螺纹
安装尺寸A（mm）
100
150
140
安装尺寸B（mm）
40
60
10
数量（个）
5
1
图片
②流量计算
喷头的流量可按下列公式计算：
[1]式（2.27）
式中—喷头的流量
喷头的流量系数
—喷嘴的过水面积
g—重力加速度
由此可计算出主管道总流量为：
式（2.35）
2.2.2配水管网的计算
配水管网的计算主要是确定管径和水头损失。
①管径的计算
由水力学公式得知将其代入上式，移项得[1]：
式（2.36）
式中D—管径
—流量
A—水管的过水断面积（通流面积）
π—圆周率
V—流速
查标准管道直径系列无48mm的管径，因此需对其修正，查标准管径系列取D=50mm.
②水头损失计算
喷泉中使用的管道都是压力管道，水流经管道时能量损失叫水头损失。
因此，总水头损失等于沿程水头损失与局部水头损失之和[1]。
即
式（2.38）
式中 h—总水头损失
∑h沿—沿程水头损失之和
∑h局—局部水头损失之和
2.3喷泉的管道布置、管材及附件选择
2.3.1喷泉的管道布置
喷泉的管道主要由输水管、配水管、补给水管、溢水管和泄水管等组成。
现将其布置要点简述如下：
①大型喷泉中，管道多且复杂时，应将主管道敷设在渠道中，在喷泉底座下设检查井，为了使喷水获得等高的射流，对于环行配水管网，多采用十字形供水。
②由于蒸发等原因，造成喷水池内水量的损失，另外水泵运行前需要充水，因此喷水池需设补充供水管。
③为了池水上涨造成溢流应设溢水管，为了便于清洗在水池底部应设泄水管。
④连接喷头的水管不能有急剧的变化，直管的长度不小于喷头直径的20～50倍，以保持射流的稳定。
⑤喷泉所有管道的接头应严格密封，安装完毕后，均应进行水压试验。
2.3.2管材的选用
按表2.2选择喷泉主管道为公称通径为50mm，外径为60mm的钢管，管螺纹连接方式（圆柱形管螺纹），其螺纹长度为24mm，基面处大径为49.616mm。
2.3.3管道附件选择
在喷泉的管道中，除开直管、喷头外，还有管道的连接件，控制件、过滤器等附件。
①连接管件
钢管的连接方式有螺纹连接，焊接和法兰连接三种。
由于在管径计算时所得管径为50mm，同时为使安装方便，故选螺纹连接[1]。
表2.2喷泉管道材料选择表
管材类别和名称
产品特征
优点
缺点
金属管
水煤气钢管
镀锌钢管︵白铁管︶
管径︵mm︶
单根长度（m）
容许工作压力（kg/）
1、坚韧：
耐力大，抗震佳，弯切易
2、薄轻：
壁薄，质轻，耗料少
3、不糙：
内壁较光滑，水力条件好
4、易装：
连接方便（白铁管的镀锌层能保
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