摘要：一般音乐喷泉的控制方式比较简单，由技术人员采取预先编程的控制模式，这样不仅操作繁琐，预编的效果也很难与音乐契合，往往就展现不出很好的音乐喷泉效果。针对传统音乐喷泉的缺点，设计了基于PLC的音乐喷泉控制系统，通过对音乐信号的采集处理，模拟量输出到A/D扩展模块再传送给PLC；根据该信号自动控制变频器和多色彩灯，再由变频器控制电机转速，带动水泵等负载，控制喷泉实时随着音频的变化，可以实现更好的音乐喷泉的视听效果。
关键词：音乐喷泉；PLC；变频器

Design of Small Music Fountain System Based on PLC
Author: Lin Pan Tutor: Zhong Chengyao
(School of Physics and Electronic Engineering, Hainan Normal University, Haikou, 571158)

Abstract: The control method of traditional music fountains is relatively simple, usually employing pre-programmed control modes by technical personnel. However, this approach is not only cumbersome but also often fails to synchronize effectively with the music, resulting in subpar music fountain effects. To address the shortcomings of traditional music fountains, a PLC-based music fountain control system is designed. This system involves the collection and processing of music signals, analog output to an A/D expansion module, and transmission to the PLC. Based on this signal, the system automatically controls the frequency converter and multi-color lights. The frequency converter then regulates the motor speed, driving loads such as water pumps, to synchronize the fountain’s performance in real-time with the audio, achieving superior visual and auditory effects.
Keywords: Music Fountain; PLC; Frequency Converter
1 引言
1.1音乐喷泉的研究意义
音乐喷泉的背景是为了改善城市环境，促进文化多样性[1]。目前，全球各地都在进行着各种各样的城市化改造活动，但是没有一种方法能像音乐喷泉这样有效地改变人们对自然的看法。它们不仅能够通过调节水柱高度来表现出不同风格的艺术作品，而且还具有很强的观赏性和娱乐效果。因此，音乐喷泉成为了一个非常好的景观设计项目，可以帮助我们提高城市生活质量[2]。
现代社会已经进入了飞速发展的时代，新型高科技层出不穷[3]。人们的物质生活质量有了显著的提高，并更多的开始追求精神层面的愉悦。随着社会的进步，人们对周围的生活环境和休闲场所有了更高的要求，美乐独奏不能满足大多数人的要求。在许多大型商业广场、休闲公园等地建造了各式各样的音乐喷泉，这些音乐喷泉把灯光、水体和音乐巧妙地结合，给人展现视觉与听觉上的双重美感，无不令人赏心悦目[4]。综上所述，音乐喷泉受到广大民众的喜爱，具有很大的社会价值；近年发展十分迅速，类型及表现形式各式各样，具有很大的经济价值。
1.2 国内外研究现状
传统的音乐喷泉，喷泉与音乐往往缺乏直接联系。然而，现代音乐喷泉则致力于实现喷泉与音乐的和谐共舞，随着音乐的节奏和旋律变化，喷泉的水型也相应展现出丰富的变化，创造出绚烂夺目的水景效果。音乐喷泉是一种表演设备，巧妙地利用音乐的情感特征，使喷泉呈现出相应的灯光颜色变化和水型表演。设计精美的音乐喷泉完美融合了优美的音乐与水流的变换，为观众带来视觉上的震撼体验，营造出令人惊叹的环境艺术效果。现代音乐喷泉涉及计算机控制、流体力学、电气以及音乐编导等众多领域，是一项集多种学科知识于一体的综合性工程。音乐喷泉的构想最初由德国科学家奥图·皮士特霍提出，他更是将这一创意付诸实践，制作出一个小型喷泉并应用在大商场中。随着时间的推移，音乐喷泉不断完善，功能日益丰富，设备规模也逐渐扩大。GUNTER继承了父亲的音乐喷泉理念，进一步推动其多样化发展，并在1952年的西柏林工业展上展示了多年的研究成果。自此，音乐喷泉开始在世界各国逐渐兴起并持续发展。目前，西欧一些国家已经涌现出许多专业的喷泉系统制造商，如加拿大的PEM、美国的WALTZING、意大利的NEONALPINA等，它们实力强劲，处于行业领先地位[5]。随着我国经济的蓬勃发展，为满足喷泉工程建设的需求，我国也开始积极研究各类音乐喷泉，并取得了一系列重要的科研成果[6]。
1.3 主要的研究内容
新型的音乐喷泉，相对于一般传统的音乐喷泉更加智能化，不需要操作人员对歌曲的特征和情感有较深的理解，也不需要针对不同的音乐曲目设计不同的灯光水型，这省去了很多的预编程时间。基于PLC的小型音乐喷泉系统设计，采用了新型音乐喷泉的一些控制方式，采集音频信号并处理成标准模拟信号，将模拟信号经过A/D扩展模块转换为数字信号，再通过PLC控制变频器的频率及彩灯变化，从而变频器控制水泵改变水柱的高度，水柱高度和色彩的双重变化，实现喷泉随音乐变化的效果。
2 音乐喷泉系统设计
PLC和变频器作为该音乐喷泉系统的两个主要控制单元。首先音乐播放设备发送音频信号至音频转换器，转换器电路将采集到的音频信号进行处理，输出标准电压信号与A/D扩展模块连接，进行A/D转换后由PLC读入数值。再根据读入数值的大小输出控制多个彩灯颜色变化；同时控制变频器实现多段速调速，变频器改变频率控制电机转速变化，接着电机控制水泵改变水体高低变化。通过PLC的控制可实现彩灯与水体的同步变化，研究系统的总体设计框图如图1所示。

图 1 系统总体设计框图
3 音频信号的分析与处理
3.1 音频信号的基本性质
众所周知，声音是由物体的振动产生的，可以根据物体不同的振动方式将声音进行分类。一般物体在无规则振动下产生的声音称为噪音，音高不固定，会让人觉得难听[7]。而我们所熟知的音乐主要由乐音组成，它是物体在有规则振动下产生的。但不是所有的乐音都可以用来组成音乐，人们创作音乐往往是为了表达自己的思想感情，将多样复杂的声音合成一个固定体系，这个体系中的声音形成一定节奏和旋律，有了这些要素才能够组成动听的音乐[8]。音频信号是承载语音、音乐与音效信息的载体，通过有规律的声波频率和幅度变化来传达这些声音信息。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可以通过一条连续的曲线—声波来展现。声音的三大核心要素分别是音调、音强和音色。而声波或正弦波的三个关键参数—频率ω0、幅度An和相位φn，共同决定了音频信号的特征[9]。
3.2 音频信号特征分析
周期是信号完成一个完整波所需的时间，而频率则是信号在一秒内发出的波数，单位通常是赫兹[10]。音频信号的频率，实质上就是其每秒钟的变化次数。人们对声音频率的感知体现在音调的高低上，这在音乐中称为音高。音频中的高次谐波成分，我们称之为泛音，它决定了音色。泛音越丰富，音色便越显得明亮和有穿透力。不同的谐波具有不同的幅值和相位偏移，这些差异共同产生了丰富的音色效果。音乐的音量大小我们称之为音强，其单位是分贝。在音强适中的情况下，人耳对声音细节的分辨能力最强。处理音频信号时，虽然可以放大绝对强度，但保持其相对强度的平衡更为重要。
3.3 音频信号处理与传送
音频信号的特征十分复杂，大多数难以识别分析，系统设计主要的研究是对音频信号的频率进行处理。外接音频播放设备连接至音频转换器输入音频信号，转换器对音频信号进行检波、运算和放大的处理，将原本相对杂乱的音频模拟信号转换成了标准的电压信号。音频转换电路中使用的NE5532是一个高性能低噪声双运算放大器集成电路，其中采用了特殊的电路设计和低噪声工艺，在音频放大电路中能够有效地降低噪声干扰。该芯片具有极低的失真特性，工作频率范围也十分广泛，能够处理多种不同频率的音频信号。NE5532还提供了电压增益调节功能，可以用来适应不同的音频输入信号，增强了音频信号的适应性和控制能力。音频转换器的电路原理图如图2所示。

图 2 电路原理图
音频转换器设计的输入端可接入音频设备的左、右声道线及地线，该设计符合现代音频设备的接口标准，具有广泛的兼容性，左右声道线能够减少信号损失和干扰，确保音频信号的清晰度和保真度。输入端还设有3.5mm的圆头接口，这是现在非常常见的接口类型，也具有良好的普及性和兼容性。设计的电源输入端为DC 15V-24V和AC 12V-15V，其中的转换电路还设置了增益调节和灵敏度调节，可以增强信号识别的效果。音频转换器设计的输出端为0-5V和0-10V的标准电压信号，这里选择输出0-10V的模拟信号，输出信号传送至A/D扩展模块，PLC可通过编程读入A/D转换后的数字信号，到此音频信号的传送完毕[11]。音频转换器实物和各部分功能如图3所示。

图 3 音频转换器实物和各部分功能
4 PLC与变频器的应用
4.1 PLC的应用
4.1.1 PLC的控制优势
在实际工业的领域上，相对与传统的控制系统，大多工厂车间都采用PLC
技术控制系统。PLC主机上的输入模块和输出模块是彼此相互独立的，很大程度上防止了电源及模块之间互相干扰的现象；而且PLC所使用的封装材料具有防灰尘、抗震压和密封等特性，使得该控制器可以在很差的环境下运作，在一般环境下使用寿命较长很多。PLC中还设有监视器电路，可以更加稳定可靠地确保CPU的正常运行，具有在工作过程中稳定性高的特点[12]。PLC的输入、输出模块上有着很多的端口，有利于实现多点位控制。音乐喷泉控制系统就较为复杂，会使用到较多的电气设备，应用PLC多点位控制的优势对各个设备进行有效的控制，能够保证音乐喷泉在音控、程控与手控之间合理转换，提升转换信号的准确性。在音乐喷泉控制电路中，利用PLC设计合理的程序软件，能够保证音乐喷泉控制系统发出的控制信号更加准确，提升系统中各个电气设备的安全性[13]。
在实际应用中，当控制对象为单一的电气设备如电动机时，其控制效果通常远超传统系统。特别是在控制变频器时，系统需持续收集和分析数据信息，并据此发出相应指令，这些指令随后会被传输至变频器和相应的报警装置。同时，变频器或传感器也会不断收集运行过程中的信息，并反馈给PLC系统。PLC系统会对这些数据进行自动分析，一旦发现故障等情况，便会触发报警机制。本质上，PLC以微处理器为核心，实现工作系统的数字化控制。通过基于PLC技术的变频器，可以调节电动机所需的不同输出频率，从而确保其处于最佳工作状态。
4.1.2 PLC的控制方式
PLC的控制方式主要分为模拟量控制和开关量控制[14]。PLC主机上有的具有模拟量的输出端口，没有的也可外接模拟量输出模块，实现输出标准模拟量信号的功能。PLC输出的模拟量信号可接入变频器的模拟量输入端子，通过在应用过程中PLC输出标准模拟量的变化控制变频器输入值，从而改变频率，达到控制电机转速的效果。PLC也可通过开关量对变频器进行控制，将PLC的多个开关量输出端口连接至变频器的多个输入端口，能够实现对变频器的多段速调速控制。同时变频器的故障输出开关量连接至PLC的输入端，使得PLC能够在运行过程中监视变频器的工作状态。系统使用的是三菱公司的FX-1N系列的PLC，PLC读入A/D转换后的数值，将读入数值与设定值进行比较输出，采用PLC的开关量控制方式，PLC的输出端连接变频器和彩灯设备，使得音频信号频率变化时，变频器频率及彩灯效果同时发生相应的变化。
4.1.3 PLC的程序设计
对于控制程序的设计首先是读取A/D转换模块的数值，系统使用的是三菱公司的FX2N-2AD模拟量输入模块，该模块具有CH1和CH2两个输入通道和模拟电压输入和模拟电流输入两种模式，模拟电压输入范围是0-10V DC和0-5V DC，模拟电流输入范围是4-20mA，在通过0-5V DC或电流输入时，必须要通过偏置和增益量进行再调节。音频转换器的输出电压与A/D转换模块的要求的输入范围相匹配，可直接将输出的0-10V模拟量信号连接至A/D模块的电压输入端口，在VIN与COM之间并联一个0.1-0.47uf的电容，可以有效减少外界的干扰。该模拟量输入模块接线方式如图4所示。

图 4 FX2N-2AD接线方式
A/D转换后的数据存储在16位的模块缓冲存储器（BFM）中，存储地址如表1所示。

表 1 数据存储地址
BEM编号 b8-b15 b2-b7 b1 b0
#0 保留 当前输入通道的A/D转换值（低8位）
#1 保留 当前输入通道的A/D转换值（高4位）
#17 保留 A/D转换启动 A/D通道选择
其他通道 保留
PLC读取模块存储器转换数据梯形图编程如图5所示，第一行程序向第一个特殊模块K0的BFM17（K17）中的bit0写入0，表示选择该模块的CH1通道。第二行程序向一个特殊模块K0的BFM17（K17）中的bit1写入1，表示启动CH1通道的AD转换功能。第三行程序将模块存储BFM#0的低八位（b0-b7）数据读入CPU的M100-M107，模块存储BFM#1的有效数据（b0-b3）读入M108-M115，读取到CH1通道中的12位数值。第四行程序使用传送指令将M100-M115中读取的数据转移到数据存储器D0当中。

图 5 读取数据程序指令
0-10V的模拟信号对应读取的数值是0-4000，将0-4000的数值拆分成7段，音频信号频率的不同，处理转换后所读到的数值也不同，根据读取到的D0数值与设定值作比较，使用Y1、Y2、Y3三个端口输出7种不同的开关量状态，用于控制变频器的7段速调速。颜色可以传达出不同的音乐情调，绿色和蓝色给人柔和和淡雅的感觉，作为低情调的颜色，黄色和红色给人活力和热情的感觉，作为高情调的颜色。由此使用Y11输出端口控制绿灯，Y12输出控制蓝灯，Y13输出控制黄灯，同样输出7种不同的开关量状态，控制实现彩灯单一和组合的多样变化，展现出丰富的音乐情调。PLC读入数值与PLC输出状态如表2所示。

表 2 PLC读入数值与输出状态
PLC
读入数值 PLC输出状态
Y3 Y2 Y1 Y13 Y12 Y11
0-49 0 0 0 0 0 0
50-399 0 0 1 0 0 1
400-999 0 1 0 0 1 0
1000-1599 1 0 0 1 0 0