噴泉在城市和社區環境建設中起著及其重要的作用。噴泉工程和的結合也使得噴泉的形式更加多樣化，實現效果更加多彩迷人。其中，音樂噴泉系統以聲、光、水、色、形俱美，實現了的藝術效果，已經成為城市景觀建設和表演劇場的重要組成部分，婀娜多姿、賞心悅目，可激起人們的沉思、詠嘆、驚喜、雀躍的情緒，并從中獲得水美的藝術享受。目前，很多廣場或公園，以及戶外演出中也采用音樂噴泉景觀設計，各類花樣的噴泉、彩色的燈光和優美的音樂形成一幅怡人的夜景，從而吸引著人們的目光，尤其在炎熱的夏季，令人流連忘返。

園林中的噴泉，一般是為了滿足造景的需要而進行人工建造的具有裝飾性的噴水裝置。此類噴泉可以濕潤周圍空氣、減少塵埃、降低氣溫。噴泉的細小水珠與空氣分子撞擊，能產生大量的負氧離子。因此，噴泉有益于改善城市面貌和增進居民身心健康。目前，城市化的發展及景觀建設的需要，使得音樂噴泉系統日漸被推廣應用。

一、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、舞臺水簾幕、激光水幕電影等。

1.1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，得到疊加的變化電流，通過此電流來控制水泵電機，從而驅動水泵隨著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，使得電機轉速隨著音樂的音調、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。

音樂噴泉控制系統是集聲、光、電于一體的復雜的現場控制系統。隨著變頻調速技術的不斷推廣，水泵專用變頻器已被廣泛用于水泵控制，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。隨著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、標準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，其輸出的標準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*功能可實現復雜的控制。

1.2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。

1.3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，信號低于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。

二、音樂噴泉系統的控制原理

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。音頻信號還用于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。水的形態會隨著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，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、程序控制技術于一體的控制系統，屬于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。

（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臺設備，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，性能優于后者，網絡現場總線屬于分布式控制系統，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。

三、音樂噴泉系統抗干擾措施

音樂噴泉系統集音樂、燈光、噴泉于一體，其電氣控制系統相對比較復雜，容易出現以下音頻信號干擾問題：

（1）從變頻器工作原理可知，當變頻器運行時，其輸入輸出側會產生豐富的諧波，此諧波信號通過傳導、輻射、耦合等方式對其他設備產生干擾。在設計時采用正確的布線和屏蔽線來消除感應方式的干擾傳播。在變頻器和變壓器之間串入交流電抗器，對高頻諧波電流進行抑制。通過接入無線電干擾抑制濾波器，抑制通過輻射傳播的干擾。

（2）音樂噴泉系統中諧波干擾信號經過音頻放大系統放大后，形成刺耳的噪音，并影響音樂的播放。為避免這種情況的發生，可采取以下措施：降低變頻器載波頻率；變頻器可靠接地，接地線采用線徑較粗的線，且接地點與變頻器距離要盡量短；變頻器輸入、輸出動力線盡量遠離音頻信號線和控制線，不要將動力線與控制線置于同一線槽中；音頻信號放大系統的電源盡可能與變頻器供電電源隔離等。

（3）諧波干擾信號會干擾變頻器的正常工作，噴泉水泵需隨音頻信號的強弱隨時調節轉速，這就要求變頻器響應速度快，在設計時要對變頻器選型及調節參數深入了解。一般情況下，一臺音樂噴泉變頻器要求控制多臺水泵，在選用時首先應保證變頻器的功能大于水泵功能總和，并至少預留10%的裕量，在變頻器參數設定方面，變頻器的加減速時間盡量短。但加減時間過短容易出現過電流保護，在使用時應特別注意。目前大多變頻器具有故障自恢復功能，在調試可將此功能打開，以避免誤信號引起變頻器報警停機。

四、基于單片機的室內音樂噴泉設計

目前在公共場所噴泉一般只是將音樂和噴泉高低簡單配合，無法真正體現音樂的旋律、節奏；或者是采用了高成本復雜的控制系統，搭建復雜的外圍電路實現功能；并且多數只能在現場觀賞，不能進入家庭。本文介紹基于AT89S52單片機控制的小型室內移動式音樂噴泉。它使用了較少的外圍器件和較為簡單的電路設計，成本低、體積小、水型變換多樣，實用性強，適合室內觀賞。

本系統采集音樂信號，根據音樂信號的強弱來控制水泵電機的轉速以及LED彩燈的亮滅。系統的總體結構如圖1所示，由音樂輸入部分、音響放大部分、單片機控制部分和1輸出控制部分組成。AT89S52單片機作為系統的主芯片，一方面采集音樂信號，另一方面依據采集到的音樂信號的強弱輸出延時不等的矩形波來控制可控硅的導通時間，進而控制水泵電機的轉速，從而達到控制噴水高度的目的。彩燈的亮滅也由單片機依據音樂采樣值的大小來控制。

五、室內音樂噴泉系統硬件設計

音樂噴泉硬件系統由單片機電路、音頻電路、步進電機控制電路、彩燈控制電路、電源電路等組成。

5.1單片機電路

單片機要采集音樂信號，并據此調節I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89S52單片機。采用Atmel公司的擅長處理多開關量的標準單片機AT89S52作為控制器。AT89S52是一個低功耗，高性能的51內核的CMOS8位單片機，片內含8k空間的可反復擦些1000次的Flash只讀存儲器，具有256bytes的隨機存取數據存儲器(RAM)，32個I/O口，1個看門狗定時器，3個16位可編程定時器，具有ISP功能，能夠滿足設計要求。使用簡單且價格非常低廉。故系統的主控制器采用此方案。

5.2音樂信號的采樣

（1）音頻功放：音頻電路由音響放大器和音樂預處理電路兩部分組成。音響放大電路將音樂外放，包括兩級放大和一級功放。音樂預處理電路是將音頻信號經由放大濾波輸入到單片機供片內AD采集。整個系統采用單電源5V供電，選用可以使用單電源供電的運算放大器LM324。功放由4V～12V供電，功率由可達1.25W的LM386完成，可以推動喇叭達到揚聲器的作用。信號經音頻電路初步處理后送入單片機內部AD，由定時器控制以8k采樣率采集音樂信號。

（2）音樂控制：音樂信號是一個相當復雜的量，實踐證明，采用國際標準音量計量單位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(volumeunit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，提高控制效果并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。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，如中頻段一般用于控制“雪松”、“”等水花型，中高頻段一般用于控制“旋轉”、“擺動”、“直射”等。

（3）AD轉換電路：輸入的電壓為交流模擬量，不能直接送入單片機進行處理。因此首先采用全橋整流，濾波。使其成為直流信號，再采用了ADC電路。其中AD芯片為ADC0832。ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。串行通信節約單片機I/O資源。AT89S52與ADC0832采用SPI串行接口方式，將ADC0832的CS和CLK分別接單片機的P0.0和P0.1引腳，將D1和D0分別接P0.2和P0.3引腳。對CH0通道的模擬信號實行A/D轉換，轉換結果傳送給數組mo_shu。

5.3步進電機控制

文中所控制的步進電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進電動機。本文所設計的步進電機控制驅動器由AT89C52單片機、光電耦和器、集成芯片L297和L298組成。L297是步進電動機控制器(包括環形分配器)，L298是高壓、大電流雙全橋式驅動器雙H橋式驅動器。其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機。具有兩抑制輸人來使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的，相應外接線端可用來連接外設傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個引出腳的高功率直插式封裝的集成芯片。AT89S52通過串口經MAX232電平轉換之后與微機相連，接受上位機指令，向L297發出時鐘信號、正反轉信號、復位信號及使能控制等信號。由于L297內部帶有斬波恒流電路，繞組相電流峰值由Uref確定。當采用兩片L297通過L298分別驅動步進電機的兩繞組，且通過兩個D/A轉換器改變每相繞組的Uref時，即組成了步進電機細分驅動電路。另外，為了有效地抑制電磁干擾，提高系統的可靠性，在單片機與步進電動機驅動回路中利用兩個16引腳光電耦合器件TLP521—4組成隔離電路。其作用是切斷單片機與步進電動機驅動回路之間電的直接聯系，實現了單片機與驅動回路系統地線的分別聯接，防止處于大電流感性負載下工作的驅動電路產生的干擾信號以及電網負載突變產生的干擾信號通過線路串入單片機，影響單片機的正常工作。

5.4彩燈控制電路

彩燈是為了渲染色彩增強節奏感而設計的。使用高亮LED圍繞在噴頭的周圍，有紅綠黃三種顏色，設計成上下環繞的三層構成樹形結構，每層六個燈，顏色搭配得當。每圈的燈并聯占用一個I/O口，用三極管8050放大提供足夠的電流驅動，依據音樂采樣值大小決定點亮的燈的圈數。

六、音樂噴泉控制系統軟件設計

在硬件上本系統使用了AD、比較器、定時器、中斷等資源，故軟件編程就包含這幾個方面的設置和使用。定時器T0控制AD的采樣速率。定時器T1在比較器的下降沿中斷中被啟動，延時一段時間，找到100Hz脈動直流每個周期的起點。定時器T2在定時器T1的中斷中被啟動，依據不同的AD采樣值延時不等的時間，在T2的中斷程序中輸出矩形波啟動水泵驅動電路。

設計的音樂噴泉LED彩燈經過熱縮管的絕緣處理后用導線纏繞在塑料軟管上，然后再固定在盆內。圍繞塑料軟管開幾個小孔，再安裝塑料插頭作為噴水裝置。可以用電腦或者MP3作為音源，噴泉高低和彩燈隨著音樂的啟停節奏發生變化。系統的主要控制電路被安裝在盒子里放置于旁邊，注意絕緣，安全用電。

設計的噴泉控制系統基于AT89S52單片機，采用了音頻放大，可控硅控制等簡潔的外圍電路，經過焊接、組裝、調試后，可以很好實現控制功能，具有很強的實用性，尤其是具有體積小、易移動、適合家庭和室內使用的特點。本方案也可以在功能上加以擴展，如加上對樂曲的頻域分析，結合頻域特點控制水泵；還可以制作霧化器來渲染效果等。

總結

隨著噴泉系統的不斷推廣，噴泉控制技術也在不斷完善和提高，已從早期的簡單噴泉控制發展到目前的集音控技術、程控技術及上位機控制技術于一體的網絡現場控制，其中的變頻調速技術在噴泉系統應用也逐步成熟，并成為其水泵調速的主要方式。實踐證明，噴泉系統采用變頻器控制后，一方面提高了系統控制靈活性，另一方面，水泵采用變頻調速起到節能效果。因此，音樂噴泉變頻調速技術值得進一步推廣和應用。

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