花式音乐喷泉毕业设计论文

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1、绪论1设计要求2设计原理2设计意义2第1章 音乐喷泉总体设计31.1 音乐喷泉布局31.2 音乐喷泉运行控制要求3第2章 音乐喷泉系统硬件设计42.2 音乐喷泉系统组成42.3声音传感器选型42.4PLC选型52.5模拟量扩展模块62.6变频器选型72.7水泵电机选型82.8 喷泉控制原理与I/O分配92.9主电路图及外部电路控制图9第3章 音乐喷泉控制软件程序开发. 113.1PLC编程语言113.2顺控继电器指令简介12第4章 调试与安装144.1 硬件调试144.2 编程软件简介及软件调试144.3 硬件配置要求15第5章 总结1717绪论喷泉是一种将水和其他液体经过一定压力通过喷头喷洒

2、出来具有特定形状的组合体，提供水压的一般为水泵。喷泉景观概况来说可以分为两大类：一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景建造而成，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。这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，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、激光水幕电影等。喷泉原是一种自然景观，是承压水的地面露头。园林中的喷泉，一般是为了造景的需要，人工建造的喷泉具有装饰性。据记载，早在我国汉代的上林苑中，就有铜龙吐水，这就是一种人工的喷泉，可见喷泉应用于园林已有二千余年的历史了。明代地理学家

3、徐霞客曾遍游我国山水风景，他在游历云南鸡足山时，发现一寺庙内有喷泉，曾作过如下在描述：（息阴）轩中水由亭沼中射空而上，其高将三丈，玉痕一缕，自下上喷，随风飞洒，散作空花，前观之，甚奇。他感到很疑惑：认为既然是在池中置管向上喷则水管中的水不一定是池水，而且水能喷得如此之高，又不外泄，并保持一定的高度，必定另有水源供水，彼下此上，与之等高，才保持平衡。经过他的调查研究，他终于发现在这喷泉附近的三丈高一个山崖上有水源，从山崖以锡管承接，并由地下埋伏数十丈至池沼中后，始向池心竖起之故。这大概是我国利用自然水设置人工喷泉的原始做法了。而现代城市中设置的喷泉已十分先进，游人和居民经常光顾的场所，我们可以看

4、到有各种各样的喷泉，这些喷泉有的是为了引人入目，有的是为了给生活或者节日带来喜庆的气氛，而有的变成了企业的一种精神象征1。与此同时喷泉可以湿润周围的空气，减少尘埃，降低气温。喷泉的细小水珠同空气分子撞击，能产生大量的负氧离子。因此，喷泉的存在改善了城市面貌，有益于人们的身心健康。目的：在很多地方都可见到人工音乐喷泉,它集光、色、音于一身,给人以美感。喷泉的控制系统可采用单片机,可编程序控制器PLC,甚至可采用工控机作控制核心。传统的喷泉控制一旦设计好控制电路,就不能随意改变喷水花样及喷水时间。若采用PLC控制系统,利用PLC体积小、功能强、可靠性高,且具有较大的灵活性和可扩展性的特点, 对音乐

5、特征的自动识别，通过改变喷泉的控制程序或改变方式选择开关,就可以改变花式喷泉的喷水规律,从而不需要改变硬件就可变换出各式花样,适合应用于大型广场或景区的喷泉中。要求：通过PLC，结合按钮、开关、电源电路，将软件和硬件有机的结合起来，设计系统简单可靠，快捷方便，能很好的满足要求，并能准确高效运转的花式喷泉。1) 按下启动按钮,喷泉控制装置开始工作;按下关闭按钮,喷泉控制装置停止工作.2) 喷泉的工作方式由花样按钮来自行选择.3) 花样选择开关用于选择喷泉的喷水花样.原理：由音乐传感器识别音乐频率特征，将其转换为模拟信号传送到PLC，PLC根据信号按照编写的程序控制变频器和水泵的运行意义：本设计利

6、用传感器采集音乐信号特征，使用可编程控制器控制花式喷泉，具有使用方便，运行可靠，控制程序设计简单等优点。采用变频调速技术,实现水泵无级调速，能根据音频信号强弱随时调节水泵速度。本设计能够通过程序使输出不同的结果，从而改变原来设定的喷泉花样。程序编写简便，查错方便，扩展能力强，有很大的发展空间和广泛的应用前景。第1章 音乐喷泉总体设计1.1 音乐喷泉布局本设计喷泉布局如图2-1，图中分别为喷水管编号，4号为中间喷水管，3号为内环状喷水管，2号为中环形状喷水管，1号为外环形状喷水管。图2.1 花式喷泉喷头布局示意图本设计的特点是4号喷水管，水柱高度能够随音乐变化，该喷水管所喷出的水柱为4组喷水管最

7、大，喷射高度为4组喷水管最高，为2-10（m）。3号喷水管所处的圆上由8个喷水管组成，该喷水管所喷出的水柱为比4号的水柱略小，所喷高度比4号的高度略底，所喷高度为1.5（m）。图1-1中2号喷水管所处的圆上由20个喷水管组成，该号所喷出的水柱比3号的水柱小，所喷高度比3号水柱低，所喷高度为1（m）。1号喷水管由30个喷水管组成，该组所喷水柱为4组中水柱最小，所喷高度最低的一组。所喷高度为0.5（m）。为了在每组喷水管工作时能够更好的欣赏，能区别4组所喷出的水柱，所以3号所处的圆的半径为R=2(m)，2号所处的圆的半径为R=4（m），1号所处的圆的半径为R=6（m）。1.2 音乐喷泉运行控制要求

8、控制要求如下：(1)喷泉控制电源开关接通后，按下启动按钮，喷水装置即开始工作，4号喷水管，水柱高度随音乐变化，其余3个则进行花式喷水。按下停止按钮，则停止喷水。工作方式由“选择样式”和“连续循环”来决定。(2)选择“选择样式”时，喷泉只循环运行一个喷水样式；选择“连续循环”时，所有喷水样式连续循环运行。(3)方式选择开关用以选择喷泉的喷水花样，24号喷水管的工作方式选择如下：1)选择开关在位置“1”按下启动按钮后 ，喷泉13号水管的工作顺序为： 123按顺序延时5s喷水，然后一起喷水10s后，1、2、3水管分别延时5s停水，停顿5s后开始下一个循环；2)选择开关在位置“2”按下启动按钮后，1、

9、3号同时喷水，延时5s后，2、3号同时喷水，延时5s后，1、,2号同时喷水，延时5s后开始下一个循环；3)选择开关在位置“3”按下启动按钮后由321反序分别延时5s喷水，然后再一起喷水10s，为一个循环。 (4)不论在什么工作方式，按下停止按钮，喷泉立即停止工作，所有存储器复位。第2章 音乐喷泉系统硬件设计本设计以PLC为控制核心，通过传感器把音乐特征给PLC，通过程序控制变频器驱动水泵电机，使喷泉的喷射水柱高度随音乐变化。2.2 音乐喷泉系统组成首先由音乐传感器识别音乐频率特征，将其转换为模拟信号传送到PLC，PLC根据信号按照编写的程序控制变频器和水泵的运行，。2.3 声音传感器选型人们的

10、听觉最直接的感受就是声音的响度，响亮度是声音的一个重要特性，因此本音乐喷泉把乐曲的响度值做为识别的音乐特征。声音的相对响度一般用分贝做计算单位。BR-ZS1型分贝模块内置高灵敏度传感器、数据采集模块。使声音响度信号不失真的以05V电压或420mA电流等工业标准输出，直接与用户的PLC配套使用，实现对现场声音的实时监控，精度高、通用性强、性价比高成为其显著的特点，被广泛用于各种声音测量领域。测量范围：30120dB(A)；频率范围：20Hz12.5kHz，最大误差：0.5dB，供 电：220V市电或24V DC 。2.4 PLC选型S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场

11、合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展

12、模块。（1）输入/输出扩展模块 S7-200 CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。S7-200 PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25s，1

13、2位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25s，D/A转换时间100s，位数均为12位。基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5VDC工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。（2）热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离

14、接口。用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。（3）通讯扩展模块 除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-i接口扩展模块（CP243-2）。2.5 模拟量扩展模块在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控

15、制器用于模拟量控制。EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。用户通过DIP开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。假设模拟量的标准电信号是A0Am（如：420mA），A/D转换后数值为D0Dm（如：640032000），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系Af

16、（D）可以表示为数学方程：A（DD0）（AmA0）（DmD0）A0。根据该方程式，可以方便地根据D值计算出A值。将该方程式逆变换，得出函数关系Df（A）可以表示为数学方程：D（AA0）（DmD0）（AmA0）D0。为了减小音乐杂音带来的误差，本程序采取一段时间内的平均值做为模拟量输出值。2.6 变频器选型变频器是采用交-直-交电源变换技术、电力电子技术、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品，它通过改变电动机工作电源频率从而达到改变电动机转速的目的。它是水泵电机调速的执行者，在音乐喷泉控制系统中起着非常重要作用。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： (2-1)式

17、中，n表示电机转速；f表示电源频率；s表示电机转差率； P表示电机磁极对数。 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 实际上，若仅改变电源的频率则不能获得异步电动机满意的调整性能。因此，必须在调节 的同时，对定子相电压 也进行调节，使 与 之间存在一定的比例关系。故变频电源实际上是变频变压电源，而变频调速准确的称呼应是变频变压调速，其英文术语为Variable Voltage Variable Frequency，又简称为VVVF调速器。本系统选择德力西CDI9000系列变频器。2.

18、7 水泵电机选型水泵是喷泉的主要动力设备，合理的选择泵型是喷泉设计中的一个重要环节，它对保证喷泉质量，降低工程造价及运行费用都有重要意义15。经过比较我们选择QYP型园林喷泉用潜水电泵。QYP型园林喷泉用潜水电泵是由充油式潜水电机与离心式水泵同轴联接组成。广泛应用于各种各样的音乐水景喷泉上配套使用、水产养殖、鱼塘增氧、防洪排涝等领域。 具有以下特点：泵电一体，结构紧凑； 无需引水、使用简便双端密封、电器保护； 设计合理、性能优良。使用条件：电泵出水口流量不得大于额定值；潜水深度不超过5米； 水温不超过+40； PH值应在5-9之间。 图3.2 QYP型园林喷泉用潜水电泵2.8 喷泉控制原理与I

19、/O分配(1)喷泉控制电源开关接通后，工作方式由“选择样式”、和 “连续循环”开关来决定。 (2)选择样式时，喷泉只循环运行一个样式；连续循环时，喷泉所有样式连续循环运行。按下启动按钮，喷水装置即开始工作。按下停止按钮，则停止喷水。按下“连续循环1”SB3按钮后，循环运行第一个喷水样式，直到按下停止按钮，SB4和SB5与之相同：按下“连续循环”SB2后，3个样式开始依次循环运行喷水。根据控制要求，本设计的I/O分配表见表2.1。表2.1 I/O分配表输入信号输出信号序号功能元件地址序号控制对象元件地址1启动按钮SB0I0.011号接触器KM1KM1Q0.02停止按钮SB1I0.122号接触器K

20、M2KM2Q0.13连续循环SB2I0.233号接触器KM3KM3Q0.24选择样式1SB3I0.344号接触器KM4KM4Q0.35选择样式2SB4I0.46选择样式3SB5I0.52.9PLC外部接线图和主电路图PLC外部接线图主电路图第3章 音乐喷泉控制软件程序开发3.1PLC编程语言(1)梯形图编程语言梯形图是PLC模拟继电器控制系统的编程方法。它由触点、线圈或功能方框等构成，梯形图左、右的垂直线称为左、右母线。画梯形图时，从左母线开始，经过触点和线圈（或功能方框），终止于右母线。在梯形图中，可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过，直到下一个元件；触点断开将阻止能量流

21、过。这种能量流，我们称之为“能流”。实际上，梯形图是CPU仿真继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制条件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。 梯形图中的基本编程元素有触点、线圈和方框。触点代表逻辑控制条件，触点闭合时表示能量可以流过。触点分常开触点和常闭触点两种形式。线圈通常代表逻辑“输出”的结果，能量流到，则该线圈被激励。方框代表某种特定功能的指令，能量流通过方框时，则执行方框所代表的功能。方框代表的功能有多种，如：定时器、计数器等等9。 梯形图的设计应注意以下三点： 1)每一逻辑行起始于左母线，然后是触点的串、并联接，最后是线圈与右母线相联。 2)梯形图中每个梯级

22、流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。 3)输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。 (2)语句表编程语言 指令语句表示一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式，但比汇编语言易懂易学。一条指令语句是由步序、指令语和作用器件编号三部分组成。 (3)顺序功

23、能图 它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程。3.2顺控继电器指令简介顺序控制编程方法规范，条理清楚，且易于化解复杂控制间的交叉联系，使编程变得容易。因而许多PLC的开发商在自己的PLC产品中引入了专用的顺序控制编程元件及顺序控制指令，使顺序控制编程更加简单易行。西门子公司在S7-200系列PLC中设置了顺控继电器及顺控继电器指令用于顺序控制。编程元件的编号为S0.0S31.7,可实行位、字节、字及双字寻址。在作为顺控继电器使用时，为位寻址。配合顺序继电器使用的指令为顺控继电器指令。其中装载SCR指令标示一个状态的开始，有激活SCR程序段的功能。SCRT指令称为SCR传输指令，用于

24、说明步序状态的转移去向。而SCRE指令为状态程序段得结束指令。在采用专用的顺控继电器指令编程时，新激活的步序有自动关闭前步序程序的功能，而不用像启-保-停电路或复置位指令组织的顺序控制程序那样需在程序中采用专门的措施，这就给编程带来了不少的方便。本设计选用顺控继电器指令进行编程，设计程序见附录I。第4章 调试与安装4.1 硬件调试硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器，检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。(1)静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有断点。 第二步：用万用表测试。先用万用表复核目测

25、中有疑问的连接点，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值。第四步：联机检查。因为只有用可编程控制器开发系统才能完成对用户系统的调试。 (2)动态调试 动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排除用户系统硬件中存在的器件内部故障、器件连接逻辑错误等的一种硬件检查11。动态调试一般方法是由近及远、由分到合。 4.2 编程软件简介及软件调试可编程控制器的资源系列中还应包括编程设备，这是将应用程序写入PLC的设备。早期编程器用的较多，其特点是体积小，携带方便，适合于现场使用。但编程器只能使用语句表编程，不如图形化编程设备好用

26、。目前应用最多的图形化编程设备就是个人计算机，在试验办公场所用台式机，在现场用笔记本电脑。计算机编程需专用的软件，比如西门子S7-200系列可编程控制器使用的STEP7-Micro/WIN32编程软件，三菱FX系列PLC使用的FXGPWIN编程软件等。这些软件一般都具有编程和程序调试等多种功能，是PLC用户不可缺少的开发工具。用STEP7-Micro/WIN32编程软件将应用程序写入PLC，它的基本功能是协助用户开发应用软件。在STEP7-Micro/WIN32环境下可创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，实现用户所编辑程序的管理。该软件还具有语法检查功能，可在编程中检查用户程序的语法错误。

27、利用该软件的监控功能还能实现用户程序的调试及监控。STEP7-Micro/WIN32编程软件主界面包含的分区有：菜单条、工具条、引导条、指令树、用户窗口、输出窗口、和状态条。软件的大部分功能，如程序的编制、编译、调试相关的组态等工作，在离线工作方式计算机并未和PLC链接时即可实现，部分功能需在在线情况下实现。软件调试是通过对用户程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程12。程序编辑后，查看程序是否有逻辑的错误。如果出现故障，依据软件的监视功能，我们能发现问题所在，发现梯形图的错误并修改再进行调试，如此反复直到调试成功。4.3 硬件配置要求工业生产现场环境条

28、件一般是比较艰苦，干扰源众多。尽管可编程控制器是专门在生产现场使用的的控制装置，但它对使用现场、环境温度等还有一定要求。安装环境的要求*环境温度应该在 0-55摄氏度的范围。*相对湿度不超过85%。*不能太阳直接照射。*不能有腐蚀和易燃的气体。*不能有大量的铁屑和灰尘。*不能有连续的振动，振动频率为10-55Hz，幅度为0.5mm。*不能有超过10g（重力加速度）的冲击。接线及电源(1)布线：动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线

29、最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度13。(2)电源：PLC的供电电源为50Hz、220V交流市电。S7-200系列可编程控制器有直流24V输出接线端，该接线可谓输入传感器提供24V电源。对于电源线来的干扰，可编程控制器本身具有足够的抵抗能力。如果电源干扰特别严重，可以安装一个变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。接地 良好的接地是保证可编程控制器可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害14。接地线以机器的接地端相接，基本单元接地，如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给可编程控制器

30、接以专用地线，接地点应与动力设备的接地点分开。若达不到这种要求，则也必须做到与其他设备公共接地，禁止与其它设备串联接地。接地点应该尽可能靠近可编程控制器。第5章 总结本文在分析喷泉的发展和现状的基础上，结合我国中喷泉的现状，设计了一套以PLC控制技术为基础的喷泉自动控制系统，采用传感器和PLC，通过变频器实现了喷泉水柱随音乐的变化而变化。在这次毕业设计中有如下认识：1、系统的分析与设计过程也是对学习的总结过程，更是进一步学习和探索的过程。在这个过程中，对利用可编程控制器进行控制系统的设计与开发有了深刻地认识，对音乐喷泉的工作原理也有了进一步的掌握，对控制系统的设计与分析切身的认识和体会，并在学习和实践中 增长了知识、丰富了经验。控制系统的开发是一个复杂繁琐的工程，必须严格按照系统分析、系统设计、系统实施系统运行调试的构成来进行。2、本次设计中，大致步骤经过了查找资料、熟悉软件、编写程序、绘制梯形图等几个阶段，这些都是需要我们亲手去实践的。做毕业设计这段时间虽然很累但是过的很有意义，使自己学到了很多的知识。通过我们的合作，完成了这次设计，同时也培养了我们的团队合作的精神。3.任何设计没有硬件支持的设计都是空谈，在本次设计中，我对所用器件进行了选择，这是以前所没有涉及的。所有器件选择都要遵循一定的规范，使我认识到任何设计都要以现行器件为基础。