1、毕业论文（设计）题目:基于 PLC 的音乐喷泉系统设计学 生 姓 名： 李宏宇 指 导 教 师 ： 李向军 专 业 名 称 ： 自动化 所 在 学 院 ： 信息工程学院 2015 年 6 月目录摘要 .IAbstract .II第一章 前言 .31.1 课题研究目的 .31.2 音乐喷泉的研究现状及发展趋势 .31.3 本课题要解决的问题 .3第二章 控制系统的论证及设计 .42.1 控制系统的论证 .42.2 控制系统的整体设计 .5第三章 系统信号采集及硬件的应用 .53.1 音乐信号的采集 .53.2 喷头的选择 .53.3 水泵的应用 .53.4 变频器的应用 .5第四章 PLC 程序
2、设计方法 .54.1 PLC 控制系统的设计原则 .54.2 PLC 控制系统的设计步骤 .54.3 PLC 控制系统的设计方法 .5第五章 喷泉控制系统的设计 .55.1 变频器的选用 .55.2 PLC 的选用 .55.3 MM430 变频器外部电路的设计 .55.4 PLC 外部电路的设计 .55.5 PLC 程序设计 .55.6 喷泉控制系统总电路设计 .5第六章 结论与展望 .5致谢 .5参考文献 .5附录 .5大连海洋大学本科毕业论文 摘要I摘要音乐喷泉在国内现在越来越流行，音乐喷泉的控制系统也有很多，有用单片机控制的，有用继电器控制的，有的用计算机控制的，但是大部分的音乐喷泉的控
3、制系统是利用可编程逻辑控制器来控制，它不仅有处理数据的功能，还有存储功能输入输出功能，是一种非常有前景的控制装置。它能控制很多东西，比如说位置、逻辑、时间等等。本设计主要依靠 PLC 的控制功能，通过对变频器、水泵、灯的控制，来满足人们对艺术的追求，PLC 能时刻控制喷泉与音乐同步，PLC 的扩展非常容易、而且编程直观接线也很容易。PLC 能适应复杂的环境、而且接线简单、系统稳定等优点。通过本设计，我锻炼了很多，尤其在耐性上得到了很大的提升。 关 键 词 ： 音乐喷泉，PLC，变频器AbstractMusic fountain now more and more popular in Chin
4、a, music fountain control system also has 大连海洋大学本科毕业论文 AbstractIIa lot of useful single-chip microcomputer control, useful relay control, some with computer control, but most of the music fountain control system is the use of programmable logic controller to control, it not only has the function of
5、processing data, and store input/output functions, is a very promising control device. It can control a lot of things, such as location, logic, time and so on. This design mainly rely on PLC control functions, through the control of the inverter, pump, lights, to meet the people in the pursuit of ar
6、t, PLC can moment control synchronization with music fountain, the expansion of the PLC is very easy and intuitive programming is also easy to wiring. PLC can adapt to the complex environment, and wiring is simple, stable system, etc. Through this design, I exercise a lot, especially in a got a lot
7、of patience. Keyword: Music fountain, PLC, The inverter大连海洋大学本科毕业论文 第一章 前言3第一章 前言1.1 课题研究目的以前的音乐喷泉控制系统所用的控制方法是，把音频信号一分为二，一份给人们播放听，一份给控制单元，进行对水泵的控制，用这种方法来控制音乐喷泉。该方法对于音乐喷泉来说控制容易，安装简单，但是有个很大的缺点，那就是音乐播放快，喷泉跟不上。这个问题很大的消弱了音乐喷泉的艺术效果。在中国现在有很多的音乐喷泉都是这样的，音乐与喷泉不协调，这严重阻碍了我国喷泉园林景观的发展，所以应该尽快找出解决这个问题的方法。1.2 音乐喷泉的研
8、究现状及发展趋势音乐喷泉越来越普及，现在的城市几乎每个都有音乐喷泉，因为它是一种非常有观赏价值的人造景观。这么多的喷泉，造就了喷泉成为了一种产业，它能为人们带来非常高的收益。在喷泉成为产业的同时，国内有很多人看到了商机，所以国内像雨后春笋般的涌现出喷泉设备公司和喷泉一条龙服务的公司。天津的爱德华喷泉设计公司、北京的光大安装工程公司、深圳的红发设计、沈阳的腾飞园林景观功能公司、大连的福瑞喷泉有限公司等等都是国内非常顶尖级别的喷泉安装设计的公司 1。就在这些公司迅速发展的同时，985、211 等高校和一些专门搞园林设计的大专院校也发现了它的商机，清华大学和东北大学研究的音乐喷泉是非常好的。其实喷泉
9、的设计好坏涉及到很多方面。例如喷头、布局、灯光的设计、水型的设计、系统的设计等等。庞大的一个音乐喷泉需要土木工程、水利工程、机械、自动化、计算机等专业的人士，共同合力完成这一个音乐喷泉。未来的音乐喷泉，应该是音乐与喷泉结合相当紧密，实时性非常高的，并且要求水型设计多样，喷泉的喷头也可以变化。因此，本课题着重对音乐喷泉的控制这块进行了仔细的研究。1.3 本课题要解决的问题设计一个系统响应迅速而且工作可靠的音乐喷泉系统，并且尽可能的保证音乐与喷泉的同步性，通过对整个系统的控制，就可以使喷泉随着音乐节奏变化，就好像给音乐伴舞，音乐喷泉喷出的水量一定要有乐感。让人们更好的体会到音乐的内涵。大连海洋大学
10、本科毕业论文 第二章 控制系统的论证及设计4第二章 控制系统的论证及设计2.1 控制系统的论证一个好的音乐喷泉，最起码要具备的功能：一、音乐播放。二、喷泉按照固定设计好的方案进行喷水。三、喷泉按照音乐的变化进行喷水。四、对照射喷泉的水灯进行控制。目前在中国最流行的音乐喷泉控制系统有 4 种，其中最流行、最好用的非 PLC 控制系统莫属，因此本课题选择用可编程逻辑控制器控制喷泉，下面开始论证 PLC 控制系统是如何比其他的控制系统要好 2。PLC 现在已经应用到了各行各业，可以说该技术已经到了非常成熟的地步，而且应用非常广泛。所以越来越多的控制系统选择用 PLC 控制，其主要特点主要有：1、硬件
11、可靠首先从 PLC 的硬件的可靠性来说，PLC 选择最好的元器件、选择最先进的系统、选择最先进的工艺，并且在电路和结构上采用了独特的方法，利用了光电隔离法，用来消除外界的干扰，与此同时还方便了接地，它还利用了电磁消除法，防止射线的干扰。而且 PLC采用模块化，再出现错误时方便检查，方便纠正，PLC 算是一种抗震、抗扰、抗噪、适应性非常强的 PLC。所以说 PLC 从硬件角度来说非常可靠。2、软件设计PLC 的软件设计可以说的是一种最简单的语言，它与 C 语言、C+语言、JAVA 语言相比简直就是太简单了，就好像人家是高中课程，你是小学课程一样，但是虽然简单，但还是要求使用者有些语言基础。最起码
12、的输入输出是什么得知道。目前的使用可编程逻辑控制器的百分之九十的人采用梯形图语言编程，因为该种语言是面向控制的、面向所要解决的问题的，非常容易掌握，而且梯形图这种语言和我们平时图纸上画的图非常像，大部分人都能看懂，也都非常喜欢看。用这种方法还很容易修改，方便编程，很灵活，很方便。但是稍微有点瑕疵的是，这种梯形图语言在 PLC 的内部有解释程序，毕竟在方便人们的同时，一定要有所付出，增加了程序的时间。但是对于控制设备来说，这一丁点的时间是完全在人的接受范围内的。3、接线简单，通用性好对于接线这块来说，PLC 是非常有优势的，PLC 比那些靠单片机、靠继电器的方法接线简单多了，PLC 仅需要把数字
13、量信号输入设备与 PLC 相连，或者与 PLC 的扩展模块相连，然后把信号输出设备与 PLC 相连，这样的接线非常简单，与传统的接线方式相比，它省去了接线和拆线的麻烦，大量的节约了时间。因为这样的接线简单使 PLC 能随意的改变，从而使 PLC 得到了更广的推广，现在的 PLC 还会有自己检查的功能，让它更好的诊断每个模块说出现的故障,方便与人们排除问题。4、可连接网络系统大连海洋大学本科毕业论文 第二章 控制系统的论证及设计5PLC 具有非常强大的功能，它不仅拥用上述功能，它还能够与网络系统连接，它连接的这种网络分为两种 3。一种是采用主从通信模式的低速网络，传速熟虑比较低，大多数为几千波特
14、率到上万波特率，特点是传的远，最远能达到 2500 米，另一种是采用令牌传送通信模式的高速网络，传输速率是上一种的 1000 倍，特点是传的近，最远只能到达 1000米，但是这两种连接网络都可以级连。而且可以兼容许多种计算机，用这种方法能组成很大的局部网络 4。5、安装简单，维护方便就 PLC 的安装来说，因为 PLC 比较小巧，所以 PLC 的控制箱一般比继电器控制箱要小的很多，为使用者既节约了金钱有节约了空间，而且 PLC 非常方便改装，只要把设备的输入输出端准确的于 PLC 相连就可以了，而且 PLC 应尽可能的安装在与继电器近的地方，方便传输，节约接线。在安装大型的工厂控制的 PLC
15、时，应该选一个好的地方给输入输出点，PLC 一般会使用同轴电缆连接 CPU，用这种方法的好处是节约空间，省钱，省线还节约资源。一般情况下，设计好线的布局，然后制造商会派出专业的人员安装。在刚开始设计 PLC 的时候，就充分的考虑到 PLC 的维护性，所以它所用的大部分的元器件都是固态的，方便维护，硬件损坏时，只要将坏的部分换成新的，如果没有新的，及时调整 PLC 的输入输出端，也是可以的。人们一般会用 PLC 自带的自诊断功能来判断 PLC的好坏。也可以自己编程来判断 PLC 的硬件故障。PLC 除了这些优点以外，还有很多优点，只要你安装后，才会发现 PLC 还具有其他的优点，会有意想不到的作
16、用，这个只有在你出现问题时，PLC 强大的功能会全面的展现出来。2.2 控制系统的整体设计本课题设计的这款音乐喷泉，它总共由 4 大部分组成，这 4 部分由里到外，由低到高。最外边的一层是通过 110 个喷头组成的跑泉，喷泉高度大约 3 米，这是第一部分。第二部分是由 70 个喷头组成的跑泉，喷泉的时候高度稍微比外圈高了一些大约 5 米左右，第三部分由两个三角形喷泉组成，这两个三角形距离中心的距离相等，他们分别由 3 个喷头构成，喷泉喷射的高度大约 8 米，本课题中也称为副水柱。第 4 部分由 6 个喷头组成的同心圆构成，喷射的高度大约 12 米。是该喷泉喷射高度最高的地方，在本课题称它为主水
17、柱。本课题中的音乐喷泉总共需要 5 台水泵，4 台变频器。第一部分需要一台 10 千瓦的水泵和一台变频器，第二部分需要一台 15 千瓦的水泵和一台变频器，第三部分由两台 10 千瓦的水泵和一台变频器构成，第四部分由一台 20 千瓦的水泵和一台变频器构成。当然灯光是不能少的，如果没有了灯光，喷泉就没有了生命力，本课题中的喷泉用了 4 种颜色的的灯光，分别是红、绿、黄、蓝色的灯，在第一部分与第二部分中间各有 16 盏灯交叉放置，第二部分与第三部分中间放了 12 盏灯，这四种交叉放置。第三部分与第四部分中间放置了 4 盏灯，一种颜色一盏，四个方向颜色不同。整个音乐喷泉的平面图如图 1 所示。大连海洋
18、大学本科毕业论文 第二章 控制系统的论证及设计6图 1 音乐喷泉的平面图这一次设计的这款音乐喷泉，对控制系统要求比较严格，控制功能复杂，而且要求系统能够实时控制。并且要保证控制系统的可靠性，所以采用了模块化，我设计的喷泉系统由 PLC 模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、变频器模块组成。这次设计的喷泉控制系统的结构图如下面的图 2 所示。图 2 喷泉控制系统的结构图喷泉的控制系统以 PLC 为控制核心，其流程如下，首先音乐通过音箱进行播放，然后进行音乐信号的放大和采集，采集完毕后，送入由 I/O 扩展模块组成的模拟量输入接口，再由 I/O 扩展模块送入 PLC 进行运算处理，PLC 处理完后
19、再将信息通过 I/O 扩展模块的模拟量输出口输出，输出给变频器，变频器通过该信号控制水泵，水泵通过控制水的流量控制喷头，从而使喷泉具有乐感，跟音乐一起波动。与此同时 PLC 还控制灯光，到达灯光与喷泉相结合的艺术效果。灯光 变频器水泵模拟量输出 音乐模拟量输入I/O 扩展PLC 放大喷头大连海洋大学本科毕业论文 第三章 系统信号采集及硬件的应用7第三章 系统信号采集及硬件的应用3.1 音乐信号的采集3.1.1 音乐的性质及基本乐理音乐是其中不可缺少的部分，所以音乐的知识不可缺少，音乐其实就是有规律的振动发出的音，所有的声音都是由振动产生的，听着悦耳的声音，就是比较有规律的振动，无规律的振动那个
20、就叫做噪声。声音又分为纯音和复合音 5。这个非常好理解，纯音就是特别纯正，只有一个音调，复合音就是由多个纯音组成的。声音这个东西有很多特征，其中起决定性作用的有音长、音色、音高和音强。它们分别与发声体振动的频率、持续时间、振幅和频谱分布等物理量相对应 5。越长的声音，振动的时间越长，越短的音振动的时间越短。音色是由发音的物体决定的，比如每个人说话的声音不一样。声音越高说明发音物体频率振动快，声音越低说明振动的频率越低。音的强弱又叫做声音的力度，音的强弱取决于振动的幅度，你振动的幅度越大，声音就越大 9。反之也是这个道理。3.1.2 采样定理本次设计的音乐喷泉需要实时通过音乐来控制喷泉，为了达到
21、实时这个要求，所以就要对音乐进行采样，因为音乐是模拟信号，要求实时所以需要一种开关频率较高的脉冲进行取样，它的原理是用脉冲的幅度来表示音乐的信号的强度。在得到音乐信号后首先要进行滤波，因为音乐的频率是有一定的范围的，通过高通滤波、低通滤波器把其中的干扰去掉，然后在进行信号的放大，因为我们所采集到的信号是很小的。直接给 PLC,PLC 也无法收到，也就无法进行运算处理。放大之后还要进行 A/D 转换，因为机器只能识别像二进制这样的代码，所以就需要将采集到的信号进行离散化。采样定理的提出者香农，曾经说过这样的一句话 “如果要对一个模拟信号离散时，必须要满足采样频率等于或者大于被采样信号最大的频率
22、fm 的 2 倍那么大才可以，这样就可以通过适当的低通滤波、高通滤波装装置，从样本值里的一串信号中完完整整地恢复出原来的信号” 6。它因为这个定理很出名，后来人们为了纪念他，将这个频率又叫做香农频率。在进行采样的时候，选择频率非常的重要，频率决定着周期。所以要选择一个合适的频率，根据香农定理，它一般比信号频率要高出一倍左右。3.2 喷头的选择设计喷泉其中的第四部分，也就是喷泉的最中心的部分，它是整个喷泉的核心，所以这部分喷头的选择应该大号的直喷头。直喷头喷出的水量不仅多，而且要有强度，压力大，要给欣赏人一种怒放的感觉，这种喷头喷出的水奔放美丽，就像东北人属于比较豪放的感觉。这种喷头也能够改变喷
23、射的方向。因为这种喷头要接触水，所以材质要耐水的腐蚀，还有就是承受的压力大，所以选用铸铜、和不锈钢的直喷头，如图 4 所示。大连海洋大学本科毕业论文 第三章 系统信号采集及硬件的应用8图 4 直喷头结构图本次设计喷泉的第三部分，位于第四部分的两边，该部分的喷泉喷射的高度比第四部分的喷泉喷射的高度低了 4 米，所以该部分喷射出的喷泉应该比第四部分的细，流量小一些，所以选择了中型号的直喷头，这种喷头也能够调节喷射的角度，它喷射的给人感觉，比较流畅，比较适中。因为这种喷头要接触水，所以材质要耐水的腐蚀，还有就是承受的压力大，所以选用铸铜、和不锈钢做喷头，如图 5 所示。图 5 中型直喷头结构图设计喷泉的第二部分，它位于里圈跑泉的位置，跑泉是组成喷泉必不可缺少的部分，他能进行多种形状的变化，让你们感到变幻莫测，激起人们的好奇心，这种喷泉需要喷射的高度低，因为高度低，所以喷泉水柱就会粗，显得像大理石柱一样，在加上上灯光的组合，非常的壮观，非常的漂亮。并且喷射的时候能把水池中的水带出来一小部分，优点像大树一样，所以这种喷泉又叫树状喷泉头。这种喷泉头的材质也是由铸铜、不锈钢组成的，如图 6 所示。图 6 树状喷头结构图
