一、系統的功能和原理
目前音樂噴泉的控制主要有單片機、PC 機、工業控制 計算機及 PLC 可編程控制器等多種方式, 本音樂噴泉控制 系統采用 MCS—51 型單片機 89C51 為 CPU, 圖 1 為工作 原理框圖 [1] 。 音樂噴泉的設計關鍵是使水姿、燈光與音樂旋律、節 奏完美組合, 利用噴泉體現出音樂的內涵, 體現不同樂曲 的特點, 這是該類設計中的難點。簡單的音樂控制水柱高 低很難做到這一點, 另外水柱變化相對音樂的滯后也是大 問題。本系統的設計思想是首先對音樂進行采樣, 然后通 過步進電機控制電磁閥, 實現噴頭流量的控制。 3 音樂信號的采樣 3.1 音樂控制 音樂信號是一個相當復雜的量, 實踐證明, 采用國際 標准音量計量單位 VU 信號對噴泉進行音樂控制, 能取得 較為理想的效果。將音樂信號經電路轉換為 VU ( volume unit 音量單位) 信號 ( 隨音樂變化) , 再經 A/D 轉換為數 值信號進入單片機處理, 輸出控制信號控制噴泉。 圖 1 中音樂分頻段處理主要是為了拾取音樂更多的信 息量, 提高控制效果並能實現對噴泉按各種噴型組合進行 控制。本控制設備可進行的分頻段最多不超過 6 段。最簡 單的可將音樂三分頻 ( 高、中、低頻) , 各頻段分別控制 某幾組噴型的開、關及組合, 如中頻段一般用於控制 “雪 松”、 “禮花”等水花型, 中 高頻段一般用於控制 “旋轉”、 “擺動”、 “直射”等 [2] 。 圖 2 是 VU 信號的具體線 路 , 圖 中 C2 起 到 延 時 作 用 , 其值取得過小, 則 VU 信號變 化過快, 取值過大 VU 信號又 反應過慢, 經實際調試 C2 取 值 20 微 法 至 100 微 法 ( 用 於 全音樂信號時可取 20 微 法 左 圖 1 系統控制流程示意圖 研究與開發 48 機電工程技術 2!0""08# 年第 $37% 卷第 0"&1 期 右, 用於控制噴型組合時, 可以取 100 微法左右) [3] 。 3.2 A/D 轉換及控制 根據控制精度的需要, 音樂信號的特點和芯片的性價 比, 選用美國國家半導體公司生產的 A/D 芯片 ADC0809。 它是 CMOS 的 8 位單片 A/D 轉換器, 片內有 8 路模擬開 關, 可控制 8 個模擬量中的一個。A/D 轉換采用逐次逼近 原理, 輸出的數字信號由 TTL 三態緩沖器控制, 故可直接 連至數據總線。 逐次逼近法 A/D 也稱逐次比較法 A/D, 它由結果寄存 器、D/A 比較器和置位控制邏輯等部件組成, 如圖 3 所 示。這種 A/D 采用對分搜索法逐次比較、逐步逼近的原理 來轉換, 整個轉換過程是個 “試探”過程。控制邏輯先置 1 結果寄存器最高位 Dn- 1, 然后經 D/A 轉換得到一個占整 個量程一半的模擬電壓 Vs, 比較器將此 Vs 和模擬輸入量 Vx 比較, 若 Vx>Vs 則保留此位 Dn- 1 為 1, 否則清 “0”Dn- 1 位。然后控制邏輯 1 結果寄存器次高位 Dn- 2, 連同 Dn- 1 一 起送 D/A 轉換, 得到的 Vs 再和 Vx 比較, 以決定 Dn- 2 保留 為 1 還是清成 “0”, 依次類推。最后, 控制邏輯置 1 結果 寄存器最低位 D0, 然后將 D0 連同前面的 Dn- 1, Dn- 2, …, D1 一起送 D/A 轉換, 轉換得到的結果 Vs 和 Vx 比較, 決定 D0 位保留為 1 還是清 “0”。至此, 結果寄存器的狀態便是 與輸入的模擬量 Vx 對應的數字量 [4] 。 采用中斷方式進行采樣。ADC0809 所需時鍾直接由單 片機的 ALE 提供, 且利用單片機數字軟件濾波法, 這樣既 節省硬件資源, 又充分利用了單片機資源。 利用濾波后的數字量對噴頭流量控制的核心算法原 理: 由於人耳聽到的是廣場上播放樂曲的聲音, 而人眼看 到的是噴頭的水流量, 聲音強度與水流量並不是線性關 系。而水流量與步進電機帶動的閥門的開度成線性關系, 閥門開度與電機做旋轉的角度成正比, 旋轉角度又與所加 給步進電機的脈沖數成正比。聲音強度與采樣過來轉換后 的數字量進行查表轉換后才能輸出以控制步進電機, 它們 之間是近似的對數關系。采樣原理框圖如圖 4 所示。 4 步進電機的原理及驅動 4.1 步進電機控制原理 步進電機是將電脈沖信號轉換成角位移的一種機電式 數模轉換器。步進電機旋轉的角度位移與脈沖的個數成正 比, 其轉速與輸入脈沖的頻率成正比; 步進電機的轉動方 向與輸入脈沖對繞組加電的順序有關。因此步進電機旋轉 的角位移、轉速以及方向均受輸入脈沖的控制。步進電機 分為永磁式 ( PM) 、反應式 ( VR) 和混合式 ( HB) 。這里 采用混合式步進電機。 4.2 運行方式與方向的控制——循環查表法 [5] 步進電機的運行方式是指各相繞組循環輪流通電的方 式。為了實現對各繞組按一定方式輪流加電, 需要一個脈 沖循環分配器。循環分配器可用硬件電路來實現, 也可用 軟件來實現。采用軟件來設計又有兩種方法: 控制字法和 循環查表法。這里采用循環查表法。 循環查表法是將各相繞組加電順序的控制代碼制成一 張表——步進電機相序表, 存放在內存區, 再設置一個地 址指針。當地址指針依次加 1 ( 或減 1) 時, 即可從表中 取出加電的代碼, 然后輸出到步進電機, 產生按一定運行 方式的走步操作。若改變相序表內的加電代碼和地址指針 的指向, 則可改變步進電機的運行方式與方向。在這里步 進電機運行方式的控制是采用建立相序表的方法, 而運行 方向的控制是設置相序表的指針來解決。
4.3 步進電機的驅動 步進電機在系統中是一種執行元件, 需要功率驅動。 圖 3 逐次逼近法 A/D 框圖 圖 4 采樣原理框圖 圖 2 VU 信號電路 研究與開發 49 機電工程技術 !2"00"#8 年第 3$%7 卷第 "01& 期 圖 8 系統控制閥的時序 圖 7 系統控制時序 其驅動系統框圖如圖 5 所示。本系統的驅動電源采用功率 開關集成電路 TWH8751 /2。這是一個新型的高壓、大電流 開關電路, 具有工作頻率高 ( 可達 1.5MHz) , 開關特性好, 控制功率大, 內有自動保護和具有選通 ( ST) 功能, 使用 簡便等特點。 由 TWH8751 /2 組成的步進電機驅動電路 ( 只畫出 A 相, 其它相相同) 原理如圖 6 所示。工作原理為: 無信號 時, 光敏三極管截止, 2 腳電位等 於 1 腳電位, 為高電平; 輸出端 4 腳電位也為高電平, 即電樞繞組無 電流流過。有信號時, 光敏三極管 受光照而導通, 將 1 腳電位拉低至 零電平, 輸出端 4 腳也將下降至輸 出飽和電平 ( 約 1.6V) 。這時電樞 繞組中有磁勵電流流過。
4.4 步進電機的啟 /停控制—— 設置開關 [5] 為 了 控 制 步 進 電 機 的 啟 /停 , 通常采用設置硬件開關或軟件開關 的方法。所謂硬件開關法, 一般是 在外部設置按鍵開關 SW, 並且約 定當開關 SW 按下時啟動運行或停 止運行。為此需要在程序中將開關 SW 的狀態讀入, 以便檢測 SW 是 否按下。這里采用硬件開關法。 5 噴泉控制時序及延時同 步 由於泵、閥的機械特性有一定 的滯后延時, 因此軟件控制部分必須對音樂信號加延時來 彌補機械機構與音樂信號的同步, 如圖 7。若當控制只有 閥和燈時, 其時序略有不同, 如圖 8。 為保證音樂信號延時的准確性, 當只有閥和燈時, 延 時不采用泵的時序圖 7 ( 即閥先延時 0.3s, 音樂信號延時 0.4s) , 而以閥的控制為時序圖 8 ( 閥的時序為沒有延時, 而音樂信號延時 0.1s) 。當采用閥的時序時, 可以跟蹤變化 較快的音樂信號。 上面的時序圖中信號 1、2 的間隔大於 0.8s, 即信號 1、2 都是有效信號, 當信號 1、2 的間隔小於 0.8s 時, 信 號 2 則視為無效信號。當然, 如果是閥的時序, 信號 1、2 的間隔應大於 0.5s, 信號 1、2 的有效信號只是相對而言 ( 相對於執行機構的執行時間) 。 6 系統軟件設計 由於系統的實際過程是按音樂分段來實現的, 即通過 實時查詢控制狀態, 實現音樂、燈光、水型的同步變化, 反映音樂的內涵與意境, 給人以和諧與美的享受。圖 9 是 系統控制的實際流程。 在步進電機控制系統中單片機的主要作用是把並行二 進制碼轉換成串行脈沖序列, 並實現方向控制。單片機控 制步進電機是通過 8255 寫控制模型, 改變相應端口的狀 態來完成的。 系統軟件編制采用定時器定時中斷產生周期性脈沖序 列, 不使用軟件延時, 不占用 CPU。CPU 在非中斷時間內 可以處理其它的事件, 只有到了中斷時間內才驅動步進電 機轉動一步。在此, 定時器 T 用來作為時鍾信號和電機的 圖 6 驅動電路原理圖 圖 5 步進電機驅動系統框圖 ( 下轉第 85 頁) 研究與開發 50 機電工程技術 2!0""08# 年第 $37% 卷第 0"&1 期 圖 9 控制流程 脈沖頻率。步 進 電 機 工 作 方 式 為 : 四 相 八 拍 , 通 電 順 序 為 : AB!B! BC!C!CD!D!DA。 如 果 按 上 述 通 電 順 序 , 步進電機正向 轉 動 ; 反 之, 如果通電順序相反, 則步進電機反向轉動。 7 結論 城 市 中 各 式 噴 泉 和 園林廣場的雕 塑 正 悄 然 興起, 不僅豐 富 了 城 市 園林的景觀, 而 且 增 強 了城市的感染 力 , 美 化 了城市的環境 , 豐 富 了 人們的生活。 音 樂 噴 泉 的開發與研究 具 有 很 大 的發展前景, 目前國外同行業的技術無不體現着高科技技 術在娛樂業的廣泛應用, 而國內這方面的研究也正逐步開 展起來。本文闡述的只是一些初步的研究與開發, 如何提 高音樂節拍與噴泉的同步, 全面考慮音樂的各要素的識別 和提取、實現音樂與噴泉的完美結合應該說是一個艱巨的 挑戰。 參考文獻: [ 1] 何立民. MCS51 系列單片機應用設計——系統配置與接口技 術 [ M] . 北京: 北京航空航天大學出版社, 1990. [ 2] 孫育才. MCS- 51 系列單片機微型計算機及其應用 [ M] . 南 京: 東南大學出版社, 1997. [ 3] 李華. MCS- 51 系列單片機實用接口技術 [ M] . 北京: 北京 航天大學出版社, 1996. [ 4] 張友德, 趙志英, 塗時亮. 單片微型機原理、應用與實驗 [ M] . 上海: 復旦大學出版社, 2003. [ 5] 劉樂善, 歐陽星明, 劉學清. 微型計算機接口技術及應用 [ M] . 武漢: 華中科技大學出版社, 2000. 作者簡介: 鄧和蓮, 女, 1972 年生, 湖南漣源人, 大學本科, 講 師。研究領域: 機電一體化設備及制造技術, 單片機與傳感器技術。
二、音樂噴泉系統的原理和組成
噴泉是一種將水或其他液體在一定壓力下通過噴頭噴 灑出來具有特定形狀的組合體。提供水壓的一般為水泵。 總體來說，噴泉景觀可以分為兩大類：一是因地制宜，根 音樂噴泉的工作原理及控制 韓國榮，石志孝 （甘肅工大舞台技術工程有限公司，甘肅 蘭州 730050） 【摘 要】 主要介紹音樂噴泉系統的工作原理及控制，以聲、光、水、色、形與工控技術的結合，達到千姿百態的效果。 【關鍵詞】 音樂噴泉；噴泉系統；集成控制；變頻調速 文章編號： 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 據現場地形結構，仿照天然水景制作而成，如壁泉、涌 泉、霧泉、管流、溪流、瀑布、水簾、跌水、水濤、漩渦 等；二是完全依靠噴泉設備人工造景，這類水景近年來在 各個領域廣泛應用，發展迅速、種類繁多，有音樂噴泉、 程控噴泉、擺動噴泉、跑動噴泉、光亮噴泉、游樂噴泉、 超高噴泉、舞台水簾幕、激光水幕電影等。 2.1 普通的音樂噴泉 普通的音樂噴泉系統主要由音頻控制系統、水路 控制系統、燈光控制系統、電氣控制系統構成。音頻控 制系統包括播放器、放大器、功率放大器、揚聲器、音 柱等；水路控制系統主要由噴泉控制器、變頻器、水 泵、多功能調節閥、噴頭和供水管網組成；燈光控制系 統包括各種燈具、燈具控制軟件系統、燈光控制回路系 統等；電氣控制系統包括弱電控制回路、強電系統、水 泵、噴嘴等硬件。 控制回路包括觸發開關、集成控制芯片、音樂輸 出回路、水泵驅動回路和燈光顯示回路。觸發開頭連接 在集成控制芯片的觸發輸入端，音樂輸出回路、水泵驅 動回路和燈光顯示回路分別連接在集成控制芯片的各對 應輸出端。通過觸發開關觸發集成控制芯片工作，使集 成控制芯片輸出音頻信號至音樂輸出回路播放音樂，同 時，分別輸出一個穩定脈沖和一個根據音樂旋律和節奏 而同步變化的脈沖至電機放大電路，得到疊加的變化電 演 藝 科 技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGY 61 探索爭鳴 Building of E ntertainment Stadium 演出場館建設 流，通過此電流來控制水泵電機，從而驅動水泵隨着音 樂的變化而改變抽水高度。將音樂的節奏和強度轉變為 控制信號，此信號再控制一個電壓控制器件，電源經過 該電壓控制器件后，輸出電壓也隨音樂的變化而改變， 進而控制水泵電機。改變頻率就改變了電機的轉速，也 就改變了水泵的壓力。音樂的不同頻率經集成控制芯片 處理送到變頻電機的控制端，使得電機轉速隨着音樂的 音調、節奏和強弱有所變化，水泵的壓力隨之變化，噴 岀的水柱就有了高低變化，在同一時間由幾套設備對多 組噴嘴實施控制。音樂噴泉控制系統如圖1 所示。 音樂噴泉控制系統是集聲、光、電於一體的復雜的 現場控制系統。隨着變頻調速技術的不斷推廣，水泵專 用變頻器已被廣泛用於水泵控制[1]，音樂噴泉系統中需要 采用大量的水泵來控制噴泉循環水，根據水泵工作特性 知道泵的流量與泵轉速成比例關系，通過調節水泵轉速 可直接控制水泵的流量。音樂噴泉系統需要實現噴泉水 量實時調節，因此，變頻調速技術更適合在音樂噴泉系 統中使用。此外，根據水泵特性知道，采用變頻調速技 術具有一定的節能效果，這也是變頻器在音樂噴泉控制 系統中得以推廣應用的原因。隨着音樂噴泉應用不斷推 廣，各種噴泉專用控制器也不斷完善。噴泉控制器或跑 泉控制器具有多功能開關量輸出、標准模擬量輸出及內 置通信接口電路，可通過RS-485或總線方式與上位機進 行通信，其輸出的標准電流或電壓信號可作為變頻器調 速給定信號，結合音樂噴泉專用變頻器的特有功能可實 現復雜的控制。 2.2 泄水型音樂噴泉 當音樂信號比較低時，在潛水泵正常運轉的情況 下，電路輸出控制信號通過固態繼電器打開泄水閥， 減小管道壓力，從而降低噴水高度；而音樂信號比較強 時，泄水閥被關閉，管道保持正常的壓力，水噴得比較 高。這樣，電磁閥在音樂信號控制下時開時閉、管道壓 力不停變化，水花上下跳躍，形成泄水型音樂噴泉。 2.3 給水型音樂噴泉 當音樂信號達到一定幅度時，電路輸出控制信號通過 固態繼電器啟動潛水泵噴水，信號低於一定幅度電路無輸 出，潛水泵斷電停止噴水，這樣，潛水泵在音樂信號的控 制下時噴時斷、水花上下跳躍，形成給水型音樂噴泉。 3 音樂噴泉系統的控制 控制系統的原理是通過集成控制芯片中的匯編程序 對經A/D轉換的音頻信號進行采樣和處理，分級控制單 相電動機，最終達到控制噴頭流量的方法。采用程序控 制或人工按鍵控制電磁閥來控制花型。音頻信號還用於 控制燈光色彩和光線明暗的變化，從而使燈光效果和噴 泉水姿隨音樂節奏而變化。音樂噴泉是由電腦控制聲、 光及噴孔組合而產生不同形狀、不同色彩、配合音樂節 奏而構成的綜合水景。水的形態會隨着聲音的抑揚頓挫 而變化，加上燈光的照射，可以形成舞姿優美、色彩斑 斕的多樣噴泉。音頻控制系統大多系統采用多媒體PC通 過上位機程序播放音樂。 在噴泉系統的控制方面[2]，噴泉水泵目前已采用變 頻調速技術，實現水泵無級調速，能根據音頻信號的強 弱隨時調節水泵速度，多功能閥及萬向噴頭由噴泉專用 控制器控制，可根據設定程序實現各種圖案和形狀。 音樂噴泉控制系統是集音頻控制技術、程序控制技 術於一體的控制系統，屬於一種工業現場控制系統，其 上位機大多采用多媒體工業PC機組成，可實現全程實時 音控，能根據樂曲旋律、節奏和音頻的強弱程度控制噴 泉系統，其電氣控制系統主要有以下三種形式: （1）集中式控制：集中式控制系統采用放射型結 構，能滿足控制室離水池較近，規模較小，花型變化較 少的音樂噴泉。 圖1 音樂噴泉控制系統示意圖 2018年第八期 總第150期 月刊 演 藝 科 技 ENTERTAINMENT TECHNOLOGY No. 8, 2018 monthly No. 150 62 （2）現場總線式控制： 現場總線是一種串行數據 通信鏈路，實現噴泉現場基本控制設備與上級控制設備 之間的聯系。現場總線式的優點有：一條傳輸線可控制 多台設備，控制系統簡單，安裝和維護容易；采用數字 通信技術，抗干擾性強，精度高；控制功能分散到噴泉 現場，提高了電控系統的可靠性和靈活性。 （3）網絡現場總線式控制：網絡現場總線結構與現 場總線相似，性能優於后者，網絡現場總線屬於分布式 控制系統，電控系統運行速度更快，達到音樂噴泉實時 控制的要求，穩定性也更好；網絡連接結構種類很多， 能同時支持總線型和放射型，可采用混合結構；網絡現 場總線與現場總線主要差別是前者采用專用網絡操作系 統，實現網絡上各個設備之間的相互操作。 音樂噴泉燈光控制系統、電氣控制系統，在此不再 詳細敘述。