i 畢業(yè)設計( 論文) 題 目：PLC 控制的自動花樣音樂噴泉系統 學生姓名： 學 號： 班 級： 指導教師： 完成日期： 2011-10-8 摘 要 自動噴泉采用了可編程控制器 PLC 和變頻器，用軟件實現 對自動噴泉運行的控制，可靠性大大提高?？刂葡到y結構簡單， 外部線路簡化，可方便的增加或改變控制功能，也可以進行故 障自動檢測與報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。用西 門子 S7200 方法編程，可以使設計思路清晰，編程簡便。而 變頻器調速以其優(yōu)異的調速性能和起制動性能、高效率、高功 率因素和節(jié)電效果，可以控制噴泉水位的高度，廣泛的適用范 圍及其它許多優(yōu)點而獲國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。 因此，可編程控制器 PLC 技術加變頻器調速技術已成為現代噴 泉行業(yè)的一個熱點。 隨著人們生活水平的提高和建立綠色城市的向往，音樂噴 泉以其獨特的魅力和特殊的功能，愈來愈成為休閑娛樂產業(yè)中 的一項重要產品,音樂噴泉的興建也越來越多。 根據目前音樂噴泉的發(fā)展現狀，完成了小型音樂噴泉系統 硬件結構設計和控制系統設計?？刂葡到y的原理是利用 8051 單 片機匯編音樂程序或者通過 A/D 對音頻信號進行采樣和處理， 分級控制單相電動機，最終達到控制噴頭流量的方法，也可以 采用程序控制或人工按鍵控制電磁閥來控制花型。音頻信號還 影響燈光色彩和燈光光線明暗的變化,從而使燈光色彩、燈光的 閃爍和噴泉水姿隨音樂節(jié)奏而變化。現代都市人久居鬧市， 對 紫陌紅塵中的千層蛛網萬般世態(tài)頗多迷惑， 在繁雜的事務中不 知濃縮兜裹著多少奔波而且疲管的思緒。如果你確定自己正在 16 歲到 55 歲這個年齡段， 那我猜你的生活中或多或少都該有 些壓力。在心中任它們堆積和增長可絕對不是個明智的選擇， 于是， 便希冀一種閑情逸致， 向往一種寧靜生活。而寧靜的 心境，遠非旅游所能滿足， 唯有音樂， 才能讓現代人放松自 我， 感覺寧靜。當然，壓力的來源也有很多種，但是忙碌的人 群還是在身邊感受比較好，因此音樂噴泉是現代很有必要的熱 點。 關鍵詞：可編程控制器;變頻器;控制;自動噴泉；音樂控制； 8051 單片機；A/D 轉換；音樂噴泉； iv 目 錄 目 錄 4 1 引言 .6 1.1 論文研究的背景 .6 1.2 論文設計的內容 7 1.3 論文設計的目的和意義 8 2 系統控制方案的確定 .9 2.1 花式噴泉的概述 .9 2.2 采用 PLC 控制花式噴泉的優(yōu)點 10 2.3 系統設計的基本步驟 10 2.5 花式噴泉控制系統的原理圖 12 3 系統硬件設計 12 3.1 可編程控制器(PLC)的選型 .12 3.1.1 PLC 概述 .12 3.1.2 PLC 的選型 13 3.2 變頻器的選型 15 3.3 水泵的選型 16 3.4 硬件接線圖 .16 3.5 I/O 分配表 .17 3.6 音樂原理 .18 3.6.1 音樂控制模塊 19 3.6 2 中央控制模塊 .20 4 系統軟件設計 23 4.1 PLC 梯形圖概述 23 4.2 STEP 7-MICROWIN 32 軟件的使用 .24 4.3 S7200_SIMULATION仿真軟件的使用 28 4.4 系統工作過程分析 .31 4.5 控制系統程序設計 .31 4.5.1 花式噴泉的第一種花樣 31 4.5.2 花式噴泉的第二種花樣 34 4.5.3 花式噴泉的第三種花樣 36 4.6 音樂軟件管理 .39 4.6.1 整體音樂模塊 .39 4.6.2 音樂控制設計 40 4.6.3 定時時間的產生及工作方式的選擇 42 總結 45 致謝 46 1 第 1 章 引言 1.1 論文研究的背景 隨著城市化進程的加速，花式噴泉可以在人們周圍隨處可 見。比如廣場，大廈，小區(qū)等?；ㄊ絿娙侨嗽煨夂?，在炎 熱的夏日可以起到增濕和降溫的作用；也為水體充氧，有利于 水體增加自凈能力，起到防止水體黑臭的作用。 花式噴泉運行的靈活性是評價花式噴泉優(yōu)劣的關鍵，而這 與花式噴泉的控制系統息息相關?；ㄊ絿娙梢愿鶕约旱脑O 計，設計出各種各樣的花樣，加上燈光，能給人有種不錯的視 覺享受。 1969 年美國數字設備公司( DEC)研制出世界上第一臺可編 程控制器，并成功地應用在美國( GM)的生產線上。但當時只能 進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制期，簡稱 PLC (programmable logic controller)。 70 年代后期，隨著微電子技術和計算機的迅猛發(fā)展使 PLC 從開關量的邏輯控制擴展到數字控制及生產過程控制域，真正 成為一種電子計算機工業(yè)控制裝置，故稱為可編程控制器，簡 稱 PC (programmable contruller) .但由于 PC 容易與個人計 算機(programmable computer)相混淆，故人們仍習慣地用 PLC 作為可編程器的縮寫。 引言 1985 年國際電工委員會(IEC)對 PLC 的定義如下。 可編程控制器是一種進行數字運算的電子系統，是專為在 工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的 存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、 計數和算術運算等操作的指令，并通過數字或模擬式的輸入和 輸出，控制各種類型機械的生產過程。 PLC 是繼電器邏輯控制系統發(fā)展而來，所以它在數學處理、 順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統中主要起兩種 作用：(l)邏輯運算(2)弱電控制強電。 PLC 是集自動控制技術，計算機技術和通訊技術于一體的一 種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱 (PLC、ROBOT、CAD/CAM)的首位?？删幊炭刂破?，簡稱 PLC。它 在集成電路、計算機技術的基礎上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控 制設備。 具有: 可靠性高、抗干擾能力強。 1 設計、安裝容易，維護工作量少。 2 功能強、通用性好。 3 開發(fā)周期短，成功率高。 4 體積小，重量輕、功耗低等特點。 5 具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、 重量輕等優(yōu)點，已經廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已 成為實現工業(yè)生產自動化的支柱產品。與繼電接觸器系統 相比系統更加可靠；價格上能與繼電接觸器控制系統競爭： 易于在現場變更程序；便于使用、維護、維修；能直接推動電 磁閥、接觸器與于之相當的執(zhí)行機構：能向中央執(zhí)行機構：能 向中央數據處理系統直接傳輸數據等。 因此，進行花式噴泉的 PLC 控制系統的設計，可以推動噴泉 行業(yè)的發(fā)展，擴大 PLC 在自動控制領域的應用，具有一定的經 濟和理論研究的價值。 再者起初的音樂噴泉控制系統就是利用音樂的主要音素(頻 率、振幅、音色和節(jié)拍)控制噴水的花型組合變化、水柱高低、 遠近變化和燈光色彩組合，其原理是將聲音信號轉變?yōu)殡娦盘枺?經過放大及其它一些處理推動繼電器或電子開關，再去控制設 在水路上的電磁閥的啟閉，從而達到控制噴頭水路的通斷。 音樂噴泉是現代科技與藝術的綜合，利用噴泉來表現音樂 的美感，令人賞心悅目。目前，有許多采用各式各樣的控制系 統來實現的音樂噴泉， 取得了良好的效果。但縱觀這些音控產 品，有的利用音樂的時域變化來控制噴泉，有的將音樂分成幾 個頻段來控制噴泉的花型， 且多采用低頻、中頻和高頻三個頻 段來控制。缺點是都沒有在頻域上很好地展現音樂，因此不能 很好地體現音樂的內涵。 本項目針對這些問題，提出了一種新的方法來控制噴泉的 變化，本設計將通過對音樂音頻信號的實時采樣，再通過變頻 器對潛水泵進行變頻調速，利用各式噴頭的噴射、搖擺、旋轉 引言 來實現噴泉水柱高低、搖擺幅度、旋轉速度來實時地展現音樂 的頻譜。 1.2 論文設計的內容 本設計將在以下幾個方面對花式噴泉的控制系統進行研究 和論證。 (1)花式噴泉類型的選擇。綜合花式噴泉的類別和各類的特 點和要求，在本課題中主要研究能有三種噴水花樣可供選擇： 能夠控制每環(huán)噴水管噴水的高度：噴水時要有燈光顯示；可以 根據不同的季節(jié)、不同的場合可改變噴水的花樣。將各種水型 及燈光，按照預先設定的排列組合進行控制程序的設計，通過 計算機運行程序發(fā)出控制信號，使水型及燈光有各種各樣的變 化。 (2)花式噴泉硬件系統的設計。本課題設計的花式噴泉要求 運行迅速準確度高，在花式噴泉的各層檢測系統中用用存工業(yè) 自動控制上大量運用的具有檢測精度高、壽命長、穩(wěn)定性能好 的接近傳感器，運用感應器的開關量信號輸入給 PLC 來實現控 制。由于本課題的具體需求在硬件系統的設計過程中主要考慮 了花式噴泉的經濟實用、穩(wěn)定、靈活、美觀的需要。 (3)花式噴泉控制系統軟件的設計。在本設計中選用了目前 運用最多的 PLC 編程語言梯形圖，梯形圖的編程能直觀明了的 設計花式噴泉控制的要求，梯形圖的編寫運用 SWOPC- FXGP/WIN-C 編程軟件，此軟件支持全部的西門子 S7200 系列 的 PLC 編程，并且具有強大的診斷功能，能更快的查找出故障 的原因，從而大大縮短了維修時間。 1.3 論文設計的目的和意義 隨著我國經濟的高速發(fā)展，微電子技術、計算機技術和自 動控制技術也得到了迅速發(fā)展，交流變頻調速技術已進入個嶄 新的時代，其應用越來越廣。而隨著我國城市化進程的加快和 人口大量集聚，環(huán)境越來越重要，好的環(huán)境能使心身愉快，做 事效率提高。其中噴泉可以濕潤周圍空氣，減少塵埃，降低氣 溫。噴泉的細小水珠同空氣分子撞擊,能產生大量的負氧離子， 有益于改善社區(qū)面貌和增進居民身心健康。 可編程序控制器(PLC)因為穩(wěn)定可靠、結構簡單、成本低廉、 簡單易學、功能強大和使用方便已經成為應用面最為廣泛的通 用工業(yè)控制裝置，成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。花式 噴泉控制要求接入設備使用簡便，對應于系統組態(tài)的編程簡單， 具有人性化的人機界面，配備應用程序庫，加快編程和調試速 度。通過 PLC 對程序設計，提高了噴泉的控制水平，并改善了 噴泉的樣式。 6 第 2 章 系統控制方案的確定 2.1 花式噴泉的概述 噴泉是一種將水或其他液體經過一定壓力通過噴頭噴灑出 來具有特定形狀的組合體，提供水壓的一般為水泵。 現代城市中的噴泉形式已十分豐富。隨著構筑物的大小及 水壓等的變化，噴泉或高或低、或珠或霧，精彩紛呈，可分為 以下 7 種。 (1)普通噴泉：只有簡單的幾種固定水型及燈光，隨著電源 的開閉而控制噴泉的運行、水型和燈光變化。 (2)程控噴泉：將各種水型及燈光，按照預先設定的排列組 合進行控制程序的設計，通過計算機運行程序發(fā)出控制信號， 使水型及燈光有各種各樣的變化。 (3)音樂噴泉：程序控制噴泉基礎上加入了音樂控制系統， 計算機通過對音頻及 MIDI 信號的識別，進行譯碼和編碼，最終 將信號輸出到控制系統，使噴泉的造型及燈光的變化與音樂保 持同步。 (4)水幕激光噴泉：將激光器發(fā)出的激光束射在水幕噴頭噴 出的水膜上，激光束由激光控制系統編程控制，可發(fā)出多種多 樣的圖案及色彩，照射在晶瑩透明的水膜上，形成斑斕奪目的 奇異效果。 (5)水珍珠噴泉：利用特殊音波將水變成球體的噴水裝置和 全頻高速閃光燈的視覺圖像效果的產品組成。 (6)游戲噴泉：又稱感應泉，噴泉水柱根據游人的動作產生 反應，而且這種反應具有不確定性，是一種互動式噴泉，增強 了娛樂氛圍。 (7)跳跳噴泉：又名光亮泉。是一種高科技水景藝術，水形 似根根晶瑩透徹地冰柱，一串串飛向空中，輕舞飛揚。 2.2 采用 PLC 控制花式噴泉的優(yōu)點 (1)控制方式上看:PLC 軟接線，只需改變控制程序就可輕 易改變邏輯或增加功能。 (2)工作方式上看:PLC 串行工作，不受制約。 (3)控制速度上看：PLC 通過半導體來控制，速度很快，無 觸點，顧而無抖動一說。 (4)定時、記數看：PLC 時鐘脈沖由晶振產生，精度高，定 時范圍寬：有記數功能。 (5)可靠、維護看：PLC 無觸點，壽命長，且有自我診斷功 能，對程序執(zhí)行的監(jiān)控功能，現場調試和維護方便。 2.3 系統設計的基本步驟 在花式噴泉控制系統的設計過程中主要考慮以下幾點。 (1)深入了解和分析花式噴泉的工藝條件和控制要求。 (2)確定 I/O 設備。根據花式噴泉控制系統的功能要求，確 系統控制方案的設定 定系統所需的輸入、輸出設備。常用的輸入設備有按鈕、選擇 開關等，常用的輸出設備有指示燈等。 (3)根據 I/O 點數選擇合適的 PLC 類型。 (4)分配 I/O 點，分配 PLC 的輸入輸出點，編制出輸入輸出 分配表或者輸入輸出端子的接線圖。 (5)設計花式噴泉系統的梯形圖程序，根據工作要求設計出 周密完整的梯形圖程序，這是整個花式噴泉系統設計的核心工 作。 (6)將程序輸入 PLC 進行軟件測試，查找錯誤，使系統程序 更加完善。 2.4 系統控制方案 花式噴泉系統的控制要求如下。 (1)1、2 均為外環(huán)形狀的噴水管，3 為內環(huán)形狀的噴水管， 4 為星形噴水管。燈光系統由三條支路組成，分別為綠色燈支 路（在 l，2 之間） 、黃色燈支路（在 2，3 之間） 、紅色燈支路 （在 3，4 之間） 。 (2)該噴泉共有三種花樣可供選擇。按下啟動按鈕，噴泉即 開始工作，按下停止按鈕，則停止噴水。噴泉的工作方式（即 噴水花樣）由選擇開關來實現。 (3)該花式噴泉有三種噴水花樣可供選擇。 第一種花樣，4、3、2、1 隔 2 秒依次噴水，一起噴水 1 5 秒后停下，在按 1、2、3、4 的次序隔 2 秒依次噴水，再一起噴 15 秒后停下，以此規(guī)律循環(huán)。 第二種花樣，l、3 同時噴水，延時 3 秒后 1、3 停噴，同 時 2、4 噴水，交替運行 5 次后 1、2、3、4 一起噴水，30 秒后 停止，以此規(guī)律循環(huán)。 第三種花樣，1、2、3、4 按順序延時 2 秒噴水，然后一起 噴 30 秒后 1、2、3、4 再分別延時 2 秒停噴，以此規(guī)律循環(huán)。 (4)通過變頻器可以控制每環(huán)噴水管的高度。在第一種花樣 中，1、3 管為慢速正轉噴水，2、4 管為中速正轉噴水。 (5)燈光系統的控制：由 PLC 的 X5 輸入端為燈光系統控制 的選擇按鈕，當需要燈光配合時，接通 X5 輸入端。此時可實現 三路燈光的控制，即 3，4 任意一層噴水時，紅色燈亮；2 噴水 時，黃色燈亮；所有的噴頭噴水時，綠色燈亮。 花式噴泉池示意圖如圖 2-1 所示。 系統控制方案的設定 1234 圖 2-1 花式噴泉池示意圖 2.5 花式噴泉控制系統的原理圖 在噴泉中，通過按鈕開關信號來控制 PLC:因為有 4 層噴水， 因此用了 1 個變額器來控制 4 個水泵。 花式噴泉控制系統的原理圖如圖 2-2 所示。 按鈕 開關信號 PLC 電源 變頻器 水泵 圖 2-2 花式噴泉控制系統原理圖 2.6 音樂控制原理 2.61 樂曲播放 音樂噴泉所播放的樂曲可以從電腦播放器播放，通過功率 放大器，將所選歌曲分為兩路輸出，一路輸出到音箱設備，另 一路輸出到 A/D 轉換模塊對音頻信號進行采樣。當操作員在樂 曲數據庫中確定了演示樂曲后，隨后啟動該驅動器，正確地播 放選定的樂曲。 2.62 水型與樂曲同步控制 當樂曲開始播放，水型會同步演示。在上一首樂曲結束和下 一首樂曲開始的間歇期間，水型也會保持同步停止和繼續(xù)演示。 此音樂噴泉控制系統能提供可調整的噴泉延時，使水型與樂曲 達到同步的效果。 2.63 水型的程序演示 噴泉潛水泵電動機是受控制器內部的程序控制，每一首樂曲 系統控制方案的設定 可從控制器中相應的找到對應的固定程序數據，并可以將其對 應輸出。 2.64 彩色燈光的程序演示 與水型的演示程序類似，彩色燈光也由控制器系統程序控 制。通過利用噴泉水泵的控制程序，將燈光控制也采用其同樣 的方法，隨噴泉的變化相應的水下彩色燈光也會變化、動作。 2.65 水型的節(jié)奏隨動控制 對于不同的音樂，其水型的跳躍和搖擺是與樂曲的節(jié)奏同 步的，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺 變化也是由 A/D 對其音頻信號采集轉換后通過對應的程序所表 現出的。通過變頻器對潛水泵實現加速、減速等控制，以達到 對不同音樂信號的不同觀賞感。 系統硬件設計 13 第 3 章 系統硬件設計 3.1 可編程控制器(PLC)的選型 3.1.1 PLC 概述 可編程控制器，英文稱 Programmablc Controllcr，簡稱 PLC，木課題中用 PLC 作為它的簡稱。PLC 是用于工業(yè)現場的電 控制器。它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機。它通過 運行存儲在其內存中的程序，把經輸入電路的物理過程得到的 輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的 物理過程去實現對負載的控制。 PLC 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計 算機進行入出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的 物理過程一般不考慮的。而 PLC 則要考慮信息入出的可靠性、 實時性，以及信息的實際使用。特別要考慮怎么適應于工業(yè)環(huán) 境，如便于安裝，便于維修及抗干擾等問題，入出信息變換及 可靠的物理實現，可以說是 PLC 實現控制的兩個基本要點。PLC 可以通過它的外設或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼 電控制裝置多的多、強的多。 PLC 有豐富的指令系統，有各種各樣的 I/O 接口、通信接 口，有大容量的內存，有可靠的自身監(jiān)控系統，因而具有以下 基本的功能。 系統硬件的設計 邏輯處理功能； 1 數據運算功能； 2 準確定時功能： 3 高速計數功能； 4 中斷處理（可以實現各種內外中斷）功能； 5 程序與數據存儲功能； 6 聯網通信功能； 7 自檢測、白診斷功能； 8 可以說，凡普通小型計算機能實現的功能，PLC 幾乎也都 可以做到。 像 PLC 這樣。有很豐富的功能，是別的電控器所沒有的， 更是傳統的繼電控制電路所無法比擬的。豐富的功能為 PLC 的 廣泛應用提供了可能，同時，也為自動門行業(yè)的遠程化、信息 化及智能化創(chuàng)造了條件。 3.1.2 PLC 的選型 在 PLC 系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就 是 PLC 工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型 的主要依據。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析。工 藝過程的特點、控制要求，控制任務和范圍確定所需的操作和 動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容 量、確定 PLC 的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能 價格比的 PLC 和設計相應的控制系統。 (1)輸入輸出(I/O)點數的估算。 I/O 點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入 輸出點數，再增加 1O%20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出 點數估算數據。 (2)存儲器容量的估算。 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元 大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大 小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用 程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程 序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算， 通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中 給出了不司公式，大體上都是按數字量 I/O 點數的 1015 倍， 加上模擬 I/O 點數的 100 倍，以此數為內存的總字數（16 位為 一個字） ，另外再按此數的 25%考慮余量。因此本課題的 PLC 內 存容量選擇應能存儲 2000 條梯形圖，這樣才能在以后的改造過 程中有足夠的空間。 (3)控制功能的選擇。 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、 診斷功能和處理速度等特性的選擇。 根據本課題所設計控制的需要，主要介紹以下幾種功能的 選擇。 系統硬件的設計 控制功能 1 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單 回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智 能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和 節(jié)省存儲器容量。 編程功能 2 離線編程方式：PLC 和編程器公用一個 CPU，編程器在編程 模式時，CPU 只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。 完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU 對現場設備進行控 制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，但使用和 調試不方便。在線編程方式：CPU 和編程器有各自的 CPU，主機 CPU 負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交 換，編程器把在線編制的程序或數據發(fā)送到主機，下一掃描周 期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系 統調試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五種標準化編程語言：順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功 能模塊圖(FBD)三種圖形化語言和語句表(IL)、結構文本(ST)兩 種文本語言；選用的編程語言應遵守其標準(IEC6113123)，同 時，還應支持多種語言編程形式，如 C，Basic 等，以滿足特殊 控制場合的控制要求。 診斷功能 3 PLC 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬 件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診 斷。通過軟件對 PLC 內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通 過軟件對 PLC 的 CPU 與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行 診斷是外診斷。 PLC 的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術 能力的要求，并影響平均維修時間。 (4)機型的選擇。 通過對輸入輸出點的選擇、對存儲容量的選擇、對 I/O 響 應時間的選擇以及輸出負載的特點選型的分許。 西門子 S7 系列 PLC 體積小、速度快、標準化，具有網絡通 信能力、功能更強、可靠性更高等特點。該控制系統選用西門 子 S7200 系列 PLC，它是超小型化的 PLC，它適用于各行個業(yè)， 各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7200 PLC 的強大 功能使其無論單擊運行，或連成網絡都能實現復雜的控制功能。 S7200 PLC 可提供 4 種不同基本型號的 8 種 CPU。 3.2 變頻器的選型 我設計的是通過變頻器調速技術來控制每環(huán)噴水管的高度。 我選用的是 FR-S520 (S)E 系列變頻調速器。 3.3 水泵的選型 由于噴泉的水泵必須滿足大功率快速精確起停，而且其輸出 功率必須能夠精確的進行控制。我選用品牌為 DESHB(德士比) 系統硬件的設計 的 QYPI00-4.5-2.2 噴泉泵。具有以下優(yōu)點：結構緊湊：無需引 水、使用簡便：雙端密封、電器保護；設計合理、性能優(yōu)良： 經久耐用、安全可靠。并且水泵出口采用圓法蘭結構，電機為 F 級絕緣，適用于音樂噴泉等場合對電機頻繁啟動的要求，葉 輪具有防松裝置，不怕反轉。其實物圖見其 3-1 所示。 圖 3-1 QYP 噴泉泵的實物圖 3.4 硬件接線圖 PLC 的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開 敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端 接地。電源部分包括 PLC 工作電源 AC220V，其他輸入/輸出電 源電壓均為 DC24V。 PLC 的外部硬件連接圖見附錄 A。 在整個 PLC 外部硬件連接圖中，包括數字量、模擬量的輸入 接線和數字量輸出接線三個部分： 1、數字量輸入 數字量輸入點有兩個分別為 I0.0 和 I0.1，其中 I0.0 為啟 動按鈕，當按下 I0.0 時，PLC 進入程序運行狀態(tài)，并對程序進 行循環(huán)掃描；I0.1 為停止按鈕，當按下 I0.1 時，系統會停止 所有程序的掃描，并能控制到此時無輸出，而且同時將所有置 位信號復位。 另外，當外部水泵電源線路中過載熱繼電器保護裝置 FR 出 現動作時，也同樣可以將 PLC 系統所有工作立即停止。 2、模擬量輸入 模擬量輸入通過 PLC 的擴展插口直接利用數據線連接，不需 要另外占用端子排上的端口。因為音頻信號的直接來源于 CD、VCD、DVD 等設備，而不是通過功放將音頻信號功率大后再 輸入轉換模塊的，所以，當音頻信號以電流 020mA 的形式時， 可直接接入模擬量轉換模塊 EM231，通過編制程序可直接從模 擬量轉換 EM231 中的變量寄存器中讀取數據。 3、數字量輸出 數字量輸出包括：變頻器和潛水燈兩部分。由于采用的是西 門子 S7-200 系列 CPU226 型的 PLC，根據輸出點數可知，需加 數字量擴展模塊 EM222。圖中所示輸出 Q0.0Q1.7 分別分成 8 個一組接至相應的 4 組變頻器控制端子，其中 STF 為啟動變頻 器正轉端，高速 RH 端、中速 RM 端以及低速 RL 端為組合調速端， 通過三個端子可組合成為 7 速調節(jié)，從而使得潛水泵的速度變 系統硬件的設計 化也會相應的跟著有所改變。 另外，數字量輸出擴展模塊 EM222 的 Q2.0Q2.7 所接為固態(tài) 繼電器，通過控制固態(tài)繼電器的通斷，將改變 7 組燈光的變化 組合，其中 Q2.7 輸出控制主電路電源通斷。 系統的硬件連接圖即 PLC 和系統中各個硬件的連線。具體 的如圖 3-2，3-3 所示。QSL231上 保 護 開 關下 保 護 開 關 KM停 止 按 鈕啟 動 按 鈕選 擇 開 關 1的 位 置選 擇 開 關 2的 位 置選 擇 開 關 3的 位 置燈 控 按 鈕 DC12V電 源 指 示控 制 管 噴 水控 制 2管 噴 水控 制 3管 噴 水控 制 4管 噴 水紅 色 燈黃 色 燈綠 色 燈 L123UVWRMLSTFDNL32COM+D4V0Y23COMY56710Y2COM4X1XV變頻器PFN-3R 圖 3-2 硬件接線圖 MFR1KM12QSFR2KM34QSMFR3KM56QS4FR4KM78QS5QS1L23PHUVW變 頻 器QSL23 圖 3-3 變頻器和水泵的接線圖 3.5 I/O 分配表及估算 序號 輸出 說明 1 Y0 電源指示 2 Y1 控制 1 管噴水 3 Y2 控制 2 管噴水 4 Y3 控制 3 管噴水 5 Y4 控制 4 管噴水 6 Y5 紅色燈 7 Y6 黃色燈 8 Y7 綠色燈 系統硬件的設計 9 Y8 中速 10 Y9 慢速 11 Y10 正轉 表 3-4 I/O 分配點輸出說明 序號 輸入 說明 1 X0 停止按鈕 2 X1 啟動按鈕 3 X2 選擇開關 1 的位置 4 X3 選擇開關 2 的位置 5 X4 選擇開關 3 的位置 6 X5 燈控按鈕 表 3-5 I/O 分配點輸入說明 3.6 控制系統 I/O 口的估算 本設計是音樂噴泉 PLC 控制系統的設計,根據 PLC 的 I/O 節(jié)點 使用原則,應留出一定的 I/O 點以做擴展時使用。在對系統的控 制要求進行分析后，可以大概確定系統的輸入輸出點數。 3.61 系統數字量輸入所需點數估算 本系統是根據音樂的旋律、音頻信號的大小來控制噴泉水 柱高低的，所以其數字量輸入只需要滿足系統啟動、停止兩個 功能。如表 3.1 所示 項目名稱 輸入點數 備 注 總點數 啟動按鈕 1 噴泉控制 系統啟動 停止按鈕 1 噴泉控制 系統停止 輸入點數： 2 表 3-6.1 系統數字量輸入所需各元器件功能及所占 PLC 點 數 3.62 系統模擬量輸入所需點數估算 為了將音頻信號轉化成 PLC 能識別的數字量信號，這里需 采用一個模擬量/數字量轉換模塊，所以模擬量輸入點為 1 個。 如表 3.2 所示 項目名稱 模擬量輸入點數 備 注 總點數 音頻信號 變送模塊 1 音頻信號 大小 輸入點數： 1 表 3-6.2 系統模擬量輸入所需各元器件功能及所占 PLC 點 數 3.63 系統數字量輸出所需點數估算 系統數字量輸出分為控制變頻器開關量、控制燈光開關量 兩個部分，其中變頻器有啟動和調速兩種控制量。如表 3.3 所 示 項目名稱 輸入點數 備 注 總點數 啟動變頻 器開關量 5 控制變頻 器運行 變頻器速 度開關量 12 選擇變頻 器頻率 輸出總點 數：24 系統硬件的設計 水下等光 控制輸出 7 水下燈光 的控制 表 3-6.3 系統數字量輸出所需各元器件功能及所占 PLC 點數 3.7 音樂原理 音樂噴泉控制系統以 AT89S52 單片機為核心，通過 I/O 口 實現直流電機的轉動，彩燈的閃爍以及液晶屏的顯示和音樂的 播放，其系統原理框圖如圖 3-1 所示： 圖 3-7 音樂噴泉控制框圖 主要用到的器件有：AT89S52 單片機、LCD1602 液晶顯示屏、 直流電機、L298N 芯片、蜂鳴器、調微器、9012 三極管、12M 晶振、二極管、各類阻值的電阻和電容等。 51 單片機 彩燈 L298N 芯片 直流電機 電源 LCD1602 蜂鳴器 3.7.1 音樂控制模塊 音樂聽起來有的高，有的低，這就叫高音。高音是有發(fā)音 物體振動頻率的高低決定的，頻率高的就高，頻率低的就低。 不同高音的音樂是用 C、D、E、F、A、G 來表示的，這 7 個 字母就是音樂的音名，他們一般一次唱成 DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成簡譜的 1、2、3、4、5、6、7，相當于漢字“多來米發(fā)梭拉稀”的讀音， 這個就是唱曲時音樂的發(fā)音，所以叫唱名。把 C、D、E、F、G、A、B 這一組音的距離分成 12 等分，每一個等 分的距離分成 12 等分，每一個等份叫做一個“半音” 。兩個音 之間的距離有兩個“半音”的，就叫做“全音” 。 音持續(xù)時間的長短即時值，一般用拍數表示。休止符表示 暫停發(fā)音。 一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應著 不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數對 應的延時，構成音樂。 了解音樂的一些基本知識后可知道，產生不同頻率的音頻 脈沖即能產生音樂。對于單片機而言，產生不同頻率的脈沖非 常方便，可以利用它的定時/計數器來產生這樣的方波頻率信號。 因此，需要弄清楚音樂中的音符和對應的頻率，以及單片機定 時計數的關系。 簡易的音樂發(fā)生器看可以由單片機、三極管以及蜂鳴器構成， 三極管起到驅動的作用,電路原理圖如圖 3-2 所示: 51 單片機 電阻 三極管 蜂鳴器 圖 3-7.1 簡易的音樂發(fā)生器 系統硬件的設計 3.72 中央控制模塊 中央監(jiān)控部分的核心是單片機（AT89S52）系統，該系統也 是音樂噴泉控制器的核心。AT89S52 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編 程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處 理器，俗稱單片機。該器件與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出 管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個 芯片中，ATMEL 的 AT89S52 是一種高效微控制器，為很多嵌入 式控制系統提供了一種靈活性好且廉價的方案。AT89S52 具有 以下標準功能：8k 字節(jié) Flash,256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線， 看門狗定時器，2 個數據指針，3 個 16 位定時器/計數器，1 個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。 另外 AT98S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇 節(jié)電模式。在空閑模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/ 計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內容被 保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作被停止，直到下一個中 斷或者硬件復位為止。 主要特性： 與 MCS-51 兼容； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器； 壽命：1000 寫/擦循環(huán)； 數據保留時間：10 年； 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz； 三級程序存儲器鎖定； 128*8 位內部 RAM； 32 可編程 I/O 線； AT89S52 兩個 16 位定時器/計數器； 5 個中斷源； 可編程串行通道； 低功耗的閑置和掉電模式； 片內振蕩器和時鐘電路。 表 3-7.2 單片機（AT89S52）說明 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口：P0 口為一個 8 位漏極開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸 入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/ 地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被 內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將 輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時， 其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣 故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器 進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時， 它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫 時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和 校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可 系統硬件的設計 接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”后，它們被內部 上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電 平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89S52 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（記時器 0 外部輸入） P3.5 T1（記時器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個 機器周期的高電平時間。 圖 3-7.3 復位電路 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電 平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于 輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖 信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出 的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據 存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令 是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在 外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器 取址期間，每個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數據 存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現。 EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲 器（0000H-FFFFH） ，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方 式 1 時，/EA 將內部鎖定為 RESET；當/EA 端保持高電平時，此 間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP）： XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 圖 3-7.4 晶振電路 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向 放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2 應不接。有余輸入至內部 時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈 寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制 信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片 擦操做中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復 編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89S52 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件 下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在 工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止 系統硬件的設計 所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 第 4 章 系統軟件設計 4.1 PLC 梯形圖概述 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為 PLC 的第一 編程語言。梯形圖與電器控制系統的電路圖很相似，具有直觀 易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量 邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編 程。 PLC 梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如 輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等，但是它們不是 真實的物理繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器） ，每一軟繼 電器與 PLC 存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應。該存 儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應軟繼電器的線圈 “通電” ，其常開觸點接通，常閉觸點短開，稱這種狀態(tài)是該軟 繼電器的“l(fā)”或“ON“狀態(tài)。如果該存儲單元為“O“狀態(tài)，對 應軟繼電器的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器 為“O“或“OFF”狀態(tài)。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編 程元件。 梯形圖兩側的垂直公共線稱為母線(Bus bar)， 。在分析梯 形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以 想象左右兩側母線（左母線和右母線）之間有一個左是正而右 系統軟件的設計 是負的直流電源電壓，母線之問有“能流”從左向右流動。右 母線可以不畫出。 根據梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關系，求出與圖中各線 圈對應的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中 邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。解算的結果， 馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據輸入映像 寄存器中的值，而不是根據解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進 行的。 4.2 STEP 7-MicroWIN 32 軟件的使用 (1)雙擊“STEP 7-MicroWIN 32”進入其界面。 (2)PLC 梯形圖快速繪制入門。 畫觸點：點開左邊工具欄的“Bit Logic”，雙擊觸點圖 1 標，如圖 4-1 所示。 圖 4-1 畫觸點示意圖 畫線圈：在“Bit Logic”欄中，雙擊線圈圖標，如圖 2 4-2 所示。 系統軟件的設計 圖 4-2 畫線圈示意圖 改標號：點擊觸點、線圈上的“?.?”分別改成 3 “I0.0” 、 “Q0.0”。最簡單的 PLC 梯形圖就畫好了，如圖 4-3 所示。 圖 4-3 改標號示意圖 保存 PLC 梯形圖文件：依次選擇工具欄“FileSave” 4 在彈出的保存對話框中選擇保存的路徑及輸入要保存成的文件 名，如“abc” ，圖 4-4 所示，再點保存。 圖 4-4 保存 PLC 梯形圖文件示意圖 導出畫好的 PLC 梯形圖：依次選擇工具欄 5 “FileExport”在彈出的導出對話框中選擇保存的路徑及輸 入要保存成的文件名，如“123” ，圖 4-5 所示，再點保存。 系統軟件的設計 圖 4-5 導出畫好的 PLC 梯形圖示意圖 (3)其他： 觸點、線圈也可以從上面的工具欄里選擇。 1 計數器在“Counters”里。 2 定時器在“Timers”里。 3 在“ViewSTL”為 PLC 的指令表格式。 4 在“ViewLadder”為 PLC 的梯形圖格式。 5 4.3 S7200_Simulation 仿真軟件的使用 (1)雙擊 S7200_Simulation 文件夾下的“S7_200.exe” ，進 入其界面，在其界面中央點一下鼠標，則彈出如圖 4-6 對話框， 輸入密碼“6596” ，點擊“ok” ，則進入圖 4-7 示界面。 圖 4-6 仿真軟件進入示意圖 圖 4-7 S7-200 仿真軟件界面示意圖 (2)導入文件，依次選擇工具欄“ProgramaCargar Programa”，在彈出的對話框中按如圖 4-8 進行設置。再點擊 “Aceptar”，在彈出的對話框選擇剛才在“STEP 7-MicroWIN 32”下導出的文件（123.awl） ，如圖 4-9，點擊“打開” 。 系統軟件的設計 圖 4-8 導入文件示意圖 圖 4-9 文件查找示意圖 (3)仿真運行：依次點擊“PLCRUN” ，在彈出的確認對話 框點擊“是” ，此時即進入仿真狀態(tài)，如圖 4-10 所示。 圖 4-10 仿真運行示意圖 4.4 系統工作過程分析 (1)按下啟動按鈕和燈控按鈕，開始運行。 (2)按下位置開關 2，則是第一種花樣噴泉。 (3)按下位置開關 3，則是第二種花樣噴泉。 (4)按下位置開關 4，則是第三種花樣噴泉。 (5)無論哪種花樣噴泉，只要當第三或者第四任意一層噴水 的時候，黃燈亮：當第二層噴水的時候，紅燈亮：當所有噴水 時，綠燈亮。 (6)按下停止按鈕，則運行結束。 系統軟件的設計 4.5 控制系統程序設計 4.5.1 花式噴泉的第一種花樣 當選擇開關 2 的位置時，噴泉運行第一種花樣： 4、3、2、l 隔 2 秒依次噴水，一起噴水 l 5 秒后停下，再按 l、2、3、4 的次序隔 2 秒依次噴水，再一起噴 l5 秒后停下， 以此規(guī)律循環(huán)。l、3 管以慢速正轉噴水，2、4 管以中速正轉噴 水。當第三或者第四任意一層噴水的時候，黃燈亮：當第二層 噴水的時候，紅燈亮：當所有噴水時，綠燈亮。 系統軟件的設計 圖 4-11 第一種花樣的梯形圖 注釋：I0.2 為選擇開關 2; I0.0 為停止開關； Q0.0,Q0.7 為四 號噴水管; Q0.1,Q0.6 為三號噴水管； Q0.2，Q0.5 為二號噴 水管； Q0.3，Q0.4 為一號噴水管； T37 到 T44 為 100ms 的的 定時器； M3.4 為顯示的黃燈， M0.2 為顯示的紅燈， M0.0 為顯示的綠燈。 4.5.2 花式噴泉的第二種花樣 當選擇開關 3 的位置時，噴泉第二種花樣：l、3 同時噴水， 延時 3 秒后 l、3 停噴，同時 2、4 噴水，交替運行 5 次后 l、2、3、4 一起噴水，30 秒后停止，以此規(guī)律循環(huán)。1、3 管 以慢速正轉噴水2、4 管以中速正轉噴水。當第三或者第四任 意一層噴水的時候，黃燈亮：當第二層噴水的時候，紅燈亮： 當所有噴水時，綠燈亮。見圖 4-12 所示。 系統軟件的設計 圖 4-12 第二種花樣的梯形圖 注釋：I0.3 為選擇開關 3; I0.0 為停止開關； Q0.0,Q0.4 為一 號噴水管; Q0.2,Q0.6 為三號噴水管； Q0.1，Q0.5 為二號噴 水管； Q0.3，Q0.7 為四號噴水管； T37 到 T39 為 100ms 的的 定時器；C1 為計數器； M3.4 為顯示的黃燈， M0.2 為顯示 的紅燈， M0.0 為顯示的綠燈。 4.5.3 花式噴泉的第三種花樣 當選擇開關 4 的位置時，第三種花樣：I、2、3、4 按順序 延時 2 秒噴水，然后一起噴 30 秒后 l、2、3、4 再分別延時 2 秒停噴，以此規(guī)律循環(huán)。1、3 管以慢速正轉噴水2、4 管以中 速正轉噴水，第三或者第四任意一層噴水的時候，黃燈亮；當 第二層噴水的時候，紅燈亮；當所有噴水時，綠燈亮。見圖 4- 13 所示。 系統軟件的設計 圖 4-13 第三種花樣的梯形圖 注釋：I0.4 為選擇開關 4; I0.0 為停止開關； Q0.3 為四號噴 系統軟件的設計 水管; Q0.2 為三號噴水管； Q0.15 為二號噴水管； Q0.0 為 一號噴水管； Q0.4 到 Q0.7 為輔助線圈； T37 到 T44 為 100ms 的的定時器； M3.4 為顯示的黃燈， M0.2 為顯示的紅 燈， M0.0 為顯示的綠燈。 4.6 音樂軟件管理 4.6.1 整體音樂模塊 為了使控制系統各種硬件設備能夠正常運行，有效地實現 實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還要有高質量 的軟件支持。充分的考慮到軟件和硬件的結合，使系統達到更 好的效果。系統軟件設計采用單片機應用軟件。單片機軟件采 用 C 語言編寫。單片機主要實現了過程控制、信號處理、數據 讀取等功能；在系統的軟件設計中采用了模塊化設計，將系統 的各部分功能編寫成子模塊的形式，這樣增強了系統軟件的可 讀性和可移植性。主程序流程圖如圖 4-1 所示： 初始化 判斷休止符 關閉 TR0，返 回 Y N 取出音符大 小 取出節(jié)拍大小 LED 閃爍 系統軟件的設計 圖 4-6.1 主程序流程圖 4.6.2 音樂控制設計 音調是由不同的頻率產生的，而每一個音調都是由一個音 符和一個節(jié)拍組成，音符決定該音調的高低，節(jié)拍則決定了該 音調是多少拍。因此，一個音調是由兩個字節(jié)組成的。根據音 符字節(jié) 產生該大小次數的延時，聲音輸出口取反，就可以得到 LCD 液晶顯示 蜂鳴器產生音調 進入下一個音調 該音調的高低音。根據設置單位節(jié)拍的延時大小，可以控制音 樂演唱速度。 因此算法很簡單：定義單片機的一個 I/O 端腳為聲音輸出 口，在規(guī)定的節(jié)拍內，根據音符字節(jié)的大小產生延時，將聲音 輸出口不斷的置高置低（即取反），就可以得到該音調。只要 選取合適的單位節(jié)拍延時，就可以輸出動聽的音樂。 程序流程圖如圖 4-2 所示： 開始 初始化 按鍵按下？ 獲取按鍵值 N Y 設置 T0 并啟動 按鍵放？ 定時器 0 服務子程序 重設定時器 P2.0 反相，產生輸出脈 沖 結束 N 系統軟件的設計 圖 4-6.2 簡易的音樂流程圖 4.6.3 定時時間的產生及工作方式的選擇 AT89S52產生啟閉閘門定時時間的方法通常有兩種。 第一種方法是將定時/計數器T0，T1串行使用。T0設置成定 時器，T1設置成計數器，用T1對T0的“定時時間到”信號進行 定時計數。 第二種方法是用T0做定時器，用軟件對“定時時間到”進 行計數。這種方法只占用一個定時/計數器。 計數功能是對外部事件進行的，外部事件以脈沖的形式輸 入，作為計數器的計數脈沖。為此89s52芯片上有T0(P3.4)和 T1(P3.5)兩個引腳，用于為這兩個計數器輸入計數脈沖。計數 脈沖是負跳變有效，供計數器進行加法計數。使用計數功能時 單片機在每個周期的第五狀態(tài)第二拍節(jié)對計數脈沖輸入引腳進 行采樣。如果前一機器周期采樣為高電平，后一個機器周期采 樣為低電平，即為一個計數脈沖，在下一機器周期的第三狀態(tài) 關閉 T0 Y 第一拍節(jié)進行計數。由于采樣計數脈沖至少需要占用2個機器周 期，所以計數脈沖的頻率不能高于震蕩脈沖的1/24，如果使用 的是12M的晶體振蕩器，這也就得出單片機最高處理的頻率能力 范圍為500KHZ左右。 定時功能也是通過計數器的計數實現的，不過此時的計數 脈沖數來自單片機芯片內部，每個機器周期有一個計數脈沖， 即每個機器周期計數器加1。由于一個機器周期等于12個振蕩脈 沖周期，因此，計數頻率為振蕩頻率的1/12。如果單片機采用 12MHZ晶振，則計數頻率為1MHZ，即每加一次時間為1微秒。利 用此功能可以實現在1微秒到65536微秒之間時刻的基礎上產生 任何時間的定時，典型的應用就是定時器每次計數脈沖設定為 50000微秒后溢出，也就是定時器一次溢出時間為50毫秒，那么 按此想法，溢出20次后停住定時器工作，就達到了1秒鐘的定時 效果。 無論是定時器還是計數器，都有本