小型音乐喷泉控制系统设计Word文档格式.docx

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申请学位

2017年5月23日

学生姓名：

指导教师：

摘要喷泉作为一项优美的建筑艺术及人文景观，以水设景的方式在中外历史上都很有特点，在人类历史上留下了光辉的印记。

好的喷泉就仿佛是一个精美的艺术品一样，它的价值不仅仅在于观赏，还有颇高的令人喜爱的实用价值。

本次设计的内容主要是用单片机制作一个声控喷泉，对象为直流机控制的一个水泵，最终实现喷泉的喷水高度按音调高低进行同步的变化。

这里采用模数信号转换、程序控制信号输出、PWM变频调速等方法，提出了一种较为先进的音乐喷泉设计方案和控制途径。

关键词：

音乐喷泉单片机直流机变频调速

Designofsmallmusicfountaincontrolsystem

Author’sName:

Tutor:

ABSTRACT：

Fountainasabeautifularchitecturalartandculturallandscape,thewaythewaterinthehistoryofChineseandforeignhistoryareverycharacteristic,inthehistoryofmankindleftagloriousmark.Agoodfountainislikeafineartwork,itsvalueisnotjustwatch,therearequitehighpracticalvalue.Themaincontentofthisdesignistouseasingle-chipproductionofavoicefountain,theobjectoftheDCmachinecontrolofapump,andultimatelytoachievethefountainofthewaterlevelbythepitchlevelofsynchronizationchanges.Heretheuseofanalogsignalconversion,programcontrolsignaloutput,PWMfrequencycontrolandothermethods,putforwardamoreadvancedmusicfountaindesignandcontrolmethods.

KEYWORDS：

musicfountainSCMDCmachineFrequency

1引言

1.1本课题的研究背景

音乐喷泉作为人文景观中一项不可多得的建筑艺术，这条靓丽的风景线在中外历史上都享誉盛名。

上世纪八十年代以前，喷泉只作为一个技术细节被排水和美化专业施工人员所使用，从构思，设计，生产，测试，到最后的工程安装没有形成规模。

只有在展览厅和公园等公共建筑可以看到一些小喷泉，产品设计水平相对简单，效果是单一的。

上世纪八十年代起，社会的进步风气开始上升，国民经济取得了一定的恢复和发展，人民生活水平和科学技术水平均有明显改善及提高。

一些城市的相关部门对于喷泉提出了推陈出新的要求，他们的目的是希望将新型的音乐喷泉应用到城市建设、城市改造的过程中，还包括喷泉的景观设置和文艺空气的设计及制造方面。

对建筑、园艺、水利科学院、高等教育研究所等机构来说，他们获得了一个机遇，在综合了土木工程、供排水系统等一些工科技能后，再加上当时先进的单片机技术以及机电控制理论，依据学术理论改变特定量达到控制电磁阀和直流电机调速的目的，设计并制造了一批及之前全然不同的喷泉设备，营造了全新的景观效果，收到良好的社会和社会反应。

同期，部分具有加工喷泉设备专业能力的工人和具有独到眼光的投资人合伙建厂或者成立研发公司，这些工厂以及公司的发展推动了我国喷泉行业的进步，为喷泉的行业的发展提供了中坚力量，奠定了坚实的基础。

第二十世纪90年代以后，社会风气推动思想解放，各界人士的观念都发生了翻天覆地的变化，在物质生活逐渐得到满足的社会背景下，他们开始注重精神生活，对高品质的文化氛围和优雅的生活环境有了需求。

就是因为这样，有市场就会有商品，有商品就会有更好的商品，及此同理，喷泉行业亦取得了巨大的发展。

喷泉已经不单是公园、花园和广场的专属品，开始延伸到人们的各种社会活动中。

就在这一时期，研发和制造喷泉的工作室和工厂顺应潮流萌芽生长，以至于壮大起来。

喷泉设计人员把现代工业的各种相关技术都应用到了喷泉中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新高度，为人们提供视觉震撼的同时也为应用领域开辟了广阔的领土，人人都开始注意这一特殊的人文景观。

中国建筑金属结构协会给水排水设备分会在2001成立了水景喷泉专业委员会，这一组织有效的调配了各种资源，统筹安排了发展规划路线，以促进喷泉行业健康有序快速发展为宗旨，希望通过提供各种服务满足人们的精神追求。

在普通高校的建筑专业，园林专业也设置了水景，喷泉等相关课程，这一举措为喷泉行业的发展提供了知识和人才储备，初衷自然是希望喷泉行业有更好的发展。

自此以后，喷泉产业在人们的希冀中进入又好又快发展的新阶段。

时代在发展，社会在进步，这一切都归结于人的进步，思想的进步，追求的进步，对健康优雅环境的要求让他们对喷泉情有独钟，特别是喷泉在城市和社区环境建设中的作用是无可取代的。

于是以高新科技为支撑的各种新型水景在我国纷纷涌现，音乐喷泉是其中最具代表性的一例，以它悠扬的曲调，动感的节奏，缤纷的花样，多变的色彩征服了观众的心。

程序控制喷泉的方式已经成为喷泉艺术呈现的新的主流形式，现代控制技术及传统人工喷泉的完美结合，通过单片机程序令喷泉水姿呈现不一样的变化。

采用单片机控制技术，通过单片机控制电路以及初始化程序，完全可以实现喷泉及光的协同控制，形成美轮美奂的活水景观。

1.2本课题的研究意义

如果把喷泉看做艺术，那么在现代社会的住宅小区和酒店大厅都应该有它的身影，营造优雅静美灵动的环境的同时增加空气湿度，不单有利于身体健康还能放松心情。

我相信，很多人都有一个同样的疑问：

喷泉的关键是什么，我认为是控制系统。

模仿大型喷泉的系统做个小型喷泉，像它一样控制核心采用单片机，可以控制水泵的电机达到调节水流的目的，彩灯同样可以用单片机控制。

控制系统的核心使用单片机，注意是考虑到它的物理应用特性。

比如体积小、集成度高、抗干扰能力强、工作环境要求不高、价钱便宜、可靠性高等都是使用优点。

在现代社会研究小型喷泉的控制系统不但可以带来经济效益还会收获相应的社会效益。

在运用成熟水平制作音乐喷泉的国际背景下，生产厂家为消费者提供了包括系统设计和设备安装等专业服务。

智能化、集成化、多元化已经成为了音乐喷泉发展的主流方向，同时这一发展方向也对喷泉控制系统的设计者也提出了全然不同的要求，这对工程师来说既是挑战又是机遇。

本课题研究的小型音乐喷泉控制系统就是以单片机为核心的，不但可以推广喷泉在国内的应用，凸显其在美化环境中的作用，还可以有力的推动喷泉控制技术的发展。

对我个人而言，研究本课题，可以加深我对单片机技术、数控技术和机电一体化系统的理解，方便知识应用。

复习C语言课程，自学protei99SE软件并使用该软件绘制电路原理图。

通过解决设计过程中遇到的各式各样的问题，获得更多的知识以提升自己的专业能力。

1.3音乐喷泉在生活中的诸多作用

音乐喷泉被誉为一项流动的艺术，音乐喷泉那美轮美奂艺术体验给人以无限的享受。

伴随经济发展的科学技术取得了巨大进步，及此同时，景观在生活中被越来越多的人关注及向往，在现代都市生活的园林景观设计中，水的灵动已然令其成为了不可缺少的组成部分，音乐喷泉便是其中最为重要的景观，因此无论是在公园景观布局、城市环境规划及水景制造还是在小区风景的设计中，音乐喷泉的应用必不可少，其设计及效果更是至关重要的。

为了使水灵动起来，音乐喷泉特别采用了现代循环系统的设计构想，这样做不仅避免了水池里的水变成死水或者臭水，在一定程度上节约了本就匮乏的水资源，达到提高水利用率的目的。

音乐喷泉花姿百态活灵活现，有很高的观赏价值。

音乐喷泉能够利用水和音乐做出及其壮美的声效景观，形随音动，能够表现出很多姿态，形成活泼而又绚烂的景观，是夜晚的主题。

特别注意，水是生命之源，增加空气湿度来改善生活环境的方法也是音乐喷泉最重要的作用。

1.4本课题的基本内容

基本任务：

设计一个音乐喷泉，控制核心使用ST89C51单片机，对喷水高度的控制是要实现的目标，要达到这一目标，可以调节水泵的水流量，由基础知识可以知道只有调节水泵电动机的转速才能完成这一基础任务。

那么调节电机转速就成为我们关注的焦点了。

控制系统最核心的部分采用的是程序控制的办法，通过编写准确合适的程序并将其输入单片机内，外部信号由单片机获取并经程序处理最终输出预定的数据来控制三极管工作，通过改变加在电机两端的电压进而实现控制水泵转速的预期目标。

输入音频信号，通过A/D转换程序处理等将输出信号作用到三极管的基极最终控制电机，水流量的变换会呈现出水姿高低变化的情形。

各个彩灯分别及单片机的I/O引脚相连，内部程序可以达到每种音调的状态组合的效果。

这次设计方案最惊艳的地方在于是否有音频的输入来决定喷泉启停状态。

LED灯也会显示出一系列变换表示音乐的运行状态。

2总体设计方案

2.1方案比较

方案一：

基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制系统

优点：

在同类的音乐喷泉中该控制系统的采样结果是完全有能力直接反映音乐信号强度的，采集音乐信号和该信号后续的处理都是由喷泉的控制器等配合工作来完成的，这个方法的采样周期是0.1秒。

这次系统中补偿方法采用的是控制输出前馈补偿方式，而这里前馈控制的时间长度可以系统设置的“前馈”时间得到确定。

使用这种时间补偿方式的目的就是要消除音乐及喷泉动作的时间差，因为这种方式能够满足音乐喷泉前馈补偿控制的需求，实现喷泉动作随音乐的和谐律动。

缺点：

系统条件的限制较为苛刻，各硬件组件要求精密度高，对系统设计者能力的要求也颇为严格，实施起来比较困难。

方案二：

基于全数字集成电路音乐喷泉控制器

这个设计方案采用既能音控又能程控的两用控制器，而且音控、程控可用开关手动切换。

程控时，电位器能够起到的作用是调节速度；

音控时，输入音乐的音量便能直接控制彩灯，控制思路是以音乐音量的大小来决定彩灯打开组数的多少，音量越大彩灯亮的组数越多。

整个控制系统电路的设计相对简单，应用普遍广泛，项目的可行性论证比较可靠。

但是，实现的效果有限，无法达到较高的要求。

方案三：

基于单片机的音乐喷泉控制系统

以单片机为核心的控制系统是小型音乐喷泉控制系统中用的最广泛而普遍的。

灵活的编程设计，丰富的I/O端口，精确的控制单片机的这些特点能够简单而又实用的将音乐及喷泉的动作密切而默契的配合起来。

而且这类控制器性价比理想，体积小，易于操控，简便可行。

经过比较发现，方案三以单片机为核心的控制系统及本次设计的要求较为符合，并且经济适用。

我认为选取方案三作为这次设计方案较为合理。

2.2单片机的特点及应用

管控功能好、体积小、价钱低是单片机的主要特点。

因为单片机特有的良好的管制功用和非常灵敏的嵌入质量，在智能仪表、机电一体化产品、家用电器等多个范畴内在近些年来都获得了非常重要的地位。

2.2.1单片机及其特点

把一台完整的微型计算机浓缩