農(nóng)村養(yǎng)老院小型噴泉設(shè)計(jì)

岳 睿

（1.無(wú)錫市環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，江蘇 無(wú)錫 214153；2.無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

前言

目前農(nóng)村養(yǎng)老院場(chǎng)景單調(diào)，荷塘沉寂，也缺乏生機(jī)，很多老年人患上抑郁癥，假如能設(shè)計(jì)一種音樂(lè)噴泉，水花變化大，又有音樂(lè)聲，就能滿足很多農(nóng)村養(yǎng)老院老年人的養(yǎng)老需要。噴泉概念最早由德國(guó)人提出。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，音樂(lè)噴泉的設(shè)計(jì)進(jìn)步不大，尤其缺少一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉音樂(lè)噴泉。音樂(lè)噴泉可以同水幕電影、激光表演和舞臺(tái)表演相結(jié)合，產(chǎn)生美妙絕倫的藝術(shù)效果。音樂(lè)噴泉是近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種園林建筑與音樂(lè)欣賞相結(jié)合的產(chǎn)物，變化萬(wàn)千，引人入勝。噴泉是人工環(huán)境中觀賞價(jià)值最高、最富有生命力的理想景觀之一。其規(guī)模可大可小，射程可高可低，噴出的水，大者如珠，細(xì)者如霧。如能設(shè)計(jì)出壁泉、涌泉、霧泉、管流、溪流、瀑布、水簾、跌水、水濤、漩渦等就更能怡情娛人。這些年計(jì)算機(jī)無(wú)論是軟件還是硬件技術(shù)都在迅猛發(fā)展，新型噴泉與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系越來(lái)越密切。音控噴泉也越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越精密。因此系統(tǒng)中越來(lái)越多的控制部分離不開計(jì)算機(jī)。這使得計(jì)算機(jī)控制音控噴泉無(wú)疑成為必然趨勢(shì)。但噴泉工程仍存在一些技術(shù)難題。主要表現(xiàn)為明顯的水聲滯后效應(yīng)等視音不同步、控制滯后、成本昂貴等問(wèn)題。對(duì)于如今廣泛研究音樂(lè)噴泉的熱潮，單片機(jī)成為當(dāng)代控制簡(jiǎn)單可靠且能夠適應(yīng)市場(chǎng)需求。所以本文設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51作為核心芯片進(jìn)行音樂(lè)噴泉的設(shè)計(jì)。

1.總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)目的

作為一種人造環(huán)境工程項(xiàng)目，音樂(lè)噴泉將音樂(lè)的美和噴泉有機(jī)地結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。眾多的采用不同控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)音樂(lè)噴泉的方法中，究竟怎么樣實(shí)現(xiàn)才能達(dá)到最優(yōu)的控制以及給人最美的觀賞效果？目前在諸多音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)中，不管是采用繼電器控制或電磁閥對(duì)音樂(lè)噴泉進(jìn)行控制（開關(guān)及噴泉揚(yáng)程控制），由于無(wú)法對(duì)電動(dòng)機(jī)或其他控制閥進(jìn)行調(diào)速，所以這些方式都存在反應(yīng)速度慢的弱點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于音樂(lè)與噴泉的同步實(shí)時(shí)問(wèn)題，在控制系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速，通過(guò)變頻器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到快速反應(yīng)的目的。音樂(lè)噴泉就是要求在音樂(lè)的伴隨下，噴泉的高度、燈光的強(qiáng)度、色彩以及噴泉的造型隨音樂(lè)的音量而變化，通過(guò)對(duì)各種不同的音樂(lè)進(jìn)行選擇播放，以及對(duì)不同音頻信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)化等處理后，利用編制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂(lè)噴泉的實(shí)時(shí)控制。

1.2 設(shè)計(jì)思路

音樂(lè)噴泉的控制系統(tǒng)，要求具備如下功能：（1）樂(lè)曲播放；（2）水型與樂(lè)曲同步；（3）水型的演示的控制；（4）彩色燈光的控制；（5）強(qiáng)制停止功能。如何能簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)音樂(lè)噴泉的以上功能及經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度等方面，選擇單片機(jī)控制系統(tǒng)。與繼電器、接觸器系統(tǒng)相比，單片機(jī)控制系統(tǒng)大大降低了成本。其優(yōu)點(diǎn)有：可以做成專用的控制系統(tǒng)，程序被固化，保密性強(qiáng)，可靠性較高，操作簡(jiǎn)單，更重要的是易于維護(hù)。在諸多小型音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)中，單片機(jī)作為控制核心應(yīng)最適合。由普通音箱等發(fā)出的音頻信號(hào)經(jīng)整流濾波放大及控制系統(tǒng)對(duì)其幅值調(diào)整后，得到的調(diào)幅電壓信號(hào)送給變頻器的速度控制端以控制噴泉水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，從而使噴泉水泵噴水的高低隨音樂(lè)節(jié)律的變化而不斷變化。為實(shí)現(xiàn)多組噴泉和彩燈的交替運(yùn)行的切換，系統(tǒng)可以按用戶選擇的程序模式輸出時(shí)序開關(guān)信號(hào)去控制多路固體繼電器，由固體繼電器的接點(diǎn)控制水泵電機(jī)和彩燈的啟動(dòng)與停止。

1.3 設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由音樂(lè)輸入系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)AT89C51控制。輸入輸出控制系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)工作原理為養(yǎng)老院的噴泉中的音樂(lè)信號(hào)由電腦聲卡中采集出來(lái)，再由音響設(shè)備播放，然后信號(hào)采集，電路被放大、整流、濾波后輸出的0－5V直流電，再將輸出的0－5V直流電送入變頻器。此時(shí)音頻信號(hào)由控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，輸出一個(gè)控制信號(hào)，來(lái)控制水泵的開關(guān)。接收到信號(hào)的變頻器開始快速起動(dòng)，并帶動(dòng)運(yùn)水電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨音樂(lè)頻率的改變而改變。與此同時(shí)噴泉水花樣式不斷變更。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樂(lè)曲演奏、噴泉高度與水花樣式的改變、彩燈不停變化等功能。不同頻率的信號(hào)只要由單片機(jī)控制輸出，就可以產(chǎn)生不同的噴泉音樂(lè)的音調(diào)。AT89C51的計(jì)時(shí)系統(tǒng)用來(lái)控制各個(gè)養(yǎng)老院的噴泉音樂(lè)的音調(diào)的時(shí)間。其噴泉的噴頭及彩燈分別與相應(yīng)輸出點(diǎn)連接，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)每種音調(diào)都對(duì)應(yīng)一組輸出點(diǎn)音樂(lè)開關(guān)狀態(tài)，養(yǎng)老院的噴泉就實(shí)現(xiàn)了樂(lè)曲控制噴泉的水花以及高度等動(dòng)作。由普通音箱等發(fā)出的音頻信號(hào)經(jīng)整流濾波放大后，得到的調(diào)幅電壓信號(hào)送給變頻器的速度控制端，以控制其水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使噴泉水泵噴水的高低以及水花樣式隨音樂(lè)節(jié)奏進(jìn)行多種變化。為實(shí)現(xiàn)多組噴泉和彩燈的交替運(yùn)行的切換，系統(tǒng)可以按用戶選擇的程序模式輸出時(shí)序開關(guān)信號(hào)去控制多路固體繼電器，水泵電機(jī)和彩燈的啟動(dòng)與停止由固體繼電器的接點(diǎn)來(lái)控制。

2.硬件設(shè)計(jì)

由于使用了運(yùn)算放大器，利用它的對(duì)稱性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其他方面的性能。正因?yàn)樗膬蓚€(gè)輸入端，構(gòu)成了整個(gè)電路的反向輸出端和同向輸入端。采用對(duì)稱雙電源可使電路簡(jiǎn)化，在進(jìn)口的電子設(shè)備中，可以經(jīng)?？吹接脠D示這種正負(fù)電源，對(duì)運(yùn)放集成塊供電的電路。在電源變壓器功率容量足夠的前提下，適當(dāng)加大電容容量和變壓器次級(jí)繞組線徑，該電路也可用于小功率的音頻功放作正負(fù)對(duì)稱雙電源供電，如果噴嘴的電磁控制器必須需要較大的電流，可以使用一個(gè)較大的電源變壓器。本電路也只適用于較小的系統(tǒng)。

2.1 單片機(jī)型號(hào)選擇與概述

養(yǎng)老院的音樂(lè)噴泉的單片機(jī)有四個(gè)數(shù)據(jù)輸出端口，P0口、P1口、P2口、P3口。由于P3口還有許多讀寫控制、串行通信、外部中斷等特殊功能，所以P3口不用作數(shù)據(jù)輸入輸出端口。P0口帶負(fù)載的能力很很強(qiáng)，用作地址總線低八位以外同時(shí)還兼作訪問(wèn)外接擴(kuò)展程序內(nèi)存時(shí)數(shù)據(jù)總線以及與A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809L連接的資料線。P1口、P2口帶負(fù)載能力相對(duì)比教弱，而P2口需要用作訪問(wèn)外接內(nèi)存的高八位地址線，因此P2口也不作為數(shù)據(jù)輸入輸出口，剩下的P1口作為資料輸出口。2.3.2時(shí)鐘電路的設(shè)AT89C51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。

2.2 音樂(lè)轉(zhuǎn)換

音樂(lè)噴泉奏曲信號(hào)電路的框圖如圖1所示。

圖1 奏曲信號(hào)電路

聲卡上采集回來(lái)的是幾十毫伏的交流電，不能直接送給變頻器使用。必須用電路將小的交流電轉(zhuǎn)換為大的直流電。圖2為對(duì)音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行處理的電路：

圖2 音樂(lè)信號(hào)處理圖

養(yǎng)老院的噴泉音樂(lè)的前置放大器的第一級(jí)為話筒放大器，音樂(lè)信號(hào)通過(guò)話筒MIC1進(jìn)入IC1放大。為保證噴泉有足夠的運(yùn)動(dòng)高度調(diào)節(jié)，這里R2、R3因根據(jù)不同的話筒選取不同的阻值。轉(zhuǎn)換開關(guān)S1可選擇不同的信號(hào)源。第二級(jí)電路主要作用是壓縮音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，使之與噴泉的運(yùn)動(dòng)范圍相適應(yīng)。噴泉隨音樂(lè)的變化均勻運(yùn)動(dòng)，不同的音源可通過(guò)調(diào)整R8的值來(lái)調(diào)整噴泉運(yùn)動(dòng)的均勻程度。第三級(jí)是輸出緩沖器，用來(lái)增加電路的帶負(fù)載能力。聲音傳感器就是MIC（麥克）放大電路，一般分為普通電路和高保真電路。主要是由MIC（麥克）和一些簡(jiǎn)單的外圍電路來(lái)完成聲音的放大功能。MIC是一種常用的能把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的聲電轉(zhuǎn)換器件。體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、壽命長(zhǎng)、頻率響應(yīng)范圍寬、靈敏度高、價(jià)格比較廉價(jià)，這些都是它的突出特點(diǎn)。構(gòu)成駐極體話筒（MIC）的核心器件是駐極體振動(dòng)膜。它實(shí)際上是一種經(jīng)永久性極化處理的電介質(zhì)，內(nèi)含有一片蒸金薄膜和一金屬極板。在它們之間通上一高壓電場(chǎng)，因此就形成了一個(gè)可變間隙的電容器。當(dāng)駐極體膜片受到聲波作用而振動(dòng)時(shí)，電容器兩端的電場(chǎng)就發(fā)生變化，從而產(chǎn)生隨聲波變化的交變電壓信號(hào)。

3.軟件設(shè)計(jì)方面

3.1 主程序流程

程序利用了R6和R7兩個(gè)寄存器分別作為花樣和音樂(lè)的標(biāo)志，初始化都為0，用到了兩個(gè)外部中斷和一個(gè)定時(shí)器。兩個(gè)按鍵接兩個(gè)外部中斷，按鍵1使得R7在1和2之間切換。當(dāng)按下按鍵1時(shí)產(chǎn)生外部中斷1，中斷程序使得R7加1；當(dāng)R7為2時(shí)使之為0，用程序檢測(cè)R7的值，R7等于1時(shí)播放第一首歌曲，等于2時(shí)播放第二首歌。按鍵2使得R6在0～4之間切換。當(dāng)按下按鍵2時(shí)產(chǎn)生外部中斷0，中斷程序使得R6加1。當(dāng)R6為4時(shí)使之為0，根據(jù)R6的值來(lái)切換LED的花樣。R6和R7的值是互斥的，設(shè)置R7等于1、2時(shí)，R6同時(shí)設(shè)置為0。設(shè)置R6等于1～4時(shí)，R7也同時(shí)設(shè)置為0。歌曲播放的設(shè)計(jì)：利用定時(shí)器0發(fā)出不同頻率的方波從P3.7輸出，使蜂鳴器發(fā)出不同的音調(diào)，然后延時(shí)控制音調(diào)的節(jié)拍。當(dāng)程序檢測(cè)到R7不為0時(shí)調(diào)用音樂(lè)子程序，先將歌曲的簡(jiǎn)譜進(jìn)行編碼，儲(chǔ)存在一個(gè)編碼表中。在子程序中從對(duì)應(yīng)的編碼表中取出一個(gè)數(shù)，然后分離出高4位得到音調(diào)，接著找出程序相應(yīng)的值賦給定時(shí)器0，使之定時(shí)操作喇叭得出相應(yīng)的音調(diào)。同時(shí)從P1口輸出相應(yīng)的值使得八路LED燈隨著音樂(lè)變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。接著分離出該數(shù)的低4位得到延時(shí)時(shí)間，調(diào)用軟件延時(shí)?；訜舻脑O(shè)計(jì)：一共設(shè)計(jì)了四種花樣，即花樣一是一半燈循環(huán)移動(dòng)，花樣二是八個(gè)燈循環(huán)閃爍，花樣三是高低四位輪流亮，花樣四是有八個(gè)燈循環(huán)被點(diǎn)亮和熄滅。R6的值為1～4一次對(duì)應(yīng)花樣的1～4，當(dāng)程序檢測(cè)到R6的值不為0時(shí)就調(diào)用與其值相對(duì)應(yīng)的花樣的子程序。

3.2 播放音樂(lè)子程序

歌曲簡(jiǎn)譜的編碼規(guī)則：do、re、mi、fa、so、la、si分別編碼為1～7，重音do編為8，重音re編為9，停頓編為0。播放長(zhǎng)度一十六分音符為單位（在本程序中為165ms），一拍即四分音符等于4個(gè)十六分音符，編為4，其他的播放時(shí)間以此類推。音調(diào)作為編碼的高4位，播放時(shí)間作為低4位，如此音調(diào)和節(jié)拍就構(gòu)成了一個(gè)編碼。以ffH為曲譜的結(jié)束標(biāo)志。舉例1：音調(diào)do，發(fā)音長(zhǎng)度為兩拍，集二分音符，將其編碼為18H。舉例2：音調(diào)re，發(fā)音長(zhǎng)度為半拍，集八分音符，將其編碼為22H。確定定時(shí)器0對(duì)應(yīng)于音調(diào)的初值：假設(shè)要得到500HZ的聲音。500HZ的聲音信號(hào)每個(gè)周期為2ms，即2000us。假設(shè)單片機(jī)采用12MHZ的晶振，每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為12/12M=1us。故單片機(jī)操作（對(duì)與蜂鳴器相連的I/O口取反）一次蜂鳴器的時(shí)間間隔為2000us/1us/2=1000個(gè)機(jī)器周期。故給工作在方式1的定時(shí)器0賦初值C=[t/MC]補(bǔ)=模-[t/MC],C=(3E8H)補(bǔ)=10000H-[3E8H]=FC18H，TH0=#FCH,TL0=#18H。音樂(lè)播放程序START-MU：ORG JMP ORG JMP START：MOV 00H；START；0BH；TIM0；TMOD，#01H 。

3.3 電氣控制電路設(shè)計(jì)

（1）總電路設(shè)計(jì)：該控制系統(tǒng)的核心設(shè)備為PLC、EM235模擬量輸入輸出模塊、MM430變頻器。（2）燈光控制部分：噴泉的燈光控制，無(wú)論噴泉運(yùn)行固定程序部分還是音樂(lè)控制部分，都按事先設(shè)定的程序變化。（3）噴泉的音樂(lè)控制部分：當(dāng)需要使用音樂(lè)噴泉時(shí)，此時(shí)可按按鈕SB1，PLC的模擬量輸入輸出模塊EM235將采集播放音樂(lè)的音頻強(qiáng)度，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、比較運(yùn)算，然后將結(jié)果輸出到變頻器的模擬量輸入端口AIN1的3、4端，控制變頻器的輸出頻率。從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制噴泉水柱高度的目的。（4）控制部分：一部分是固定程序運(yùn)行，另一部分是音樂(lè)控制。（5）固定程序部分：當(dāng)養(yǎng)老院的音樂(lè)噴泉不使用音樂(lè)時(shí)，按下停止按鈕SB2。可編程控制器運(yùn)行固定程序，此時(shí)MM430不動(dòng)作。（6）電機(jī)過(guò)載保護(hù)：當(dāng)水泵電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，程序停止該臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行，其他水泵電機(jī)正常運(yùn)行。

圖3 總控制框圖

結(jié)論

本設(shè)計(jì)適用于農(nóng)村養(yǎng)老院，當(dāng)然也適用于百貨商店、餐館、旅游景點(diǎn)、大型公園、露天電影院等。本控制系統(tǒng)是采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制，用變頻器實(shí)現(xiàn)噴泉的調(diào)速應(yīng)用，單片機(jī)可靠性高。本設(shè)計(jì)從養(yǎng)老院的噴池狀態(tài)中獲得決定噴射動(dòng)作的噴射方向數(shù)據(jù)原理，設(shè)計(jì)出主程序框圖以及噴泉中電路的看門狗子程序等，采用程序控制來(lái)控制水花的花形。所設(shè)計(jì)控制電路能控制燈光色彩和燈光光線明暗，使燈光色彩、燈光的閃爍和噴泉水流方向隨音樂(lè)節(jié)奏變換，適合農(nóng)村養(yǎng)老院老年人頤養(yǎng)天年。