国外喷泉技术

1 绪 论

1．1国外喷泉技术发展

喷泉起源很早，公元前6世纪在巴比伦空中花园中已建有喷泉。古希腊时代就已由饮用水的泉逐渐发展成为装饰性的泉。有一种说法认为，喷泉起源于伊斯兰国家的斋戒沐浴给水方法。在伊斯兰园林中，喷泉或沿轴线布置，或作为局部构图的中心。文艺复兴时期喷泉技术有很大的发展，这一时期的喷泉多与雕像、柱饰、水池等结合造景。有名的喷泉如意大利伊斯特别墅的著名“百泉步道”和莱恩脱的喷泉水渠。当时还从事水趣音响设计。如著名的猫头鹰喷泉，有一群铜鸟啁啾，猫头鹰一声尖叫之后，顿时鸦雀无声，稍停片刻，铜鸟又喧闹起来。有的喷泉铜雕像、叠落的瀑布结合起来造景，如埃斯特别墅中的“水风琴”等。17-18世纪，喷泉在欧洲城市盛极一时。著名的如法国凡尔赛宫的太阳神喷泉，俄国彼得宫的带雕像群的大瀑布喷泉。罗马有3000多个喷泉，被称为喷泉之城。也有一些寓意很深的喷泉小品，如布鲁塞尔的于廉喷泉。它刻画了一个正在聚精会神地撒尿的孩子，相传敌军侵占布鲁塞尔后要炸毁城里的珍宝馆，小于廉发现燃烧着的导火线，急中生智，朝导火线撒了一泡尿；珍宝馆保住了，小英雄却壮烈牺牲。为了表彰他的功绩，1619年建造了这个喷泉。到20世纪,喷泉发展成为一种大型水雕塑，用水柱构成各种形态。如日内瓦莱蒙湖上耸入云表的大喷泉，建于1958年，它用两台1360马力的水泵，将水喷到145米的高空。夜晚，巨型探照灯照射着银色水柱直划夜空，景色壮观。英国伦敦的诺姆甲堡喷泉，高2.7米，由一个造型优美、形状不规则的金属壳体构成，在壳体边缘喷射出两个水的曲面造型。壳体的底部可以转动，喷水的压力可以调节，能形成多姿多彩的水造型。美国西雅图的一个喷泉，由两根粗大的不锈钢弯管组成，水由沿管壁安装的很多小喷嘴喷出，造成实体水柱的感觉。它的喷水量由人工控制,能形成富有雕塑味的水造型。现代技术的应用,产生了各种自控喷泉。日本的“会跳舞的喷泉”、美国的“华尔兹舞喷泉”，在彩色灯光的照射下，水花能随着音乐的旋律翩翩起舞。法国巴黎的德方斯广场上，有著名的“阿加姆”音乐喷

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泉，建于1980年，66个喷头呈“S”形布置，喷出1-15米高的水柱，能表演格什温的《蓝色狂想曲》、柴可夫斯基的《悲怆交响曲》、佩潘和阿乐纳德合作的《水上芭蕾舞曲》等十多个精彩节目。随着音乐的变化，水柱有时轻歌曼舞，有时又挺拔高耸，在绚丽多彩的水柱间还配有鲜艳夺目的火花。火花是由特制的火花喷射管喷出的，与水花交织在一起，景观奇妙。日本的水力喷射动物园，在一个直径10米水池内，安装着6036个旋转的喷头。它们能喷射出老虎和狮子搏斗、老鹰和羚羊厮杀等奇妙的场面。这些喷泉多是利用电脑控制水、光、音、色，使喷泉艺术进入崭新的时代。

1．2国内喷泉技术发展

中国古典园林崇尚自然，力求清雅素静,富于野趣。在园林理水方面重视对天然水态的艺术再现。对于人工造成动态水的喷泉应用较少。《汉书·典职》记载：在汉上林苑中有“激上河水，铜龙吐水，铜仙人衔杯受水下注”的设施。《贾氏谈录》记载：唐代华清宫御汤池中“有双白石莲，泉眼自瓮口中涌出，喷注白莲之上”。《洛阳名园记》记述董氏西园中有水自花间涌出。有的水景保存至今，如建于南宋淳佑年间（1241-1252）杭州黄龙洞的黄龙吐水。18世纪,西方式的喷泉传入中国。1747年清乾隆皇帝在圆明园西洋楼建“谐奇趣”、“海晏堂”、“大水法”三大喷泉。“大水法”的中央水池中有十只铜狗，口中齐射急流，直指铜鹿，称为“猎狗逐鹿”。在“海晏堂”，有身穿罗汉袍的“十二生肖”像，每个生肖都能喷水，用以报时。这是由人工操纵的提水机械──龙尾车扭水旋转上升，形成高位水，由机械控制，每隔一个时辰（相当两小时）由十二生肖依次喷水，到正午时分，十二个生肖同时喷水。

近年来，特别是改革开放以来，水景工程在我国得到了迅速的发展。以往园林工程中常见的镜池、溪流、假山瀑布等，已不能满足人们的需求。各种新型水景工程，从微型喷泉小品、室内喷泉、庭院喷泉、广场喷泉、各种情趣性游乐喷泉、程控喷泉、音乐喷泉、激光喷泉、水幕电影、超高喷泉、超大瀑布等，都在我国相继出现，产品也走向国际市场。

为适应喷泉工程建设需要，喷泉设备依赖进口的局面彻底打破，各地喷泉设备

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厂、专业公司一个接一个成立起来。据不完全统计，到1997年底全国已有200多个厂家，其中年产值1000晚万元以上的厂家已有10来家，年总产值估计达3亿元以上。尤其是在江苏省和全国各大城市，喷泉设备厂星罗棋布。一些大专院校（如人民大学、清华大学、北京林业大学、北京机械工业学院、同济大学、武汉水电学院、青岛建工学院等）、科研设计单位（如中科院计算所、中科院自动化所、中国建筑技术研究院、中国建筑西北设计院、北京有色冶金设计研究总院等）也投入了研究开发，为我国喷泉技术的发展做出了一定的贡献。其中一些技术力量较雄厚的专业公司的产品，开始向美国、西欧等发达国家出口。

在建设形势的推动下，我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等，也为推动喷泉技术的发展做出不少工作：1989年出版的《给水排水设计手册》，第一次将“水景设计”以专章列入设计手册；1989年出版、1990年开始施行的《建筑给水排水设计规范》，第一次将“喷泉设计”以专节列入国家设计规范；1990年出版了第一本专门著作《喷泉设计》，1991年在中国土木工程学会建筑给水排水委员会和中国标准化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届“全国喷泉研讨会”；有关喷泉的专门设计规程和术语标准等也公开发布执行。

1．3喷泉工程中的新技术

1.3.1新式喷头研制和新颖喷水造型设计

如前所述，人们对我国古典园林以静水、流水为主的水景形式和西方固定喷水形式已感到单调平淡。一方面追求新奇多变和快节奏，另一方面则追求回归大自然，寻求天然野趣和轻松精雅。为适应这种需求，作为喷泉工程的主要装置——喷头、设计的主要内容——造型设计也在不断拓新变化，于是就出现了一些具体实例，如：子弹喷头、水雷喷头、悬挂水晶球、喷泉冰挂、水晶柱、光导水柱、水雕塑、大型水壁、百米喷泉、超大型瀑布、字幕喷泉、激光喷泉和水幕电影、喷烟与喷水、趣味喷泉等。

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1.3.2新型照明技术在喷泉工程中的应用

对于彩色喷泉，照明是其重要组成部分。照明设计的好坏，极大影响水景工程的观赏效果，照明工程造价也在整个工程造价中占有相当比重，所以应引起设计者的重视。近年来照明专业技术发展很快，新型光源灯具不断开发应用，为设计增添了不少选择余地：水下彩灯、软式流星灯、带灯、美耐灯（可塑性霓虹灯、彩虹灯）、频闪灯和管式花园灯、光导纤维照明、远距离投影灯、水柱导光照明。

1.3.3新式控制技术在喷泉工程中的应用

电子和控制技术最近发展很快，尤其是计算机的应用，为控制技术开拓了新天地，使自动控制更加方便简单，所以得到了迅速推广，它在喷泉中应用也很广泛。

程序控制：利用可编程控制器控制喷泉的花型组合变化。特别是在控制路数较多（一般为几十至上百路），每路容量不太大（一般每路不超过几千瓦）的情况下，中间可以不用继电器，更加方便，成本也较低。并且控制路数可扩展，控制程序可任意写入和修改。程序控制的控制对象常为水泵、电磁阀和彩灯。

音乐控制：所谓音乐喷泉，就是利用音乐的主要音素（频率、振幅、音色和节拍）控制喷水的花型组合变化、水柱高低、远近变化和灯光色彩组合、明暗变化的喷泉。目前音乐喷泉最常采用的控制方式为实时控制，即对音乐的主要音素进行全员实时跟踪采集、分解处理并转换成模拟量或数字量讯号，用以控制水泵的运行组合和转速变化，或用以控制液压伺服阀或电动调节阀的运行组合和开启度，同时相应控制灯光的组合变化。这种控制方式不必对音乐磁带（光盘）预先进行编辑处理，所以对任何新版磁带（光盘）甚至现场即兴演奏都可响应。关于水泵调速方式，目前适用的有变频调速和滑差离合器调速，其中滑差离合器调速的控制原理是电机恒速运行，利用滑差离合器无级调节水泵转速，因设备较笨重，规格品种不多，调速性能不理想等原因实用不多；脉宽调速方式，其突出特点是体积小巧，价格低廉，适合要求不太高的音乐喷泉。采用水下电液伺服阀作为执行机构控制水姿造型变化，为音乐喷泉控制别具一格的另一路线，其特点是响应迅速、动作灵敏、维护简单、使用方便，所以也得到广泛应用。

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机械人技术应用：国外有用机械人指挥喷泉表演的工程实例，看起来好像在指挥一场大型交响乐的演奏。指挥棒所向，忽而雷雨轰鸣气势磅礴，忽而细雨绵绵轻柔如丝，时而，烟雾迷漫火光闪烁，时而平静舒缓轻歌曼舞。机械人的出现使人更感新奇有趣，也增加了对音乐的理解和共鸣。

1.3.4其他相关技术在喷泉工程中的应用

喷泉用水泵：目前还是采用普通工业泵或农业泵。陆用泵多采用IS、S系列等，潜水泵多采用QY、QX、QS等系列。这些水泵并不理想，尤其是对于程控和音乐喷泉。现在我国已有厂家生产卧式潜水泵，但进展缓慢，品种和性能仍不能满足喷泉工程要求。程控和音乐喷泉对水泵的要求大致有以下几条：1.造型要美观；2.为减小水池深度和方便安装应卧式安装、端部出水、不设底座和地脚螺栓；3.为减少喷头堵塞，应自带细滤网，并适当加大进水面积；4.尽量减小叶轮和泵轴的转动惯量，能够快速启动和停车；5.要适合频繁启动；6.要提高惦记的绝缘性能；7.电机最好自带漏电、过载、缺相等保护；8.最好几种标准叶轮，串连不同级数就可形成较全的型普；9.效率应达到国际先进水平。

新型建材在喷泉工程中的应用：最近几年我国新型建材发展很快，它们的应用也为喷泉工程增色不小：镭射玻璃的应用作为水池贴面和小型喷泉的衬景材料，应用得当会改善观瞻；空心玻璃砖的出现也增加了池壁材料的选择余地；树脂混凝土（砂浆）使喷泉雕塑材料有了更加适用的材料；混凝土外加剂中微膨胀剂的开发利用，使水池防水更加简单方便、经济可靠，为安装创造了方便条件。

1.4课题设计意义

音乐喷泉是现代科技与艺术结合的产物。虽然现在生产音乐喷泉的厂家很多，但在设计上方案单一，互相抄袭现象严重，而且国内的相关资料较少，因此，本课题的设计不仅能对美化环境、陶冶情操、增加人文氛围、烘托城市形象、提高大众生活质量起一定的作用，还可以为国内的音乐喷泉设计提供相关资料，对建设文化文明大国强国有着相当重要的意义。

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1.5课题设计内容

音乐喷泉顾名思义，就是喷泉水柱的高低和播放乐曲的音调高低成正比，而变化的快慢与乐曲的节拍快慢同步。本课题采用单片机为核心控制变频器变频调速的方法来控制水泵电机抽水，其中设计的主要内容是喷泉控制器，即图1.1所示虚线内的部分。

音乐采集芯片 变频器1 水泵电机1 A/D转换芯片 变频器2 单片机 变频器3 D/A转换芯片 ?? ?? 水泵电机3 水泵电机2 图1.1 音乐喷泉设计图

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2 需求分析及方案论证

2.1需求分析

2.1.1可行性分析

本设计主要针对的是音乐喷泉的控制软硬件实现。从技术上考虑，本设计涉及到单片机技术、自动控制技术、接口技术、变频技术、电机拖动技术、电力电子技术及电路原理。这些技术现在都是成熟的技术，且在校期间学习的内容能够满足设计需求，而本人掌握的知识也基本符合设计的要求。

从时间上考虑，本学期1~4周准备开题报告，进行可行性分析、需求分析、方案论证及一些基础设计资料准备；5~7周熟练实验室提供的设备操作；8~12周进行软件设计；13、14周软硬件调试；15~19周后期调试及论文整理。设计历时19周，时间充裕。

从经济上考虑，本设计控制电路需要的单片机芯片市售价约9元，A/D、D/A转换芯片12元左右，语音芯片约15元，门电路芯片1元/个，此外，加上所需的电容、电阻等硬件总花费约100~150元左右；小型变频器价格大约在1500元左右，电机的选择要根据所带动的水泵、阀门的多少来计算，本设计模拟暂按一台600W电机算花费应在600元左右，且控制电路中所需的硬件及变频器、电机等设备完全可以由实验室提供。设计人员的设计、调试费用，按照每天工作8小时，每天30元计算需要30×5×19=2850元。本设计所需总费用不超过5100元，经济上可以实现。

2.1.2硬件需求

音乐由耳朵传进人的大脑给人以美的享受，但是音乐喷泉没有大脑，也没有耳朵，水泵并不知道在什么时候该怎么喷水。为了让水泵跟随音乐信号变化水柱扬程，就要给它安装上“大脑”。单片机就实现了音乐喷泉“大脑”的功能。在选择单片机时，本设计选择现在市场上比较先进的主流芯片ATMEL公司生产的AT89S52。

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单片机只能识别电信号，因此，只有将声音信号转化成电信号才能实现控制，这就需要应用语音芯片完成对音乐信号的采集，来给音乐喷泉安上“耳朵”。本设计选择国产的语音芯片ZY1420A将声音变成直流电压信号来完成“听”的功能。ZY1420A所采集的信号输出为连续的模拟电压信号，而单片机只能识别数字信号，所以，只有将模拟信号转换成数字信号才能输入给单片机。ADC0809芯片即完成模数转换功能。水泵是由三相异步电动机组成的，三相异步电动机的转速如果通入工频电源，转速是不变化的。变频器是专门针对电机调速的装置。由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。本设计选用VF62CE小型变频器调速。变频器的输入控制信号又只能是模拟电压信号，所以本设计采用DAC0832芯片实现数模转换功能。

2.1.3软件需求

单片机不会主动的控制水泵电机喷水，只有将编写好的程序输入到单片机内，它才能按照程序的要求判断何时水泵的喷水状态如何。在编写程序时要选择一定的编程语言及相应的编程平台，这样才能将编写的控制程序下载到单片机当中。本设计采用汇编语言编程，编程平台是浙江天煌公司的THGMW-51仿真调试软件。该软件是针对THGMW-1型单片机51/96·微机8088三合一实验开发系统中51单片机设计的基于汇编语言的开发软件。其特点是界面简洁美观，且易于操作，同时在单片机编程中省去了编辑串口通讯程序的麻烦。THGMW-51操作界面如图2.1所示。

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图2.1 THGMW-51应用程序操作界面

2.2 方案论证

音乐喷泉设计可以采用的核心控制器有很多，如单片机、可编程控制器、计算机等。可编程控制器的优势是其高稳定性，对音乐的信号采集时抗干扰性优越，同时，用梯形图编程形象简单；而计算机的优势是控制多样化，可以选择多种编程语言，而且对控制程序的修改较为方便，可随时根据需要改变对喷水方式的控制。但选择可编程控制器和计算机的价格昂贵（小型的可编程控制器和工业控制计算机也需要几万块），这将大大提高设计的成本，而且一旦控制器出现损坏不易维修，且维护成本较高。相比较而言，一片单片机芯片的成本只有十几块钱，所以，本设计选择单片机控制既经济又实惠。

在单片机的选择上现在市面上常见的有MCS-51及其兼容系列（生产厂家主要为Intel、ATMEL、LG、SIEMENS、PHILIPS）；Intel公司251系列、96系列；Microchip公司PIC系列、义隆公司EM78系列；ATMEL公司AVR系列；TI公司MSP430系列超低功耗系列；USB控制器系列（生产厂家主要为Intel、SIEMENS、Cypress、

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ATMEL）；等等。其中Atmel公司出品的AT89系列单片机以其优良的性能和价格优势，成为取代MCS51单片机的主流机型之一，有着十分广阔的应用前景。本设计选用的是Atmel公司出品的AT89S52，这是一款低功耗、高性能的8位CMOS单片机，片内存储空间为8K，同时支持在系统编程，使用范围很广，深受开发者的欢迎。

音乐信号是不可能直接进入单片机控制电机转速的。只有把声音信号转换成电信号才能实现控制，因此，需要选择一款合适的声音采集元件。近几年来语音电路发展极为迅速，美国信息内存件公司推出的ISD系列语音电路采用直接模拟存储技术，不需要专用开发工具、编程器，它操作简单，接口灵活，因此深受广大单片机应用人员的欢迎。国内许多厂家的生产语音板，大多以该公司的ISD系列芯片为核心构成。ZY1420是国内著名电子生产商出品的优质微型语音录放模块。ZY1420内部使用ISD1420作为主控芯片，且具备ISD1420的全部优良性能，如大容量的EEROM存储器，消噪的话筒放大器，自动增益调节AGC电路，专用语音滤波电路，高稳定性的时钟震荡电路和语音处理电路。除此以外，ZY1420还对ISD1420的标准外围电路作了优化并全部集成于模块内部。同标准DIP40封装的ISD1420相比较，ZY1420可以提供更加稳定可靠的性能。这就是选择该模块的原因。

在软件编程上，可以选择用汇编语言编程、C语言编程、或汇编与C语言混编，尽管C语言在设计时，程序简单，而且调试要比汇编方便很多，易于修改，但是在与硬件通讯上，汇编语言更接近底层硬件，故此本设计采用汇编语言编程。

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3 系统主要硬件芯片介绍

3.1 AT89S52单片机引脚介绍

图3.1 PDIP封装的AT89S52

本设计采用的单片机为PDIP封装的AT89S52，如图3.1所示 VCC：电源 GND：地

P 0口：P 0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P 0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P 0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P 0具有内部上拉电阻。

在Flash编程时，P 0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

P 1口：P 1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P 1输出缓冲器能

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驱动4个TTL逻辑电平。对P 1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P 1.0和P1.2分别作为定时器/计数器2的外部计数输入（P 1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P 1.1/T2EX），具体如3.1所示。

在Flash编程和校验时，P 1口接收低8位地址字节。

表3.1

引脚号 P 1.0 P 1.1 P 1.5 P 1.6 P 1.7 第二功能 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） MOSI（在系统编程使用） MISO（在系统编程使用） SCK（在系统编程使用） P 2口：P 2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P 2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P 2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P 2口送出高八位地址。在这种应用中，P 2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P 2口输出P 2锁存器的内容。

在Flash编程和校验时，P 2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P 3口：P 3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P 2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P 3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P 3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3.2所示。

在Flash编程和校验时，P 3口也接收一些控制信号。

表3.2

引脚号

第二功能 12

P 3.0 P 3.1 P 3.2 P 3.3 P 3.4 P 3.5 P 3.6 P 3.7 RXD（串行输入） TXD（串行输出） （外部中断0） （外部中断0） T0（定时器0外部输入） T1（定时器1外部输入） （外部数据存储器写选通） （外部数据存储器读选通） RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/

：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8

）也用作编程输入脉冲。

位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

：外部程序存储器选通信号（

）是外部程序存储器选通信号。

在每个机器周期被激活

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，两次，而在访问外部数据存储器时，

将不被激活。

?VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程

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序存储器读取指令，必须接GND。

应该接VCC。

为了执行内部程序指令，在Flash编程期间，

也接收12伏VPP电压。

XTAL1：振荡器反向放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反向放大器的输出端。

3.2声音信号采集芯片

本设计声音采集采用ZY1420A芯片。ZY1420A是广州致远电子有限公司出

品的优质微型语音录放模块。ZY1420A内部使用ISD1420作为主控芯片，且具备ISD1420的全部优良性能，如大容量的EEPROM存储器，消噪的话筒放大器，自动增益调节AGC电路，专用语音滤波电路，高稳定性的时钟振荡电路和语音处理电路。除此以外，ZY1420A还对ISD1420的标准外围电路作了优化并全部集成于模块内部。同用户使用标准ISD1420的DIP40封装IC相比较，ZY1420可以提供更加稳定可靠的性能，更低的价格，更方便的使用，同时还可以减小实际的体积。

ZY1420A使用有专利技术的模拟处理存储方式，使录放音质极佳，没有常见的背景噪音，且电路断电后语音内容仍不会丢失。电路内部由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源就可以组成。

3.2.1 ZY1420A芯片特点

1.重现优质原声； 2.基本上不耗电信息存储；

3.信息可保存100年，可反复录放10万次； 4.选址处理多达160段信息； 5.具有自动节电模式；

6.维持状态，仅需0.5μA、工作电流：15~30mA。

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3.2.2 ZY1420A功能引脚

ZY1420采用标准DIP28封装的面积尺寸，厚度最大为10mm(不包括引脚高度)。

图3.3 ZY1420A芯片功能引脚图

A0~A7： 地址输入端或控制命令输入端。A6，A7同时为高电平时，A4~A0

为控制命令；否则，A7~A0为地址。

SP-，SP+： 扬声器连接端，输出音频信号。 VSS： 引脚4，地线。 VCC： 引脚7，+5V电源。

MIC-，MIC+：话筒连接端，输入音频信号。 ANA IN： 引脚10，模拟信号输入端。

PLAYL/： 引脚3，放音控制电平触发端。当该端为低电平时，芯片进入放音

周期；当该端为高电平时，停止放音。

PLAYE/： 引脚2，放音控制脉冲触发端。该端输入由高电平向低电平跳变的

下降沿时，芯片进入放音周期。

RECLED/： 引脚11，录音显示端。该端接发光二极管，在录音时作录音指示

灯。

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REC/： 引脚1，录音控制端。该端为低电平时，芯片进入录音状态，录

音期间该端必须保持低电平。REC/信号的优先级高与PLAYL/和PLAYE/两种放音信号。

3.2.3声音信号采集接口电路原理图

图3.4 声音信号采集接口电路原理图

3.3 A/D转换芯片ADC0809介绍

3.3.1 ADC0809封装引脚含义

ADC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D转换芯片，片内有模拟量通道选择开关及相应的通道锁存、译码电路，A/D转换后的数据由三态锁存器输出，由于片内没有时钟需外接时钟信号。

芯片的引脚如图3.5所示，各引脚功能如下： IN0~IN7：八路模拟信号输入端。

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ADD-A、ADD-B、ADD-C：三位地址码输入端。

CLOCK：外部时钟输入端。CLOCK输入频率范围在10~1280KHz，典型值为640KHz，此时A/D转换时间为100us。51单片机ALE直接或分频后可与CLOCK相连。

D0~D7：数字量输出端。

OE：A/D转换结果输出允许控制端。

当OE为高电平时，允许A/D转换结果从D0~D7端输出。

ALE：地址锁存允许信号输入端。

八路模拟通道地址由A、B、C输入，在ALE信号有效时将该八路地址锁存。

START：启动A/D转换信号端。

当START端输入一个正脉冲时，将进行A/D转换。 EOC：A/D转换结束信号输出端。

当A/D转换结束后，EOC输出高电平。 Vref（+）、Vref（-）：正负基准电压输入端。 基准正电压的典型值为+5V。

图3.5 ADC0809封装引脚图

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3.3.2 ADC0809并行模数转换电路原理图

图3.6 ADC0809并行模数转换电路原理图

3.4 D/A转换芯片DAC0832介绍

3.4.1 DAC0832封装引脚含义

DAC0832是8位D/A转换器，它采用CMOS工艺制作，具有双缓冲器输入结构，其引脚排列如图3.7所示。

图3.7 DAC0832引脚图

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DI0~DI7：转换数据输入端。 CS：片选信号输入端，低电平有效。

ILE：数据锁存允许信号输入端，高电平有效。 WR1：第一写信号输入端，低电平有效。 Xfer：数据传送控制信号输入端，低电平有效。 WR2：第二写信号输入端，低电平有效。

Iout1：电流输出1端，当数据全为1时，输出电流最大；数据全为0时，输出电流最小。

Iout2：电流输出2端。DAC0832具有：Iout1+Iout2=常数的特性。 Rfb：反馈电阻端。

Vref：基准电压端，是外加的高精度电压源，它与芯片内的电阻网络相连接，该电压范围为-10V~+10V。

3.4.2 DAC0832并行数模转换电路原理

DAC0832内部有两个寄存器，而这两个寄存器的控制信号有五个，输入寄存器由ILE、CS、WR1控制，DAC寄存器由WR2、Xref控制，用软件指令控制这五个控制端可实现三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。

直通方式是将两个寄存器的五个控制端预先置为有效，两个寄存器都开通只要有数字信号输入就立即进入D/A转换。

单缓冲方式使DAC0832的两个寄存器中有一个处于直通方式，另一个处于受控方式，可以将WR2和Xref相连再接到地上，并把WR1接到单片机的WR上，ILE接高电平，CS接高位地址或地址译码的输出端上。

双缓冲方式把DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器都接成受控方式，这种方式可用于多路模拟量要求同时输出的情况下。

三种工作方式区别是：直通方式不需要选通，直接D/A转换；单缓冲方式一次选通；双缓冲方式二次选通。

DAC0832并行数模转换电路原理如图3.8所示。

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图3.8 DAC0832并行数模转换电路原理图

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4 系统功能的实现

4.1 音乐喷泉工作原理

音乐喷泉的工作原理是，根据播放的音乐来控制水柱，达到与音乐同步的效果，而水柱是由水泵来控制的，水泵又是由三相异步电动机组成的，三相异步电动机的转速如果通入工频电源，转速是不变化的，变频器是专门针对电机调速的装置。由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。

改变频率就改变了电机的转速，也就改变了水泵的压力，音乐的不同频率经单片机处理送到变频电机的控制端，使电机转速随音乐的音调，节奏，和强弱变化，水泵的压力随之变化，喷岀的水就有了高低变化，而且是由几套设备对多组喷嘴实施控制。

喷泉的形成是水泵将音乐的节奏和强度转变为控制信号，此信号再控制一个电压控制器件，电源经过这个电压控制器件后，输出电压也随音乐的变化而改变，然后控制水泵电机。

4.2 A/D转换

在本设计中选用的是美国国家半导体公司生产的A/D转换芯片ADC0809。它是CMOS的8位单片A/D转换器，片内有8路模拟开关，可控制8个模拟量的一个。A/D转换采用逐次逼近原理，输出的数字信号由TTL三态缓冲器控制，故可直接连至数据总线。

逐次逼近法A/D也称逐次比较法A/D，它由结果寄存器、D/A比较器和置位控制逻辑等部件组成，如图4.1所示。这种A/D采用对分搜索法逐次比较、逐步逼近的原理来转换，整个转换过程是个“试探”过程。控制逻辑先置1结果寄存器最高位Dn-1，然后经D/A转换得到一个占整个量程一半的模拟电压Vs，比较器将此Vs和模拟输入量Vx比较，若Vx>Vs则保留此位Dn-1为1，否则清“0” Dn-1位。然后控制逻辑1结果寄存器次高位Dn-2，连同Dn-1一起送D/A转换，得到的Vs再和Vx比较，以决定Dn-2，保留为1还是清成“0”，依次类推。最后，控制逻辑置1结果

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寄存器最低位D0，然后将D0连同前面的Dn-1，Dn-2，?，D1一起送D/A转换，转换得到的结果Vs和Vx比较，决定D0位保留为1还是清“0”。至此，结果寄存器的状态便是与输入的模拟量Vx对应的数字量。

图4.1 逐次逼近法A/D转换框图

4.3 变频器的使用

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

在本设计中，变频器实时接收单片机输出的控制信号，经A/D转换处理后的音乐信号自动转换成变频调速器所要求的0到5V电压信号。输出电压信号与输入的音乐信号大小成线性关系，因而使喷出的水柱能够随着音乐的高低、节奏的快慢而起伏变换，达到了音乐喷泉特殊的艺术效果。

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5 软件调试

由于系统的实际过程是按音乐分段实现的，即通过实时查询控制状态，实现音乐、水型的同步变化，反映音乐的内涵与意境，给人以美的享受。图5.1是系统控制的实际流程框图。

开始 系统初始化 音乐信号采集 A/D转换 数字音频信号处理 D/A转换 变频器变频调速 N 音乐结束 Y 结束

图5.1 系统控制的流程框图

在电机转速控制系统中，单片机的主要作用是控制音频信号采集、A/D转换、数字信号延时处理和D/A转换。电机的转速变化是通过输出的模拟电信号给变频器

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以实现变频调速的。

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6 结 论

近年来，音乐喷泉得到了广泛应用。随着单片机技术的飞速发展，新型喷泉与单片机的交互应用越来越广泛，音乐喷泉也越来越复杂，越来越精密，考虑到成本因素，使得越来越多的控制部分需要单片机来完成。因此，单片机控制小型音乐喷泉已成为将来的趋势。

本文采用单片机协调音乐，喷水的变化，获得较为理想的效果，完成课题预期任务，可得出如下结论：

1.系统的整体设计方案是合理可行的。它既实现了音乐控制水柱变换的功能，又能有效节省开支。

2.完成了声音信号的采集处理，为进一步研究单片机对声音信号的处理提供了参考资料。

3.在软件编程上采用汇编语言，更接近底层硬件设备，在响应上较为快速，要优于C语言。

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结束语

在本次设计中，我学到了很多的东西。本设计从头到尾都是独立完成，所以我

得到了独立设计能力的锻炼，在语音信号的采集时，使用ISD1420芯片，学会了如何控制语音芯片，还学会了怎样进行A/D、D/A转换控制，同时加强了对硬件各芯片接口的认识。此外在这次设计中，我查阅了大量的相关资料，增强了查阅资料分析问题和解决问题的能力，翻译外文资料时锻炼了翻译能力，编程中加深了对汇编语言的了解，使编程更熟练，调试时锻炼了电子线路连接的能力，撰写论文时写作能力也得到了提高。

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参考文献

[1] 毛培林编著 喷泉设计，北京：中国建筑工业出版社，1990年

[2] 刘进辉，冀常鹏等编著 单片机智能控制技术，北京：国防工业出版社，2007年

[3] 刘文涛编著 单片机应用开发实例，北京：清华大学出版社，2005年

[4] 冯建华，赵亮编著 单片机应用系统设计与产品开发，北京：人民邮电出版社，

2004年

[5] 张洪润，张亚凡编著 单片机原理及应用，北京：清华大学出版社，2005年 [6] 沙占友，王彦明等编著 单片机外围电路设计，北京：电子工业出版社，2003年

[7] 天津东洋电机国际贸易有限公司：VF62CE小型变频器使用说明书

[8] 浙江天煌科技实业有限公司：THGMW-1型单片机51/96·微机8088三合一实验开发系统实验指导书（51分册）

[9] Atmel Corporation：8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash AT89S52，2001

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致 谢

在此论文工作即将完成之际，谨向关心、教育和指导我的辅导老师杨明鉴老师及负责老师富刚老师表示最崇高的敬意和衷心的感谢！在整个毕业设计期间，导师以渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风、积极进取的研究研究精神以及对学问巨细入微的风范给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。

在论文工作中，我还得到了张军老师、李亮亮老师以及实验室的刘国昌老师、刘聪老师的热情支持和帮助，在此表示衷心的感谢！

此外，我还要感谢各位同系的同学给予我的热情关心帮助，特别要感谢王凌云、孙盛伟、张波、王湛、计婷等同学在论文工作中给予的积极配合与帮助。

最后，特别要感谢我的父母对我生活和学业上的理解和支持，是他们对我的爱给了我无尽的动力去克服种种困难和艰辛。

谨以此文献给所有关心、帮助我的师长、同学和亲友们！

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附录Ⅰ 电路原理图

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附录Ⅱ 单片机程序

;//*********************************************************** REC BIT P3.2 PLE BIT P3.3 PLL BIT P3.4

ORG 0000H LJMP START ORG 0100H START:

MOV R7,#00H ;录放音地址,自行选择

;CALL RECORD ;录音 ;CALL PLAYL ;电平放音 CALL PLAYE ;脉冲放音

; 实验时取一个子程序有效 逐个试验。 SJMP $

;************************************** ; 名称:RECORD ; 功能:录音

;************************************** RECORD:

MOV A,R7

LCALL ADDR_OUT ;设定开始录音地址 CLR REC ;控制开始录音

30

MOV R7,#18 ;控制延时5s RECORD1:

LCALL DELAY1S DJNZ R7,RECORD1

SETB REC ;释放录音按键 RET

;************************************** ;名称:PLAYL ;功能:电平控制放音

;************************************** PLAYL:

MOV A,R7

LCALL ADDR_OUT ;设定开始播放地址 CLR PLL ;控制播放 MOV R7,#18 ;控制延时5s PLAYL1:

LCALL DELAY1S DJNZ R7,PLAYL1

SETB PLL ;释放播放按键 RET

;************************************** ;名称:PLAYE ;功能:脉冲触发放音

;************************************** PLAYE:

MOV A,R7

LCALL ADDR_OUT ;设定开始播放地址 CLR PLE ;控制脉冲触发播放

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MOV R7,#250 ;延时50ms PLAYE1:

LCALL DELAY1MS DJNZ R7,PLAYE1

SETB PLE ;结束控制信号 RET

;************************************** ;名称:ADDR_OUT ;功能:发送地址 ;入口:A(地址)

;************************************** ADDR_OUT: RLC

A

MOV P1.7,C RLC

A

MOV P1.6,C RLC A MOV P1.5,C RLC

A

MOV P1.4,C RLC

A

MOV P1.3,C RLC

A

MOV P1.2,C RLC

A

MOV P1.1,C RLC

A

MOV P1.0,C

32

RET

;************************************** ; 名称:DELAY1MS ; 功能:延时1MS ; 入口:R6,R5

;************************************** DELAY1MS:

MOV R4, #249 ;12M晶振:1000=2+2+(1+1+2)*249 DELAY1MS1: NOP NOP

DJNZ R4,DELAY1MS1 RET

DELAY1S: push r4 push r6 push r7 MOV R4, #4 Delayloop:

mov r6,#0 DelayLoop1: mov r7,#0 DelayLoop2: NOP

NOP djnz r7,DelayLoop2 djnz r6,DelayLoop1

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djnz r4,Delayloop pop r7 pop r6 pop r4 ret

;//*******************************************************************

DBUF EQU TEMP EQU D0809 EQU

30H 40H

8000H ;通道0地址

DIN BIT P1.0 CLK BIT P1.1

ORG 0000H

JMP START ORG 0080H START:

MOV DBUF+3,#0AH MOV DBUF+2,#0DH

MOV DPTR,#D0809

MOV A,#0

MOVX @DPTR,A

JNB P3.2,$

MOV B,A SWAP A

MOVX A,@DPTR ; 读入结果

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ANL A,#0FH

INC R0 MOV A,B MOV DBUF+1,A

ANL A,#0FH

MOV DBUF,A ACALL DISP1

acall delay

DISP1: ; 串行数码显示

MOV R0,#DBUF MOV R1,#TEMP MOV R2,#4 AJMP START

DP10: MOV DPTR,#SEGTAB

MOV A,@R0 MOVC A,@A+DPTR MOV @R1,A INC R0 INC R1 DJNZ R2,DP10 MOV R0,#TEMP MOV R1,#4

DP12: MOV R2,#8

MOV A,@R0

DP13: RLC A

MOV DIN,C

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CLR CLK

SETB CLK DJNZ R2,DP13 INC R0 DJNZ R1,DP12

RET

SEGTAB: DB 3FH,6,5BH,4FH,66H,6DH ;0，1，2，3，4，5

DB 7DH,7,7FH,6FH,77H,7CH ;6，7，8，9，A，B DB 58H,5EH,79H,71H,0,00H ;C，D，E，F，-

DELAY:

MOV R4,#80H AA1: MOV R5,#0FFH AA: NOP NOP

DJNZ R5,AA DJNZ R4,AA1 RET

;//******************************************************************* DAC0832 EQU 8000H

ORG 0000H LJMP START

ORG 0100H START:

MOV SP,#60H

MOV R0,#0 ;定义指向正弦DAC数据的指针，因为有361个数据

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MOV R1,#0 ;所以用了R0和R1两个寄寸器 LOOP:

MOV A,R0

MOV DPTR,#SINE_DATA CJNE R1,#1,LOW_TAB

INC DPH ;判断指针的高位字节R1是否为1。如果是，则DPH LOW_TAB: ;加1

MOVC A,@A+DPTR ;取出正弦波DAC的数据 MOV DPTR,#DAC0832

MOVX @DPTR,A ;启动D/A转换

INC R0 ;指针底八位加1处理 CJNE R1,#1,INC_LOW CJNE R0,#105,INC_OK

MOV R0,#0 ;如果已经取完数据并输出，则重新设置指针 MOV R1,#0 SJMP INC_OK INC_LOW:

CJNE R0,#0,INC_OK;判断是否要进位 MOV R1,#1 INC_OK:

ACALL DELAY AJMP LOOP

;********************************************** ;通过设置延时时间的长短来改变锯齿波的周期 ;********************************************** DELAY:

MOV R7,#5;改变数值可以改变正弦波的频率

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DJNZ R7,$ RET

;****************************** ;正弦波数据表，8位DAC的数据 ;****************************** SINE_DATA:

DB 128,130,132,135,137,139,141,144,146,148 DB 150,152,155,157,159,161,163,165,168,170 DB 172,174,176,178,180,182,184,186,188,190 DB 192,194,196,198,200,201,203,205,207,209 DB 210,212,214,215,217,219,220,222,223,225 DB 226,227,229,230,232,233,234,235,237,238 DB 239,240,241,242,243,244,245,246,247,247 DB 248,249,250,250,251,252,252,253,253,254 DB 254,254,255,255,255,255,255,255,255,255 DB 255,255,255,255,255,255,255,255,255,254 DB 254,254,253,253,252,252,251,250,250,249 DB 248,247,247,246,245,244,243,242,241,240 DB 239,238,237,235,234,233,232,230,229,227 DB 226,225,223,222,220,219,217,215,214,212 DB 210,209,207,205,203,201,200,198,196,194 DB 192,190,188,186,184,182,180,178,176,174 DB 172,170,168,165,163,161,159,157,155,152 DB 150,148,146,144,141,139,137,135,132,130 DB 128,126,124,121,119,117,115,112,110,108 DB 106,104,101,99,97,95,93,91,88,86 DB 84,82,80,78,76,74,72,70,68,66 DB 64,62,60,58,56,55,53,51,49,47

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DB 46,44,42,41,39,37,36,34,33,31 DB 30,29,27,26,24,23,22,21,19,18 DB 17,16,15,14,13,12,11,10,9,9 DB 8,7,6,6,5,4,4,3,3,2 DB 2,2,1,1,1,0,0,0,0,0 DB 0,0,0,0,0,0,1,1,1,2 DB 2,2,3,3,4,4,5,6,6,7 DB 8,9,9,10,11,12,13,14,15,16 DB 17,18,19,21,22,23,24,26,27,29 DB 30,31,33,34,36,37,39,41,42,44 DB 46,47,49,51,53,55,56,58,60,62 DB 64,66,68,70,72,74,76,78,80,82 DB 84,86,88,91,93,95,97,99,101,104 DB 106,108,110,112,115,117,119,121,124,126 DB 128 END

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