基于plc的音乐喷泉设计

基于plc的音乐喷泉设计内容摘要：

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。 管材的选用 按表 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。 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 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/2cm ） 坚韧：耐力大，抗震佳，弯切易 薄轻：壁薄，质轻，耗料少 不 糙：内壁较光滑，水力条件好 易装：连接方便（白铁管的镀锌层能保护管和税的色味不锈 损） 易生锈：埋在土中 易腐蚀，其寿命为 20～30 年。 价昂 白钢管比黑铁管重 3～6%，因为有镀锌 层，不宜焊接。 6～155 4～ 9 ≤ 10 普通管 ≤ 16 加厚管 ② 控制管件 在喷泉管路中常用的阀门主要由闸阀，截止阀，逆止阀，电磁阀。 其驱动方式一般为手动。 连接型式有内螺纹和法兰两种，公称压力一般在 10kg/ 2cm 以下。 止回阀又叫单向阀，它是用来限制水流朝一个方向流动，用于水泵出水管和水源进水管等处，以防止水的倒流。 浮球阀是依靠水位变化而自动控制水流的开关。 来保持水位以便自动供水。 SLDF 系列电磁阀是是使水柱的变化随音乐的节奏而变化得 到不同的花型，达到花型效果。 各种控制管件的选择列于表。 球阀 :安装在电磁阀和管道之间 ,使用它的目的是为了 ,再安装调试时 ,便于调 9 节喷头内的水流量 ,以便到达用户想要的喷水高度和喷水花形大小。 手动截止阀 :安装在排水管处，相当于 闸阀 使用，条件不足时，可以用球阀代替，以便水池的清洗和换水。 直通式管接头 ：用于球阀、电磁阀和喷头之间的连接。 表 喷泉系统各控制器件选择表 球 阀 电磁阀 止回阀 手动截止阀 直通管接头 型 号 JLQ11F25C（ 6 个 ) JLQ11F20C（ 5 个） JLQ11F15C(5 个 ) SLDF 系列 下水 专用电磁阀 H12W JLJ/L11W JLJT11D 流量孔径 Φ 10mmΦ50mm Φ 15mmΦ150mm Φ 50mm Φ 50mm Φ 10mmΦ50mm 数 量 16 个 Φ 15mm（ 5 个） Φ25mm （ 6 个） Φ 20mm（ 5 个） 2 个 １ 个 32 个 工作压力 10MPa φ 50 以下 0～ φ 65 以上 ～ 616Mpa PN≤ 10MPa 图 片 ③ 喷泉照明灯具的选择 彩色低压水下灯：水下照明灯一般配置在水面下 5～ 10厘米处。 经查文献 [7]选择水下 灯具 如表。 表 水下 灯具选择 表 型号 直径 功率 电压 数量 颜色 照射高度 图片 SXLEDI24 100mm 5W 24V 8 只 红／黄 /绿／蓝 ～ 3m 名 称 参 数 10 说明：灯具 SXLEDI24 具有如下特点： 1)高节能 ； 2)寿命长 ； 3)多变幻 ； 4)利环保 ； 5） 高新尖。 水泵及电机的选择 潜水泵泵体 可以 完全浸于水中工作，其电动机和水泵的运动部件都是利用水来润滑，所以不会产生过高的水温，效率较 高，既减少了机械损失又减少了水头损失。 查 JB/T80921996 标准 [8]选择潜水泵的型号 列于表。 表 潜水泵的主要技术参数表 型 号 额定流量(m3/h) 额定扬程(m) 额定功率 （ kw） 额定转速(R/min) 额定电流(A) 额定电压(V) 配管内径(mm) 40 3 2860 380 50 喷水池的设计 喷水池的组成 喷水池由池底、池壁、喷水供水管、吸水管、溢水管、泄水管、补充剂水管等组成。 如图 所示： 排水管补充给水管供水管池底池壁溢水管 图 喷水池的组成示意图 喷水池的尺寸确定 由于喷泉的喷水范围为直径 2m,为使水滴不落到池外，在该范围的基础上，将其周围留 250mm 的余量空间，于是得喷水池的尺寸为的圆形水池 ，池壁高出地面 ，水深。 由此可以计算出水池的最大蓄水量为 ： 22 32 . 5 0 . 3 5 1 . 7 244dhVm    式（ ） 其平面俯视图如下： 11 1 图 喷水池的尺寸及管道和灯具布置图 1水下灯 2管道 3池壁 12 3 控制系统的设计 控制系统的方案设计 扬声器灯光 电磁阀 光电隔离 喷头 潜水泵变频器延迟放大单片机 S S R 图 控制原理图 方案：控制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成，其控制结构形式如图 所示。 该控制方案是通过对音乐信号的处理，将其转换成汇编程序存入单片机，使单片机唱歌，而且再改程序之中还加入其他控制语句。 由控制原理图可以看出。 单片机还需喷泉中 的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化，其中电磁阀对喷头控制思想是：预先是根据设计的花形种类和变化方式，通过对电磁阀的开闭进行组合，编制不同的控制字制成表存入单片机，当单片机执行程序时，通过查表的方式去取不同的花形，以达到预想的花形变化，这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。 同样，单片机对变频器的控制也与之类似，只不过控制字的编制是根据音乐的频率进行编制的，而且查表的方式也有所不同，这将在后面的内容中进行阐述；因而变频器根据所接受的信号，输出不同的频率值，以控制水泵的转速，进而达到控制喷泉管路中的流量，就可以控制 水柱的高度和花形大小了。 灯光和音响是由同一个 I/O 口经延迟放大电路后，使它们达到同步动作，而灯光之前须接一个固态继电器，以驱动灯具，并使之与单片机隔离。 单片机型号选择 确定 单片机型号 经查 INTER 公司主要单片机微处理器系列 MCS4 MCS5 RUPI4 MCS96等， 考虑到本设计的特点，需要将程序预先写入程序存储器，只有选择具有可擦除功能的程序存储器 [11]。 因此， 本次设计选择 MCS51系列的 8751 芯片作为控制核心。 13 控制系统的 硬件设计 系统组成 该硬件电路的核心是 8751 单片机，其片内具有 4KB 的 EPROM，无须外扩程序存储器；该系统中控制的对象，没有大量的运算和暂存数据，片内的 128B 的 RAM已足以满足容量要求，故不必进行片外的 RAM 扩展。 为了控制操作方便，在 P1 口增加了第一曲、第二曲、循环等选择功能。 考虑到本系统的控制特点：主要的数据处理时进行放音处理，如何将存入单片机中的音乐播放出来，这是一个关键，需要硬件和软件的协同工作。 因为 P1 口可以进行位寻址，用 口作为音乐和灯光输出口，当定时器 T0 的计数值到后，就对 口取反，即产生相应频 率的方波。 由于系统中的电磁阀数量较多，且每个电磁阀都需要一个控制信号，同时还有变频器的控制，所以单片机的输出口点数不够，故需进行输出口的扩展，以便电磁阀和变频器的控制，也方便今后其它控制动作改造。 此处 选择 8155 芯片作为扩展控制芯片 ， 因为 8155 芯片内具有 256 个字节的 RAM，两个 8位、一个 6 位的可编程 I/O 口和一个 14位的计数器，与 MCS51 接口简单 ，并将 PA、 PB、 PC 口作为输出接口 [12]。 为了使音响和花形变化同步，系统采用了硬件延时电路，其电路设计将在后面进行；为了实现强电与弱电之间隔离，采用了 光电隔离电路。 系统中还选用了SSR(Solidstatereleys)作为水下灯的驱动和单片机之间的隔离，它是一种无触点通断的电子开关 ,为四端有源器件。 其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离 (浮空 )。 在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态 (无信号时呈阻断状态 )，从而控制较大负载。 整个器件无可动部件及触点，可实现常用的机械式电磁继电器一样的功能。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长、 对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点。 因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统电磁继电器之势，并且可以进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域 [13]。 根据以上叙述，现将方案一转换成硬件电路接口图，即成为本设计的音乐喷泉控制系统原理图，应用电子 CAD 绘出其图形见附录 A 所示。 8155 的初始化 将 8155 的地址 /数据复用线 AD0～ AD7与 8751 单片机的 P0 口相连，作为数据的内外传递，使片选信号 CE 接地，让芯片始终被选中。 I/0 口、存储器 RAM 选择信号（ IO/M）与 相连作为地址选通信号，低电平有效，即选择 I/O 口作为输出口。 RESET 与 口相连，即采用软件复位，以减少复位电路，节约设计成本，其他引脚连接如硬件原理图附录 A 所示。 14 于是根据下面两个表可以写出 8155 的 RAM 和各端口地址及命令字。 即： RAM 地址： 000H～ 00FFH 命令口： 0100H PA 口 : 0101H PB 口： 0102H PC 口： 0103H 命令字： 0FH 8155 的初始化程序如下： CLR ； 8155 复位 SETB CLR SETB ； 8155IO/M=1 选择使用在输出输入口 MOV DPTR， 100H ；命令 /状态寄存器地址 100H（指向命令口） MOV A,0FH ；设定命令 /状态寄存器 PA， PB， PC为输出 MOVX @DPTR， A ；写入命令字 表 8155 端口地址表 IO 口 命令口 PA PB PC 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 十六进制数 0100H 0101H 0102H 0103H 15 表 8155 命令字表 TM2 TM1 IEB IEA PC2 PC1 PB PA 命令字 0 0 0 0 1 1 1 1 0FH 变频器的选择 ①变频器 工作控制 的 原理 根据设计要求，浪花与音乐要保持同步， 在此 提出了以下 3 点问题： 1） 怎样实现喷泉与音乐的同步 ； 2） 变频器能否瞬时响应 ； 3） 整套设备的调试和绝缘安全性。 为此根据要求对同步控制的可行性进行分析 如 下 ：利用音乐的音频信号对变频器进行控制，音乐的音频信号本身是一个功率很小的交流电压信号，经过整流滤波稳压可以输出一个相对应的直流电压信号，相对来讲该信号很微弱，再经过对该信号进行功率放大，可以输出 0－ 5V 的标准直流电压信号，即可以实现音频信号对变频器的控制，即对水泵浪花的控制，从而实现音乐对喷泉浪花的控制。 为了达到这一控制原理，下面对通用性的变频器的工作原理进行了简单的介绍： 控制电路 1— 整流部分 2— 滤波部分 3— 逆变部分 4— 控制部分 5— 负载 图 通用变频器基本电路 通用变。