【正文】 55 流量 (m3/h) — 5— 7 4 噴高 (m) — — — 噴灑直徑 DN(mm) — 連接管直徑 DN(mm) 15 25 25 20 連 接形式 內(nèi)螺紋 內(nèi)螺紋 內(nèi)螺紋 內(nèi)螺紋 安裝尺寸 A(mm) 70 100 150 140 安裝尺寸 B(mm) 40 60 50 10 數(shù)量（個(gè)） 5 1 5 5 圖 片 ② 流量計(jì)算 噴頭的流量可按下列公式計(jì)算： 2Q f gH??? 嘴 [1] 式（ ） 式中 Q — 噴頭的流量 ? 噴頭的流量系數(shù) f — 噴嘴的過水面積 g— 重力加速度 由此可計(jì)算出主管道總流量為： 1 2 2 3 3 4 44 3 5 35 3 5 33 3 35 10 / 5 9 .26 10 /5 1 .7 10 / 1 3 .38 10 / 10 / 4 .52 /n Q n Q n Q n Qm s m sm s m sm s m h???? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?1總Q式（ ） 商丘科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 配水管網(wǎng)的計(jì)算 配水管網(wǎng)的計(jì)算主要是確定管徑和水頭損失。 當(dāng)垂直視角為 30度時(shí)，其合適視距為 [1]： 10cot ( )30cot ( )23. 7 ( )D H hHhHh??????? 式（ ） 式中 D1— 合適視距 H— 景物高 h— 人眼高 根據(jù)旅游景點(diǎn)內(nèi)的特征，取水平合適視距為 左右較為合適，因此由式（ ）可得噴水池的寬度為 2 2 .5 2 .11 .2 1 .2DWm? ? ? 式（ ） 由于小型噴泉的垂直合適視距約為噴水高的 3 倍，噴泉景物合適的視距約為景物寬度的 倍，因此噴泉的噴水高度按最大為 2m高的水柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，寬度也按 2m 進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，噴泉所占據(jù)的空間位置，需根據(jù)人眼視域的生理特征以及周圍的景物來確定，經(jīng)查相關(guān)資料，由以下兩個(gè)指標(biāo)確定，即垂直視域和水平視域。 選擇此方案作為本次設(shè)計(jì)的花 形造型方案。本方案采用十字形供水方式，將水泵設(shè)置在噴池中央，同樣是為了讓水流迅速流至每個(gè)噴頭，當(dāng)然也可以采用在外圈或內(nèi)圈安裝水泵，用一短直管將內(nèi)外兩圈的水管連接起來，就可以向各個(gè)噴頭供水了，但是這種方式使距離水泵較遠(yuǎn)的噴頭的水柱高度變化會滯后于距離水泵較近的同性質(zhì)的噴水高度變化，產(chǎn)生的滯后效應(yīng)較十字形供水方式的滯后效應(yīng)大。由于涉及到變頻器、水泵、電磁閥、噴頭的選擇，故需進(jìn)行噴泉造型系統(tǒng)的管網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算（流量計(jì)算、損失計(jì)算等），這將作為變頻器、水泵、電磁閥、噴頭選擇的依據(jù)；同時(shí)要進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)），是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的放音、花形變化、燈光變化，以及音樂信號和花形的同步性處理。 針對不同水形要求有不同的控制方法 ， 從噴泉的控制來看基本可分為四類：第一類水形，啟動水泵直接向管道和噴頭加壓，效果是噴頭的水柱在啟動和停止時(shí)有一過渡的升降過程；第二類水形，需要通過變頻器控制 水泵轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)一種水柱連續(xù)升降的效果；第三類水形，在加壓噴水時(shí)啟動傳動電機(jī)控制噴頭搖擺，達(dá)到一種花型變換；第四類水形，需要在直接啟動水泵向管道加壓后，通過控制器快速地控制大量的電磁閥門的開閉，使噴嘴以各種方式進(jìn)行點(diǎn)射，形成所謂 的 跑泉和跳泉效果。這些開關(guān)信號驅(qū)動閥門、彩燈、水泵隨著音樂進(jìn)行不同的組合，從而產(chǎn)生各種水形和燈光變換效果。因此， 音樂噴泉工程中 無疑也會 安裝大量的電磁閥門、彩燈、水泵和產(chǎn)生其它機(jī)械動作的電機(jī)。隨著 音樂噴泉的使用越來越廣泛，涉及 到的控制方式也就越多，變頻器，單片機(jī)，上位機(jī)，觸摸屏等， 于是噴泉的控制 涵蓋 了 自動化的各個(gè)學(xué)科，并且形象直觀 。 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容 音樂噴泉的 工作原理 為： 根據(jù)播放的音樂來控制 噴泉的花形大小變化和水柱的高度變化 ， 以使水柱高度的變化及花形大小的變化 與音樂 的節(jié)奏 同步 ，噴泉管路中的 水 流 由水泵 調(diào)節(jié) ， 而 水泵 是 由三相異步電動機(jī) 驅(qū)動 的 。 大半徑的速度由泵帶動，小半徑中的速度是原來速度，與動量轉(zhuǎn)化速度。目前，國內(nèi)的音樂噴泉逐漸向智能化、分散化、綜合化、多樣化的方向發(fā)展，于是對噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。 以上幾處音樂噴泉從建筑形式、音樂曲調(diào)及水舞表演的角度展現(xiàn)了音樂噴泉的美麗姿態(tài)，但是都屬于大型的音樂噴泉 ，其控制系統(tǒng)也 多采用 PLC 邏輯編程控制，造價(jià)高，《 單片機(jī)控制的音樂噴泉》 2 流量需求大，一般為專門的定量設(shè)計(jì)。白天，假山瀑布及兩側(cè)的噴泉群與 3 層水池形成一 處動靜結(jié)合的較為文雅悠揚(yáng)的水景園，入夜則有五光十色，優(yōu)美動聽的噴泉景觀，整個(gè)舞臺區(qū)域東西面闊近百米，南北深度約 40m,成為目前亞洲最大的音樂噴泉之一。 新加坡圣陶沙旅游區(qū)的音樂噴泉的設(shè)計(jì)與效果也是值得參考的，它布置在一個(gè)空曠 而略有坡度的空間，面積很大，與圣陶沙車站前的長形噴水池共同組成為一個(gè)長達(dá)數(shù)百米的綜合系列噴泉，音樂噴泉位于系列噴泉的頂端。 南昌的秋水廣場是由“落霞與孤雁齊飛，秋水共長天一色”的意境而得名， 秋水廣場就是以噴泉為主題，集旅游、觀光、購物的大型休閑廣場。選用單片機(jī)作為此次音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制核心，主要是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的放音，并控制多個(gè)電磁閥的開閉動作和水泵的動作，解決系統(tǒng)中信號的同步性問題。其音樂噴泉的控制也變得靈活多樣，如單片機(jī)、PLC、 DSP 等都在音樂噴泉中有所運(yùn)用，當(dāng)然也具有優(yōu)缺點(diǎn)。在音樂噴泉走向全世界的同時(shí)，各種新技術(shù)也不斷地運(yùn)用在音樂噴泉上，使其表演變得復(fù)雜和美麗，給人們帶來無限的樂趣，提高了人們的生活質(zhì)量。在 1952 年的夏天，在西柏林的工業(yè)展覽中，一個(gè)美國人看到了奧圖皮士特先生音樂噴泉的表演，并把它帶回紐約。 1 1 緒論 設(shè)計(jì)背景 德國發(fā)明家奧圖皮士特先生在 1930 年提出噴泉的相關(guān)理論，隨后他在百貨商店和餐館前建造小型的噴泉。經(jīng)過多年來的發(fā)展，音樂噴泉的設(shè)計(jì)變的多樣化，構(gòu)造變得復(fù)雜化。 1953 年 1月 15日音樂噴泉在美國首次表演，表演期間超過 150 萬人觀看。 為了使控制簡單 可靠，適應(yīng)現(xiàn)代社會的市場需求，各種形式的噴泉層出不窮，并逐步轉(zhuǎn)向小型和營業(yè)性較強(qiáng)的方向發(fā)展。本課題針對旅游景點(diǎn)內(nèi)設(shè)計(jì)了觀賞性的小型“音樂噴泉”。 音樂噴泉的現(xiàn)狀和發(fā)展 北京石景山古城公園的音樂噴泉，在悠揚(yáng)動聽的音樂聲中，噴水可產(chǎn)生五六種變化，時(shí)而轉(zhuǎn)動如銀傘 ，時(shí)而飄忽如玉帶，時(shí)而如金蛇狂舞 ，時(shí)而旋轉(zhuǎn)飛濺??噴出的花形有曇花、菊花、扶桑花、百合花和曼陀羅花，這是在 80 年 代初期中國較早修建的一個(gè)音樂噴泉。他的音樂噴泉最吸引人注目，是國內(nèi)最大的音樂噴泉群，泉水面積 萬平方米，主噴高達(dá) 128 米，是南昌的一倩麗景觀，人們可以一邊欣賞音樂，一邊觀看滕王閣的美景。舞臺為一假山堆疊的西洋式半圓柱廊組成，共分 3 層。表現(xiàn)出壯闊、絢麗的水景之美。即使這樣，國內(nèi)外的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)均已達(dá)到成熟的水平，而且還有專門的生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家，提供設(shè)計(jì)、噴泉設(shè)備及安裝等服務(wù)。 噴泉的物理原理 噴泉的原理是個(gè)動量守恒，從大半徑管道到小半徑管道，產(chǎn)生一個(gè)速度的變化，沖向背離地面的方向。需要選擇一個(gè)微元計(jì)算動 量守恒，這樣能求出一個(gè)速度，這個(gè)速度是出口速度，然后就是一個(gè)上拋運(yùn)動了，這個(gè)是理想的情況，沒有摩擦，沒 有風(fēng) 。因此只要控制了 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，就可以可能控制管路中的流量，當(dāng)給 三相異步電動機(jī)通入工頻電源 時(shí) ， 則 轉(zhuǎn)速是不變化的 ；當(dāng)采用 變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 時(shí) ， 可以 使 管路中的流量發(fā)生柔性 變化 ，這樣噴泉運(yùn)行時(shí)花形變化就更靈活。 雖然噴泉的種類繁多，如 廣場噴泉 、 景點(diǎn)噴泉 、 旱泉 、 跑泉 、 激光噴泉 、 層流噴泉 、趣味噴泉 、 水幕電影 等等， 這些噴泉噴水時(shí)的花形都具有千姿百態(tài)的效果，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：即 形成水形的基本通路 都 是由水泵、管道、閥門和噴頭組成 。除個(gè)別變頻水泵需要用模擬信號來連續(xù)調(diào)節(jié)水柱高 度、實(shí)現(xiàn)特定的藝術(shù)效果之外，其它部件基本是通過開關(guān)量進(jìn)行控制。為了達(dá)到聽覺、視覺的和諧統(tǒng)一，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)音樂的節(jié)奏、旋律和感情色彩輸出，產(chǎn)生各種不同的狀態(tài)組合來 控制 水形和燈光實(shí)時(shí)變化 ， 這也是音樂噴泉的控制不同于工業(yè)控制的主要特點(diǎn)。 通過上述分析，本課題將同時(shí)采用 第二類水形 和 第四類水形 ，即控制系統(tǒng)須控制變頻器的動作，實(shí)現(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)速控制，讓噴泉在運(yùn)行時(shí)，可以看到水柱的連續(xù)升降和花 型 3 的大小變化效果；為了在噴泉運(yùn)行過程中，隨音樂的節(jié)奏變化，可以在不同的瞬時(shí)獲得不同的花形，系統(tǒng)將設(shè)有一定數(shù)量的電磁閥，系 統(tǒng)將根據(jù)音樂節(jié)奏的快慢或信號的強(qiáng)弱，控制相應(yīng)的電磁閥開閉狀態(tài)，就可以得到不同的花形。 《 單片機(jī)控制的音樂噴泉》 4 2 音樂噴泉造型系統(tǒng)設(shè)計(jì) 造型方案設(shè)計(jì)及選擇 方案：設(shè)置了十六個(gè)噴頭，分內(nèi)外兩圈布置， 在水池的 中心 還設(shè)置了 一個(gè) 花柱噴 頭， 噴泉造型如圖 所示 。同時(shí)，本方案具有花形控制靈活，花形變化類型多，而且觀賞效果好，可以從各個(gè)方向上都能夠看到同樣的花形，作為旅游景點(diǎn)內(nèi)觀賞用的音樂噴泉是較佳的選擇。由于噴泉設(shè)置在旅游景點(diǎn)內(nèi)，為了取得較好的視距效果。當(dāng)垂直視角在 30度、水平視角在 45度的范圍內(nèi)，有良好的視域 [1]。 商丘科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 水泵 1— 花柱噴頭 6— 樹冰噴頭 1 1 15— 萬向直流噴頭 1 1 16— 扁嘴噴頭 圖 噴泉造型平面圖 噴泉的管網(wǎng)設(shè)計(jì) 噴泉的水力計(jì)算 ① 水平射程和噴水高度 影響噴頭水平射程的因素很多，但主要 因數(shù) 是工作壓力，噴嘴直徑和噴射角度 ,射流曲線軌跡的幾個(gè)主要參數(shù)見圖 。 ① 管徑的計(jì)算 由水力學(xué)公式得知 2,4Q A V A D?? ? ?而 ，將其代入上式，移項(xiàng)得 [1]： ?4QD= V式（ ） 式中 D— 管徑 Q — 流量 A— 水管的過水?dāng)嗝娣e （通流面積） π — 圓周率 V— 流速 查標(biāo)準(zhǔn)管道直徑系列無 48mm 的管徑，因此需對其修正，查標(biāo)準(zhǔn)管徑系列取D=50mm. ②水 頭損失計(jì)算 噴泉中使用的管道都是壓力管道，水流經(jīng)管道時(shí)能量損失叫水頭損失。即 ??沿 局總h = h + h 式 （ ） 式中 h— 總水頭損失 ∑ h 沿 — 沿程水頭損失之和 ∑ h 局 — 局部水頭損失之和 噴泉的管道布置、管材及附件選擇 噴泉的管道布置 噴泉的管道主要由輸水管、配水管、補(bǔ)給水管、溢水管和泄水管等組成。 ② 由于蒸發(fā)等原因，造成噴水池內(nèi)水量的損失，另外水泵運(yùn)行前需要充水 ， 因此噴水池需設(shè)補(bǔ)充供水管。 ④ 連接噴頭的水管不能有急劇的變化 ， 直管的長度不小于噴頭直徑的 20～ 50倍 ， 以保持射流的穩(wěn)定。 管材的選用 按表 50mm，外徑為 60mm 的鋼管，管螺紋連接方式（圓柱形管螺紋），其螺紋長度為 24mm，基面處 大 徑為 。 ① 連接管件 鋼管的連接方式有螺紋連接，焊接和法蘭連接三種。 表 噴泉管道材料選擇表 管材 類別和名稱 產(chǎn)品特征 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 金屬管 水煤氣鋼管 鍍鋅鋼管︵白鐵管︶ 管徑︵mm︶ 單根長度（