音乐喷泉系统控制器设计

喷泉在城市和社区环境建设中起着及其重要的作用。喷泉工程和高新技术的结合也使得喷泉的形式更加多样化，实现效果更加多彩迷人。其中，音乐喷泉系统以声、光、水、色、形俱美，实现了独特的艺术效果，已经成为城市景观建设和表演剧场的重要组成部分，婀娜多姿、赏心悦目，可激起人们的沉思、咏叹、惊喜、雀跃的情绪，并从中获得水美的艺术享受。目前，很多广场或公园，以及户外演出中也采用音乐喷泉景观设计，各类花样的喷泉、彩色的灯光和优美的音乐形成一幅怡人的夜景，从而吸引着人们的目光，尤其在炎热的夏季，令人流连忘返。

园林中的喷泉，一般是为了满足造景的需要而进行人工建造的具有装饰性的喷水装置。此类喷泉可以湿润周围空气、减少尘埃、降低气温。喷泉的细小水珠与空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉有益于改善城市面貌和增进居民身心健康。目前，城市化的发展及景观建设的需要，使得音乐喷泉系统日渐被推广应用。

一、音乐喷泉系统的原理和组成

喷泉是一种将水或其他液体在一定压力下通过喷头喷洒出来具有特定形状的组合体。提供水压的一般为水泵。总体来说，喷泉景观可以分为两大类：一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等；二是完全依靠喷泉设备人工造景，这类水景近年来在各个领域广泛应用，发展迅速、种类繁多，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、舞台水帘幕、激光水幕电影等。

1.1普通的音乐喷泉

普通的音乐喷泉系统主要由音频控制系统、水路控制系统、灯光控制系统、电气控制系统构成。音频控制系统包括播放器、放大器、功率放大器、扬声器、音柱等；水路控制系统主要由喷泉控制器、变频器、水泵、多功能调节阀、喷头和供水管网组成；灯光控制系统包括各种灯具、灯具控制软件系统、灯光控制回路系统等；电气控制系统包括弱电控制回路、强电系统、水泵、喷嘴等硬件。

控制回路包括触发开关、集成控制芯片、音乐输出回路、水泵驱动回路和灯光显示回路。触发开头连接在集成控制芯片的触发输入端，音乐输出回路、水泵驱动回路和灯光显示回路分别连接在集成控制芯片的各对应输出端。通过触发开关触发集成控制芯片工作，使集成控制芯片输出音频信号至音乐输出回路播放音乐，同时，分别输出一个稳定脉冲和一个根据音乐旋律和节奏而同步变化的脉冲至电机放大电路，得到叠加的变化电流，通过此电流来控制水泵电机，从而驱动水泵随着音乐的变化而改变抽水高度。将音乐的节奏和强度转变为控制信号，此信号再控制一个电压控制器件，电源经过该电压控制器件后，输出电压也随音乐的变化而改变，进而控制水泵电机。改变频率就改变了电机的转速，也就改变了水泵的压力。音乐的不同频率经集成控制芯片处理送到变频电机的控制端，使得电机转速随着音乐的音调、节奏和强弱有所变化，水泵的压力随之变化，喷岀的水柱就有了高低变化，在同一时间由几套设备对多组喷嘴实施控制。

音乐喷泉控制系统是集声、光、电于一体的复杂的现场控制系统。随着变频调速技术的不断推广，水泵专用变频器已被广泛用于水泵控制，音乐喷泉系统中需要采用大量的水泵来控制喷泉循环水，根据水泵工作特性知道泵的流量与泵转速成比例关系，通过调节水泵转速可直接控制水泵的流量。音乐喷泉系统需要实现喷泉水量实时调节，因此，变频调速技术更适合在音乐喷泉系统中使用。此外，根据水泵特性知道，采用变频调速技术具有一定的节能效果，这也是变频器在音乐喷泉控制系统中得以推广应用的原因。随着音乐喷泉应用不断推广，各种喷泉专用控制器也不断完善。喷泉控制器或跑泉控制器具有多功能开关量输出、标准模拟量输出及内置通信接口电路，可通过RS-485或总线方式与上位机进行通信，其输出的标准电流或电压信号可作为变频器调速给定信号，结合音乐喷泉专用变频器的特有功能可实现复杂的控制。

1.2泄水型音乐喷泉

当音乐信号比较低时，在潜水泵正常运转的情况下，电路输出控制信号通过固态继电器打开泄水阀，减小管道压力，从而降低喷水高度；而音乐信号比较强时，泄水阀被关闭，管道保持正常的压力，水喷得比较高。这样，电磁阀在音乐信号控制下时开时闭、管道压力不停变化，水花上下跳跃，形成泄水型音乐喷泉。

1.3给水型音乐喷泉

当音乐信号达到一定幅度时，电路输出控制信号通过固态继电器启动潜水泵喷水，信号低于一定幅度电路无输出，潜水泵断电停止喷水，这样，潜水泵在音乐信号的控制下时喷时断、水花上下跳跃，形成给水型音乐喷泉。

二、音乐喷泉系统的控制原理

控制系统的原理是通过集成控制芯片中的汇编程序对经A/D转换的音频信号进行采样和处理，分级控制单相电动机，最终达到控制喷头流量的方法。采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制花型。音频信号还用于控制灯光色彩和光线明暗的变化，从而使灯光效果和喷泉水姿随音乐节奏而变化。音乐喷泉是由电脑控制声、光及喷孔组合而产生不同形状、不同色彩、配合音乐节奏而构成的综合水景。水的形态会随着声音的抑扬顿挫而变化，加上灯光的照射，可以形成舞姿优美、色彩斑斓的多样喷泉。音频控制系统大多系统采用多媒体PC通过上位机程序播放音乐。

在喷泉系统的控制方面，喷泉水泵目前已采用变频调速技术，实现水泵无级调速，能根据音频信号的强弱随时调节水泵速度，多功能阀及万向喷头由喷泉专用控制器控制，可根据设定程序实现各种图案和形状。

音乐喷泉控制系统是集音频控制技术、程序控制技术于一体的控制系统，属于一种工业现场控制系统，其上位机大多采用多媒体工业PC机组成，可实现全程实时音控，能根据乐曲旋律、节奏和音频的强弱程度控制喷泉系统，其电气控制系统主要有以下三种形式：

（1）集中式控制：集中式控制系统采用放射型结构，能满足控制室离水池较近，规模较小，花型变化较少的音乐喷泉。

（2）现场总线式控制：现场总线是一种串行数据通信链路，实现喷泉现场基本控制设备与上级控制设备之间的联系。现场总线式的优点有：一条传输线可控制多台设备，控制系统简单，安装和维护容易；采用数字通信技术，抗干扰性强，精度高；控制功能分散到喷泉现场，提高了电控系统的可靠性和灵活性。

（3）网络现场总线式控制：网络现场总线结构与现场总线相似，性能优于后者，网络现场总线属于分布式控制系统，电控系统运行速度更快，达到音乐喷泉实时控制的要求，稳定性也更好；网络连接结构种类很多，能同时支持总线型和放射型，可采用混合结构；网络现场总线与现场总线主要差别是前者采用专用网络操作系统，实现网络上各个设备之间的相互操作。音乐喷泉灯光控制系统、电气控制系统，在此不再详细叙述。

三、音乐喷泉系统抗干扰措施

音乐喷泉系统集音乐、灯光、喷泉于一体，其电气控制系统相对比较复杂，容易出现以下音频信号干扰问题：

（1）从变频器工作原理可知，当变频器运行时，其输入输出侧会产生丰富的谐波，此谐波信号通过传导、辐射、耦合等方式对其他设备产生干扰。在设计时采用正确的布线和屏蔽线来消除感应方式的干扰传播。在变频器和变压器之间串入交流电抗器，对高频谐波电流进行抑制。通过接入无线电干扰抑制滤波器，抑制通过辐射传播的干扰。

（2）音乐喷泉系统中谐波干扰信号经过音频放大系统放大后，形成刺耳的噪音，并影响音乐的播放。为避免这种情况的发生，可采取以下措施：降低变频器载波频率；变频器可靠接地，接地线采用线径较粗的线，且接地点与变频器距离要尽量短；变频器输入、输出动力线尽量远离音频信号线和控制线，不要将动力线与控制线置于同一线槽中；音频信号放大系统的电源尽可能与变频器供电电源隔离等。

（3）谐波干扰信号会干扰变频器的正常工作，喷泉水泵需随音频信号的强弱随时调节转速，这就要求变频器响应速度快，在设计时要对变频器选型及调节参数深入了解。一般情况下，一台音乐喷泉变频器要求控制多台水泵，在选用时首先应保证变频器的功能大于水泵功能总和，并至少预留10%的裕量，在变频器参数设定方面，变频器的加减速时间尽量短。但加减时间过短容易出现过电流保护，在使用时应特别注意。目前大多变频器具有故障自恢复功能，在调试可将此功能打开，以避免误信号引起变频器报警停机。

四、基于单片机的室内音乐喷泉设计

目前在公共场所喷泉一般只是将音乐和喷泉高低简单配合，无法真正体现音乐的旋律、节奏；或者是采用了高成本复杂的控制系统，搭建复杂的外围电路实现功能；并且多数只能在现场观赏，不能进入家庭。本文介绍基于AT89S52单片机控制的小型室内移动式音乐喷泉。它使用了较少的外围器件和较为简单的电路设计，成本低、体积小、水型变换多样，实用性强，适合室内观赏。

本系统采集音乐信号，根据音乐信号的强弱来控制水泵电机的转速以及LED彩灯的亮灭。系统的总体结构如图1所示，由音乐输入部分、音响放大部分、单片机控制部分和1输出控制部分组成。AT89S52单片机作为系统的主芯片，一方面采集音乐信号，另一方面依据采集到的音乐信号的强弱输出延时不等的矩形波来控制可控硅的导通时间，进而控制水泵电机的转速，从而达到控制喷水高度的目的。彩灯的亮灭也由单片机依据音乐采样值的大小来控制。

五、室内音乐喷泉系统硬件设计

音乐喷泉硬件系统由单片机电路、音频电路、步进电机控制电路、彩灯控制电路、电源电路等组成。

5.1单片机电路

单片机要采集音乐信号，并据此调节I/O口的输出来控制水泵和彩灯。主芯片选用AT89S52单片机。采用Atmel公司的擅长处理多开关量的标准单片机AT89S52作为控制器。AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个I/O口，1个看门狗定时器，3个16位可编程定时器，具有ISP功能，能够满足设计要求。使用简单且价格非常低廉。故系统的主控制器采用此方案。

5.2音乐信号的采样

（1）音频功放：音频电路由音响放大器和音乐预处理电路两部分组成。音响放大电路将音乐外放，包括两级放大和一级功放。音乐预处理电路是将音频信号经由放大滤波输入到单片机供片内AD采集。整个系统采用单电源5V供电，选用可以使用单电源供电的运算放大器LM324。功放由4V～12V供电，功率由可达1.25W的LM386完成，可以推动喇叭达到扬声器的作用。信号经音频电路初步处理后送入单片机内部AD，由定时器控制以8k采样率采集音乐信号。

（2）音乐控制：音乐信号是一个相当复杂的量，实践证明，采用国际标准音量计量单位VU信号对喷泉进行音乐控制，能取得较为理想的效果。将音乐信号经电路转换为VU(volumeunit音量单位)信号(随音乐变化)，再经A/D转换为数值信号进入单片机处理，输出控制信号控制喷泉。图1中音乐分频段处理主要是为了拾取音乐更多的信息量，提高控制效果并能实现对喷泉按各种喷型组合进行控制。本控制设备可进行的分频段最多不超过6段。最简单的可将音乐三分频(高、中、低频)，各频段分别控制某几组喷型的开、关及组合，如中频段一般用于控制“雪松”、“礼花”等水花型，中高频段一般用于控制“旋转”、“摆动”、“直射”等。

（3）AD转换电路：输入的电压为交流模拟量，不能直接送入单片机进行处理。因此首先采用全桥整流，滤波。使其成为直流信号，再采用了ADC电路。其中AD芯片为ADC0832。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。串行通信节约单片机I/O资源。AT89S52与ADC0832采用SPI串行接口方式，将ADC0832的CS和CLK分别接单片机的P0.0和P0.1引脚，将D1和D0分别接P0.2和P0.3引脚。对CH0通道的模拟信号实行A/D转换，转换结果传送给数组mo_shu。

5.3步进电机控制

文中所控制的步进电机是四相单极式35BY48HJ120减速步进电动机。本文所设计的步进电机控制驱动器由AT89C52单片机、光电耦和器、集成芯片L297和L298组成。L297是步进电动机控制器(包括环形分配器)，L298是高压、大电流双全桥式驱动器双H桥式驱动器。其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。具有两抑制输人来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298芯片是具有15个引出脚的高功率直插式封装的集成芯片。AT89S52通过串口经MAX232电平转换之后与微机相连，接受上位机指令，向L297发出时钟信号、正反转信号、复位信号及使能控制等信号。由于L297内部带有斩波恒流电路，绕组相电流峰值由Uref确定。当采用两片L297通过L298分别驱动步进电机的两绕组，且通过两个D/A转换器改变每相绕组的Uref时，即组成了步进电机细分驱动电路。另外，为了有效地抑制电磁干扰，提高系统的可靠性，在单片机与步进电动机驱动回路中利用两个16引脚光电耦合器件TLP521—4组成隔离电路。其作用是切断单片机与步进电动机驱动回路之间电的直接联系，实现了单片机与驱动回路系统地线的分别联接，防止处于大电流感性负载下工作的驱动电路产生的干扰信号以及电网负载突变产生的干扰信号通过线路串入单片机，影响单片机的正常工作。

5.4彩灯控制电路

彩灯是为了渲染色彩增强节奏感而设计的。使用高亮LED围绕在喷头的周围，有红绿黄三种颜色，设计成上下环绕的三层构成树形结构，每层六个灯，颜色搭配得当。每圈的灯并联占用一个I/O口，用三极管8050放大提供足够的电流驱动，依据音乐采样值大小决定点亮的灯的圈数。

六、音乐喷泉控制系统软件设计

在硬件上本系统使用了AD、比较器、定时器、中断等资源，故软件编程就包含这几个方面的设置和使用。定时器T0控制AD的采样速率。定时器T1在比较器的下降沿中断中被启动，延时一段时间，找到100Hz脉动直流每个周期的起点。定时器T2在定时器T1的中断中被启动，依据不同的AD采样值延时不等的时间，在T2的中断程序中输出矩形波启动水泵驱动电路。

设计的音乐喷泉LED彩灯经过热缩管的绝缘处理后用导线缠绕在塑料软管上，然后再固定在盆内。围绕塑料软管开几个小孔，再安装塑料插头作为喷水装置。可以用电脑或者MP3作为音源，喷泉高低和彩灯随着音乐的启停节奏发生变化。系统的主要控制电路被安装在盒子里放置于旁边，注意绝缘，安全用电。

设计的喷泉控制系统基于AT89S52单片机，采用了音频放大，可控硅控制等简洁的外围电路，经过焊接、组装、调试后，可以很好实现控制功能，具有很强的实用性，尤其是具有体积小、易移动、适合家庭和室内使用的特点。本方案也可以在功能上加以扩展，如加上对乐曲的频域分析，结合频域特点控制水泵；还可以制作雾化器来渲染效果等。

总结

随着喷泉系统的不断推广，喷泉控制技术也在不断完善和提高，已从早期的简单喷泉控制发展到目前的集音控技术、程控技术及上位机控制技术于一体的网络现场控制，其中的变频调速技术在喷泉系统应用也逐步成熟，并成为其水泵调速的主要方式。实践证明，喷泉系统采用变频器控制后，一方面提高了系统控制灵活性，另一方面，水泵采用变频调速起到节能效果。因此，音乐喷泉变频调速技术值得进一步推广和应用。

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