一、系统的功能和原理
目前音乐喷泉的控制主要有单片机、PC 机、工业控制 计算机及 PLC 可编程控制器等多种方式, 本音乐喷泉控制 系统采用 MCS—51 型单片机 89C51 为 CPU, 图 1 为工作 原理框图 [1] 。 音乐喷泉的设计关键是使水姿、灯光与音乐旋律、节 奏完美组合, 利用喷泉体现出音乐的内涵, 体现不同乐曲 的特点, 这是该类设计中的难点。简单的音乐控制水柱高 低很难做到这一点, 另外水柱变化相对音乐的滞后也是大 问题。本系统的设计思想是首先对音乐进行采样, 然后通 过步进电机控制电磁阀, 实现喷头流量的控制。 3 音乐信号的采样 3.1 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 ( volume unit 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 [2] 。 图 2 是 VU 信号的具体线 路 , 图 中 C2 起 到 延 时 作 用 , 其值取得过小, 则 VU 信号变 化过快, 取值过大 VU 信号又 反应过慢, 经实际调试 C2 取 值 20 微 法 至 100 微 法 ( 用 于 全音乐信号时可取 20 微 法 左 图 1 系统控制流程示意图 研究与开发 48 机电工程技术 2!0""08# 年第 $37% 卷第 0"&1 期 右, 用于控制喷型组合时, 可以取 100 微法左右) [3] 。 3.2 A/D 转换及控制 根据控制精度的需要, 音乐信号的特点和芯片的性价 比, 选用美国国家半导体公司生产的 A/D 芯片 ADC0809。 它是 CMOS 的 8 位单片 A/D 转换器, 片内有 8 路模拟开 关, 可控制 8 个模拟量中的一个。A/D 转换采用逐次逼近 原理, 输出的数字信号由 TTL 三态缓冲器控制, 故可直接 连至数据总线。 逐次逼近法 A/D 也称逐次比较法 A/D, 它由结果寄存 器、D/A 比较器和置位控制逻辑等部件组成, 如图 3 所 示。这种 A/D 采用对分搜索法逐次比较、逐步逼近的原理 来转换, 整个转换过程是个 “试探”过程。控制逻辑先置 1 结果寄存器最高位 Dn- 1, 然后经 D/A 转换得到一个占整 个量程一半的模拟电压 Vs, 比较器将此 Vs 和模拟输入量 Vx 比较, 若 Vx>Vs 则保留此位 Dn- 1 为 1, 否则清 “0”Dn- 1 位。然后控制逻辑 1 结果寄存器次高位 Dn- 2, 连同 Dn- 1 一 起送 D/A 转换, 得到的 Vs 再和 Vx 比较, 以决定 Dn- 2 保留 为 1 还是清成 “0”, 依次类推。最后, 控制逻辑置 1 结果 寄存器最低位 D0, 然后将 D0 连同前面的 Dn- 1, Dn- 2, …, D1 一起送 D/A 转换, 转换得到的结果 Vs 和 Vx 比较, 决定 D0 位保留为 1 还是清 “0”。至此, 结果寄存器的状态便是 与输入的模拟量 Vx 对应的数字量 [4] 。 采用中断方式进行采样。ADC0809 所需时钟直接由单 片机的 ALE 提供, 且利用单片机数字软件滤波法, 这样既 节省硬件资源, 又充分利用了单片机资源。 利用滤波后的数字量对喷头流量控制的核心算法原 理: 由于人耳听到的是广场上播放乐曲的声音, 而人眼看 到的是喷头的水流量, 声音强度与水流量并不是线性关 系。而水流量与步进电机带动的阀门的开度成线性关系, 阀门开度与电机做旋转的角度成正比, 旋转角度又与所加 给步进电机的脉冲数成正比。声音强度与采样过来转换后 的数字量进行查表转换后才能输出以控制步进电机, 它们 之间是近似的对数关系。采样原理框图如图 4 所示。 4 步进电机的原理及驱动 4.1 步进电机控制原理 步进电机是将电脉冲信号转换成角位移的一种机电式 数模转换器。步进电机旋转的角度位移与脉冲的个数成正 比, 其转速与输入脉冲的频率成正比; 步进电机的转动方 向与输入脉冲对绕组加电的顺序有关。因此步进电机旋转 的角位移、转速以及方向均受输入脉冲的控制。步进电机 分为永磁式 ( PM) 、反应式 ( VR) 和混合式 ( HB) 。这里 采用混合式步进电机。 4.2 运行方式与方向的控制——循环查表法 [5] 步进电机的运行方式是指各相绕组循环轮流通电的方 式。为了实现对各绕组按一定方式轮流加电, 需要一个脉 冲循环分配器。循环分配器可用硬件电路来实现, 也可用 软件来实现。采用软件来设计又有两种方法: 控制字法和 循环查表法。这里采用循环查表法。 循环查表法是将各相绕组加电顺序的控制代码制成一 张表——步进电机相序表, 存放在内存区, 再设置一个地 址指针。当地址指针依次加 1 ( 或减 1) 时, 即可从表中 取出加电的代码, 然后输出到步进电机, 产生按一定运行 方式的走步操作。若改变相序表内的加电代码和地址指针 的指向, 则可改变步进电机的运行方式与方向。在这里步 进电机运行方式的控制是采用建立相序表的方法, 而运行 方向的控制是设置相序表的指针来解决。
4.3 步进电机的驱动 步进电机在系统中是一种执行元件, 需要功率驱动。 图 3 逐次逼近法 A/D 框图 图 4 采样原理框图 图 2 VU 信号电路 研究与开发 49 机电工程技术 !2"00"#8 年第 3$%7 卷第 "01& 期 图 8 系统控制阀的时序 图 7 系统控制时序 其驱动系统框图如图 5 所示。本系统的驱动电源采用功率 开关集成电路 TWH8751 /2。这是一个新型的高压、大电流 开关电路, 具有工作频率高 ( 可达 1.5MHz) , 开关特性好, 控制功率大, 内有自动保护和具有选通 ( ST) 功能, 使用 简便等特点。 由 TWH8751 /2 组成的步进电机驱动电路 ( 只画出 A 相, 其它相相同) 原理如图 6 所示。工作原理为: 无信号 时, 光敏三极管截止, 2 脚电位等 于 1 脚电位, 为高电平; 输出端 4 脚电位也为高电平, 即电枢绕组无 电流流过。有信号时, 光敏三极管 受光照而导通, 将 1 脚电位拉低至 零电平, 输出端 4 脚也将下降至输 出饱和电平 ( 约 1.6V) 。这时电枢 绕组中有磁励电流流过。
4.4 步进电机的启 /停控制—— 设置开关 [5] 为 了 控 制 步 进 电 机 的 启 /停 , 通常采用设置硬件开关或软件开关 的方法。所谓硬件开关法, 一般是 在外部设置按键开关 SW, 并且约 定当开关 SW 按下时启动运行或停 止运行。为此需要在程序中将开关 SW 的状态读入, 以便检测 SW 是 否按下。这里采用硬件开关法。 5 喷泉控制时序及延时同 步 由于泵、阀的机械特性有一定 的滞后延时, 因此软件控制部分必须对音乐信号加延时来 弥补机械机构与音乐信号的同步, 如图 7。若当控制只有 阀和灯时, 其时序略有不同, 如图 8。 为保证音乐信号延时的准确性, 当只有阀和灯时, 延 时不采用泵的时序图 7 ( 即阀先延时 0.3s, 音乐信号延时 0.4s) , 而以阀的控制为时序图 8 ( 阀的时序为没有延时, 而音乐信号延时 0.1s) 。当采用阀的时序时, 可以跟踪变化 较快的音乐信号。 上面的时序图中信号 1、2 的间隔大于 0.8s, 即信号 1、2 都是有效信号, 当信号 1、2 的间隔小于 0.8s 时, 信 号 2 则视为无效信号。当然, 如果是阀的时序, 信号 1、2 的间隔应大于 0.5s, 信号 1、2 的有效信号只是相对而言 ( 相对于执行机构的执行时间) 。 6 系统软件设计 由于系统的实际过程是按音乐分段来实现的, 即通过 实时查询控制状态, 实现音乐、灯光、水型的同步变化, 反映音乐的内涵与意境, 给人以和谐与美的享受。图 9 是 系统控制的实际流程。 在步进电机控制系统中单片机的主要作用是把并行二 进制码转换成串行脉冲序列, 并实现方向控制。单片机控 制步进电机是通过 8255 写控制模型, 改变相应端口的状 态来完成的。 系统软件编制采用定时器定时中断产生周期性脉冲序 列, 不使用软件延时, 不占用 CPU。CPU 在非中断时间内 可以处理其它的事件, 只有到了中断时间内才驱动步进电 机转动一步。在此, 定时器 T 用来作为时钟信号和电机的 图 6 驱动电路原理图 图 5 步进电机驱动系统框图 ( 下转第 85 页) 研究与开发 50 机电工程技术 2!0""08# 年第 $37% 卷第 0"&1 期 图 9 控制流程 脉冲频率。步 进 电 机 工 作 方 式 为 : 四 相 八 拍 , 通 电 顺 序 为 : AB!B! BC!C!CD!D!DA。 如 果 按 上 述 通 电 顺 序 , 步进电机正向 转 动 ; 反 之, 如果通电顺序相反, 则步进电机反向转动。 7 结论 城 市 中 各 式 喷 泉 和 园林广场的雕 塑 正 悄 然 兴起, 不仅丰 富 了 城 市 园林的景观, 而 且 增 强 了城市的感染 力 , 美 化 了城市的环境 , 丰 富 了 人们的生活。 音 乐 喷 泉 的开发与研究 具 有 很 大 的发展前景, 目前国外同行业的技术无不体现着高科技技 术在娱乐业的广泛应用, 而国内这方面的研究也正逐步开 展起来。本文阐述的只是一些初步的研究与开发, 如何提 高音乐节拍与喷泉的同步, 全面考虑音乐的各要素的识别 和提取、实现音乐与喷泉的完美结合应该说是一个艰巨的 挑战。 参考文献: [ 1] 何立民. MCS51 系列单片机应用设计——系统配置与接口技 术 [ M] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 1990. [ 2] 孙育才. MCS- 51 系列单片机微型计算机及其应用 [ M] . 南 京: 东南大学出版社, 1997. [ 3] 李华. MCS- 51 系列单片机实用接口技术 [ M] . 北京: 北京 航天大学出版社, 1996. [ 4] 张友德, 赵志英, 涂时亮. 单片微型机原理、应用与实验 [ M] . 上海: 复旦大学出版社, 2003. [ 5] 刘乐善, 欧阳星明, 刘学清. 微型计算机接口技术及应用 [ M] . 武汉: 华中科技大学出版社, 2000. 作者简介: 邓和莲, 女, 1972 年生, 湖南涟源人, 大学本科, 讲 师。研究领域: 机电一体化设备及制造技术, 单片机与传感器技术。
二、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 音乐喷泉的工作原理及控制 韩国荣，石志孝 （甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃 兰州 730050） 【摘 要】 主要介绍音乐喷泉系统的工作原理及控制，以声、光、水、色、形与工控技术的结合，达到千姿百态的效果。 【关键词】 音乐喷泉；喷泉系统；集成控制；变频调速 文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.08.018 Musical Fountain Working Principle and Control HAN Guo-rong, SHI Zhi-xiao (Gansu Stage technology & Engineeing Co.ltd, Lanzhou Gansu 730050, China) 【Abstract】This paper mainly introduces the musical fountain working principle and control. Fountain project using a large number of high-tech, in which musical fountain system to sound, light, water, color, shape and industrial technology, to achieve a unique effect, so that the effect of a more colorful fountain, the formation of very large changes. 【Key Words】musical fountain; fountain system; Integrated control; frequency control 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。 2.1 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 演 艺 科 技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGY 61 探索争鸣 Building of E ntertainment Stadium 演出场馆建设 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。音乐喷泉控制系统如图1 所示。 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[1]，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。 2.2 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。 2.3 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。 3 音乐喷泉系统的控制 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[2]，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。 图1 音乐喷泉控制系统示意图 2018年第八期 总第150期 月刊 演 艺 科 技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGY No. 8, 2018 monthly No. 150 62 （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。