【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 十六進(jìn)制數(shù) 0100H 0101H 0102H 0103H 《 單片機(jī)控制的音樂噴泉》 14 表 8155 命令字表 TM2 TM1 IEB IEA PC2 PC1 PB PA 命令字 0 0 0 0 1 1 1 1 0FH 變頻器的選擇 ①變頻器 工作控制 的 原理 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，浪花與音樂要保持同步， 在此 提出了以下 3點(diǎn)問題： 1） 怎樣實(shí)現(xiàn)噴泉與音樂的同步 ； 2） 變頻器能否瞬時(shí)響應(yīng) ； 3） 整套設(shè)備的調(diào)試和絕緣安全性 。 為此根據(jù)要求對(duì)同步控制的可行性進(jìn)行分析 如下 ：利用音樂的音頻信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行控制，音樂的音頻信 號(hào)本身是一個(gè)功率很小的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓可以輸出一個(gè)相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)，相對(duì)來講該信號(hào)很微弱，再經(jīng)過對(duì)該信號(hào)進(jìn)行功率放大，可以輸出 0－ 5V 的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)，即可以實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)對(duì)變頻器的控制，即對(duì)水泵浪花的控制，從而實(shí)現(xiàn)音樂對(duì)噴泉浪花的控制。為了達(dá)到這一控制原理，下面對(duì)通用性的變頻器的工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹： 控制電路 1— 整流部分 2— 濾波部分 3— 逆變部分 4— 控制部分 5— 負(fù)載 圖 通用變頻器基本電路 通用變頻器的基本 電路如圖 ，它由 4個(gè)主要部分組成，分別是 ： 1— 整流部分，把交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?； 2— 濾波部分，把脈動(dòng)較大的交流電進(jìn)行濾波變成比較平滑的直流電 ； 3— 逆變部分，把直流電又轉(zhuǎn)換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關(guān)元件按照控制電路的驅(qū)動(dòng)、輸出脈沖寬度被調(diào)制的 PWM 波，或者正弦脈寬調(diào)制 SPWM 波，當(dāng)這種波形的電壓加到負(fù)載上時(shí)，由于負(fù)載電感作用，使電流連續(xù)化，商丘科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 變成接近正弦形波的電流波形 ； 4— 控制電路是用來產(chǎn)生輸出逆變橋所需要的各驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)是受外部指令決定的，有頻率、頻率上升下降速率、外部 通斷控制以及變頻器內(nèi)部各種各樣的保護(hù)和反饋信號(hào)的綜合控制等。 通用變頻器對(duì)負(fù)載的輸出波形都是雙極性 SPWM 波，這種波形可以大幅度提高變頻器的效率，但同時(shí)這種波形使變頻器的輸出區(qū)別于正常正弦波 ,產(chǎn)生了變頻器很多特殊之處。雙極性 SPWM 波如圖 所示 ,其中圖 (a)是三角形的載波與正弦形信號(hào)進(jìn)行比較的情形，圖 (b)是比較后獲的 SPWM 波形。 圖 雙極性 SPWM 調(diào)制器 因此， 為了控制噴泉管道中的流量，使花形變化柔性化，即使花形的高度和大小能夠很好地跟隨音樂節(jié)奏的變化，這樣選擇變頻器 就可以控制潛水泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)潛水泵的轉(zhuǎn)速的改變就直接改變了管道中的流量。由于變頻器有數(shù)字輸入和模擬輸入的信號(hào)類型。因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出的是數(shù)字信號(hào)，若要選擇模擬輸入信號(hào)的變頻器，就必須進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，本身變頻器的價(jià)格就比較昂貴了，在加 入一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，無疑是增加產(chǎn)品和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)成本。故直接選擇具有數(shù)字輸入的變頻器，但是一般的變頻器不能直接與單片機(jī)相連，需要進(jìn)行強(qiáng)弱電的隔離處理。為了不單獨(dú)選擇或設(shè)計(jì)隔離電路，經(jīng)查閱大量資料，有帶隔離數(shù)字輸入的變頻器，因此可直接選用這種變頻器，目的可使硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少各硬件電路之間的干擾和時(shí)間延遲，以保證音樂放音和花形及流量的同步控制動(dòng)作。 根據(jù) 變頻器的選用原則 ： 變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的功率和電流 。 由于變頻的過載能力沒有電機(jī)過載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)有過載，損壞的首先是變頻器 (如果變頻器的保護(hù)功能不完善的話 )； 又如果設(shè)備上已選用的電機(jī)功率大于實(shí)際機(jī)械負(fù)載功率，但是有可能用戶會(huì)將把機(jī)械功率調(diào)節(jié)到達(dá)到電機(jī)輸出功率，此時(shí)，變頻器一定要可以勝任，也就是說變頻器的功率《 單片機(jī)控制的音樂噴泉》 16 選用一定要等于或大于電機(jī)功率。個(gè)別電機(jī)額定電流值較特殊，不在常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格附近，又有的電機(jī)額定電壓低，額定電流偏大，此時(shí)要求變頻器的額定電流必須等于或大于電機(jī)額定電流 [16]。 因此 變頻器的選擇主要是對(duì)變頻器容量的選擇，而變頻器的容量又由很多因素決定，如電動(dòng)機(jī)容量、電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間（即反應(yīng)時(shí)間）等，其中，最主要的是電動(dòng)機(jī)的額定電流 。 ② 變頻器的容量計(jì)算 [17] 由于變頻器只驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，而對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須滿足下列 3 項(xiàng)計(jì)算公式： 滿足負(fù)載要求輸出： co s1 .0 5 3 4 .4 70 .8 2 0 .8 6MCMKPPK V A?? ????? 式（ ） 滿足電動(dòng)機(jī)容量： 333 1 03 1 0 1 . 0 5 3 8 0 7 . 5 4 5 . 2 1C M E EP K U I AK V A????? ? ? ? ? ? 式（ ） 滿足電動(dòng)機(jī)電流： 1 .0 5 7 .5 4 7 .9 2C M EI K I A?? ? ? 式（ ） 式中： PCM是變頻器 的容量、 PM負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率、 UE是電動(dòng)機(jī)的額定電壓、 IE 電動(dòng)機(jī)的額定電流、η是電動(dòng)機(jī)的效率、 cos? 電動(dòng)機(jī)功率因素、 K 是電流波形補(bǔ)償系數(shù)，由于變頻器的輸出波形不是完全的正弦，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加。對(duì)于 PWM控制方式的變頻器， K的取值為 ～ 。 根據(jù)以上條件 可選擇 成都中南實(shí)業(yè)有限公司 提供的西門子全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器，變頻器型號(hào)為 MICROMASTE 440 通用型的 變頻器。其相關(guān)參數(shù)如表 ，接線端子如圖 。 對(duì)于表 中加、減速時(shí)間，本設(shè)計(jì)中設(shè)定設(shè)定為 ，這樣設(shè)定的目的是為了提高變頻器的反應(yīng)時(shí)間，使之與音樂的各個(gè)音符之間的最小間隔時(shí)間相匹配；如果該時(shí)間設(shè)定值過大，當(dāng)音符由上一個(gè)變化至下一個(gè)音符時(shí)，變頻器的反應(yīng)就不迅速了，這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電路原理圖中的延遲電路是加在音響和燈光之前的，而沒有在變頻器之前加延遲電路，故不能直接對(duì)變頻器進(jìn)行延時(shí)處理，所以，變頻器的設(shè)定值取較小值為宜。 商丘科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 17 表 相關(guān)變頻器參數(shù) 變頻器型號(hào) MICROMASTE 440 變頻器輸出 最大適用電機(jī)功率（ KW） 額定容量（ KVA） 額定電流（ A） 輸入信號(hào) 數(shù)字設(shè)定 接收三位數(shù)字信號(hào) 輸出信號(hào) 報(bào)警輸出 加減速時(shí)間 ～ 9999秒（加、減速時(shí)間獨(dú)立設(shè)定） 外接制動(dòng)單元 外接制動(dòng)電阻數(shù)字輸入自由停車復(fù)位正轉(zhuǎn)電源電流輸出 頻率輸出 繼電器輸出1 繼 電器輸出2 開集電器輸出 電阻反饋電壓反饋0 ～24 ～2模擬輸入0 ～電機(jī)圖 變頻器接線端子 ③變頻器的頻率設(shè)定 根據(jù)前面控制功能分析可知變頻器要實(shí)現(xiàn)八種電機(jī)速度，由于最高轉(zhuǎn)速時(shí)為2860r/min，而在噴泉的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就以最高速設(shè)計(jì)的。那么最高速時(shí)電機(jī)接受正常的供電頻率為 50Hz；最低轉(zhuǎn)速時(shí)為 ，那么變 頻器輸出頻率就為；由于考慮到制動(dòng)的原因，制動(dòng)前應(yīng)把速度減到較低的速度，可設(shè)置這個(gè)頻率為 。 變頻器通過外部給定方式，外部數(shù)字量給定，由外部端子輸入，因此電機(jī) 轉(zhuǎn)《 單片機(jī)控制的音樂噴泉》 18 速 可 通過 MICROMASTE 440 通用型的變頻器的數(shù)字輸入 端 口 X X X3 的 電平高低組成的速度控制字進(jìn)行設(shè)定 。設(shè) PC 口輸出的控制信號(hào)中， 0 代表變頻器輸入口處于通電狀態(tài)， 1代表變頻器輸入口處于斷電狀態(tài)。 速度設(shè)定單元為變頻器的 A1A1 A A1 A1 A1 A1 A18 八 個(gè)單元，其設(shè)定值（頻率）見表 。 表 變頻器速度設(shè)定表 速度控制字 智能端子電平高低 速度設(shè)定單元 速度設(shè)定值／ Hz 端子 X3（ PC2） 端子 X2（ PC1） 端子 X1（ PC0） F8H 0 0 0 A11 F9H 0 0 1 A12 FAH 0 1 0 A13 FBH 0 1 1 A14 25 FCH 1 0 0 A15 FDH 1 0 1 A16 FEH 1 1 0 A17 FFH 1 1 1 A18 50 硬件 延遲 電路 ① 延遲時(shí)間的 計(jì)算 延遲時(shí)間的計(jì)算的目的是保證音樂放音時(shí)與噴頭噴水時(shí)到達(dá)同步動(dòng)作，但并不能完全同步，只能盡量減小視覺和聽覺上的差異。于是，延遲時(shí)間的計(jì)算是非常重要的，將直接影響 延遲電路或 編制延遲程序時(shí) 的 延遲時(shí)間設(shè)定。 由前面的計(jì)算過程可以知道，水流經(jīng)管道流到噴頭處時(shí)，不但存在沿程損失，而且會(huì)產(chǎn)生沖擊，不管是 電磁 閥的啟動(dòng)還是關(guān)閉時(shí)，由于管中有水，當(dāng) 水 泵啟動(dòng)時(shí)，便對(duì)水產(chǎn)生壓力，水流就會(huì)對(duì) 電磁閥和球 閥產(chǎn)生沖擊，當(dāng) 電磁 閥突然關(guān)時(shí)，管道中仍然 會(huì) 產(chǎn)生壓力沖擊，即液體的突然停止運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)能向壓力能得瞬間轉(zhuǎn)變。故理論 上 到達(dá)的時(shí)間與實(shí)際到 達(dá)的時(shí)間有一定的滯后， 且滯后的時(shí)間就是產(chǎn)生沖擊的時(shí)間， 故需要進(jìn)行延遲計(jì)算。 從前面的設(shè)計(jì)過程可知，產(chǎn)生時(shí)間延遲的部分包括：變頻器 (tp)和水泵的反應(yīng)時(shí)間 (tb)，電磁閥的開閉反應(yīng)時(shí)間 (tf)及產(chǎn)生沖擊的時(shí)間（ tc）。因此總的延遲時(shí)間為： 0. 1 0. 1 0. 1 0. 05 7p b f ct t t t ts? ? ? ?? ? ? ?? 式（ ） 商丘科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 19 即硬件延遲電路的總延遲時(shí)間為： 。 ② 硬件延遲電路 設(shè)計(jì) 硬件延遲電路的設(shè)計(jì)目的是為了使音樂放音和變頻器的控制動(dòng)作與花形實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作，這是因?yàn)橛密浖刂撇荒苓_(dá)到 的原因。 μμ輸出 (a) 延遲觸發(fā)輸入 (b) 圖 硬件延遲電路 硬 件延遲電路 圖 （ a）中的延遲電路為一般的延遲電路，其中電路的負(fù)載為繼電器或電磁鐵的線圈，也可以是信號(hào)燈等顯示和報(bào)警器件。但接通電源開關(guān)時(shí)運(yùn)算放大器的反相輸入端（ ）加分壓值 UT，而同相輸入端（ +）由 于電容 C1尚《 單片機(jī)控制的音樂噴泉》 20 未充電，故其電壓為負(fù)值。該電路的技術(shù)參數(shù) 見表 。對(duì)于像圖（ a）中一般 的延遲電 路，通常要借助電解電容器或高阻抗電路，而且這類延時(shí)電路的穩(wěn)定性較差，延時(shí)的精度也不高。 于是給出了圖 （ b）所示的數(shù)字式長(zhǎng)延時(shí)電路，它完全摒棄了電解電容和高阻抗電路，延時(shí)精度高。電路的核心是集成塊 MC14521B，這是一個(gè) 24 級(jí)分頻電路，內(nèi)含可構(gòu)成振蕩電路的倒相器。如果將觸發(fā)輸入端接地或不加信號(hào)，則電路進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)，延時(shí)時(shí)間由范圍開關(guān) X和 100K?電位器來調(diào)整。 若 X 與點(diǎn) A相接，延時(shí)為 1分 40 秒至 18分 30 秒，而 X 與 B 相接，延時(shí)為 13分 20 秒至 2 小時(shí) 28 分。當(dāng) X 與 C 相接時(shí)，延時(shí)為 1 小時(shí) 47 分至 20 小時(shí)。 具體延時(shí)時(shí)間由 100K? 電位器調(diào)定。若要進(jìn)行較短或更長(zhǎng)的延時(shí)，則可用較小的或較大電容代替 39nF 電容。這時(shí)延時(shí)小到 。在觸發(fā)輸出端加正信號(hào)，則 4521B 內(nèi)的分頻器復(fù)位。要使延時(shí)穩(wěn)定可靠，一般采用 6～ 15V 的穩(wěn)壓電源供電。在此選擇數(shù)字延時(shí)電路，由總的延遲時(shí)間的計(jì)算知，該電路的延遲時(shí)間為 ，所以應(yīng)將 39nF 的電容換成 13nF。 表 一般延遲電路的技術(shù)參數(shù) 工作電壓 延遲時(shí)間 重復(fù)動(dòng)作時(shí)間 開關(guān)功率 UB=12V177。 12% tv約 260s tw 約 12s 120W～ 系統(tǒng)工作流程 本控制系統(tǒng)具備以下功能： ①樂曲播放：將存入單片機(jī)的音樂控制碼，經(jīng)軟件處理后，輸出至外圍的延遲放大電路后，再送至音響播放樂曲。由于燈光和音響水并聯(lián)的，所以，此時(shí)燈光將同時(shí)變化，而水下燈 SXLED 是通過固態(tài)繼電器 SSR驅(qū)動(dòng)。 ②按鍵功能：采用了點(diǎn)動(dòng)觸發(fā)按鈕， S1（系統(tǒng)復(fù)位鍵