音乐喷泉控制器的设计汇编.docx

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音乐喷泉控制器的设计汇编

摘要

随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷泉以其独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。

根据目前音乐喷泉的发展现状，完成了小型音乐喷泉系统硬件结构设计和控制系统设计。

本文以AT89C51单片机为核心，给出了一个简洁的单片机控制电路，控制系统的原理是利用AT89C51单片机汇编音乐程序或者通过A/D对音频信号进行采样和处理，分级控制单相电动机，最终达到控制喷头流量的方法。

给出了主程序框图和看门狗子程序。

采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制花型。

音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。

从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。

关键词：

单片机、数字电路、电机控制、计算机编程

Abstract

Withtheimprovementofpeople'slivingstandardsandbuildgreencities,musicalfountainwithitsuniquecharmandspecialfunctions,areincreasinglybecominganimportantproductintheentertainmentindustry,musicfountainconstructionisalsoincreasing.

Accordingtothepresentsituationofthedevelopmentofthemusicalfountain,completesmallscalemusicfountainsystemstructureandcontrolsystemdesignofthehardware.PaperwithAT89C51microcontrollercore,givesaconcisesingle-chipmicrocomputercontrolcircuits,controlsystemistheuseofAT89C51microcontrollercompiledmusicprogramorthrougha/dsamplingandprocessingofaudiosignals,hierarchicalcontrolofsingle-phasemotor,andultimatelyachievingcontrolmethodofnozzleflow.GiventheframeofmainprogramandtheWatchdogprogram.Programcontrolormanualcontrolbuttonssolenoidvalveisusedtocontrolpattern.Audiosignaleffectoflightcolorandlightinglightchanges.ToFlashthelightcolor,lightingandwaterfountainsandattitudechangewiththemusicrhythm.

Keywords:

SingleChipMicrocomputer、digitalcircuit、MotorControl、ComputerProgramming

目录

1综述…………………………………………………………………………………1

2总体设计……………………………………………………………………………1

3系统设计…………………………………………………………………………1

3.1系统的设计方案……………………………………………………………1

3.2硬件电路……………………………………………………………………2

3.3输入电路……………………………………………………………………2

3.4工作原理……………………………………………………………………3

3.5输出电路……………………………………………………………………3

3.5.1蜂鸣器输出……………………………………………………………3

3.5.2电机输出………………………………………………………………4

3.5.3LED输出…………………………………………………………………4

3.5.4电机控制………………………………………………………………5

4系统总体设计……………………………………………………………………5

4.1喷嘴布局……………………………………………………………………5

5程序………………………………………………………………………………6

5.1KeilC51的使用………………………………………………………………7

5.2主程序框图…………………………………………………………………8

5.3程序的编写…………………………………………………………………10

总结…………………………………………………………………………………14

参考文献……………………………………………………………………………15

1绪论

1.1音乐喷泉简介

目前喷泉可分为四种类型：

一是普通喷泉；二是程控喷泉；三是音乐喷泉；四是水幕激光电影。

普通喷泉这种喷泉只有简单的几种固定水型及灯光，电源打开后同时喷水及亮灯，没有水型和灯光的变化，一般为早期产品或只用于装饰性喷泉时使用。

其特点是制造简单，造价低。

程控喷泉程控喷泉是将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样变化。

音乐喷泉音乐表演喷泉是在程序控制喷泉的基础上加人了音乐控制系统，计算机通过音频及MIDI信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到音乐喷泉的控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与音乐保持同步，从而达到喷泉的水型、灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合，使喷泉表演更加生动，更加富有内涵。

水幕激光电影、水幕激光表演系统是将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷出的水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图画自及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的奇异效果。

音乐喷泉的形成主要是根据音乐的节奏来改变水泵的压力，水泵压力一旦有了变化，喷岀水的高低就有了变化，从而产生所看到的音乐喷泉的效果。

所以音乐喷泉的关键所在也就是对水泵的控制。

本设计是采用89C51单片机为核心芯片，及其相关硬件来实现分级控制单相电动机，最终打到控制喷头流量的方法。

采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制花形，音频信号影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化，从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。

1.2音乐喷泉发展现状

北京石景山古城公园的音乐喷泉，在悠扬动听的音乐声中，喷水可产生五六种变化，时而转动如银伞，时而飘忽如玉带，时而如金蛇狂舞，时而旋转飞溅，喷出的花形有昙花、菊花、扶桑花、百合花和曼陀罗花，这是在80年代初期中国较早建设的一个音乐喷泉。

南昌的秋水广场是由“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的意境得名，秋水广场就是以喷泉为主题，集旅游、观光、购物的大型休闲广场。

他的音乐喷泉最吸引人注目，是国内最大的音乐喷泉群，泉水面积1.2万平方米，主喷高达128米，是南昌的一俏丽景观，人们可以一边欣赏音乐，一边观看滕王阁的美景。

新加坡圣淘沙旅游区的音乐的设计与效果也是值得参考的，它布置在一个空旷而略有坡度的空间，面积很大，与圣淘沙车站前的长形喷水池共同组成为一个长达数百米的综合系列喷泉，音乐喷泉位于系列喷泉的顶端。

舞台为一假山堆叠的西洋式半圆柱廊组成，共分3层。

白天，假山瀑布及两侧的喷泉群与3层水池形成一处动静结合的较为文雅悠扬的水景园，入夜则有五光十色，优美动听的喷泉景观，整个舞台区域东西面阔近百米，南北深度约40m，成为目前亚洲最大的音乐喷泉之一。

表现出壮阔、绚丽的水景之美。

以上几处音乐喷泉从建筑形势、音乐曲调及水舞表演的角度展现了音乐喷泉的美丽姿态，但是都属于大型的音乐喷泉，其控制系统也多采用PLC逻辑编程控制，造价高，流量需求大，一般为专门的定量设计。

即使这样，国内外的音乐喷泉控制系统设计均以达到成熟的水平，而且还有专门的生产设计厂家，提供设计、喷泉设备及安装等服务。

目前，国内的音乐喷泉逐渐向智能化、分散化、综合化、多样化的方向发展，于是对喷泉控制系统的设计也提出了更高的要求。

1.3本文研究主要研究内容

本文设计了一种小型音乐喷泉控制系统。

以AT89C51单片机为核心，给出了一个简洁的单片机控制电路，设计了系统的硬件电力，给出了主程序框图和看门狗子程序。

最后通过Proteus软件仿真，证明音乐喷泉控制器具有良好的性能。

2方案分析与论证

2.1方案比较

方案一：

基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制系统

此方案优点是新型音乐喷泉控制方案的采样结果可以直接反映音乐强度，并由喷泉控制器与上位机配合工作来实现数据的采集与处理，该方法每0.1秒采样一次数据。

当利用前馈补偿方式控制输出时，前馈控制时间完全可由设置的“前馈”时间确定，故可满足实际音乐喷泉前馈补偿控制的需要。

可由于硬件条件的限制以及能力的要求较高，实施比较困难。

方案二：

基于全数字集成电路音乐喷泉控制器

此方案设计分为音控、程控两用的音乐喷泉控制器。

音控、程控可用开关手动切换。

程控的速度可用电位器调节。

音控时，输入音乐的音量直接控制彩灯，音乐音量小则彩灯打开的组数少，音量大则彩灯打开的组数多。

整个电路设计简单、通用。

基于工程背景，具有可行性。

方案三：

基于单片机的音乐喷泉控制系统

采用以AT89C51为核心的单片机控制方案。

利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，能够简单而又实用的将乐曲控制喷泉的动作。

而且以AT89C51为核心的嵌入式控制器，具有性价比高、体积小、易于操作等优点。

因此本文采用该方案。

2.2音乐喷泉整体设计

该音乐喷泉控制系统的总体结构如图2.1所示，由音乐输入系统、数模转换系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成。

图2.1系统总体结构框图

众所周知，物体振动产生声音，而振动的频率决定音调高低，因此使用单片机控制输出不同频率的信号，就可以产生不同的音调；利用单片机的计时系统可以控制各个音调的时间，即实现节拍的控制。

音调和节拍按照乐谱排列就实现了乐曲演奏的功能。

喷头及彩灯分别与相应输出点连接，通过程序实现各种音调都有对应的一组输出点开关状态组合，从而实现乐曲控制喷泉动作的功能。

音乐的播放可在开启喷泉时，由外部设备如VCD、DVD等设备播放，也可由计算机播放。

根据有无音乐信号（计算机上播放或外部输入），启停喷泉。

当有音乐信号时，获取声音强度，通过模拟量卡、实时输出到变频器，作用到变速电机上，使喷头喷水产生随音乐起伏的效果。

单片机控制系统具有启动喷泉、灯光，捕获音乐，产生输出控制，显示当前音乐，喷泉、灯光状态，停止喷泉、灯光等功能，同时对各组喷头进行一定时间内的一定规则内的随机轮换。

系统实现了乐曲演奏、乐曲选择、喷泉水柱控制、彩灯控制等功能。

物体振动产生声音，而振动的频率决定音调高低，因此使用单片机控制输出不同频率的信号，就可以产生不同的音调；利用单片机的计时系统可以控制各个音调的时间，即实现节拍的控制。

音调和节拍按照乐谱排列就实现了乐曲演奏的功能。

喷头及彩灯分别与相应输出点连接，通过程序实现每种音调都有对应的一组输出点开关状态组合，从而实现乐曲控制喷泉动作的功能。

3控制器硬件设计

3.1音乐信号的采集

本文的研究针对的是采用外部音源的喷泉系统，因此在对音乐信号进行特征识别前首先要完成对模拟音乐信号的采集。

音乐信号的采集主要包括音频放大和A/D转换两个过程，下面分别进行分析。

3.1.1音频放大电路的设计

外部音源信号的幅度一般较弱，因此必须要对原信号进行放大处理后才能送入A/D转换器。

本文选择了LM386芯片设计音频放大电路。

LM386是美国国家半导体公司（NS）推出的系列功率放大集成电路的一种，LM386具有功耗低、工作电压范围宽、所需外围元件少等特点，在电子设备的音频放大电路设计中应用非常广泛，它使用了10只晶体管构成了输入级、电压增益和电流驱动级。

其中T1~T6组成PNP型复合差分放大器，T5、T6为镜像恒流源，作为T3、T4的有源负载，使输入级有稳定的增益。

电压增益级由接成共发射极状态的T7承担，其负载也使用了恒流源，整个集成功放的开环增益主要由该级决定。

T8、T9复合为一个PNP管，和T10共同组成互补对称射极输出电路，以供给负载以足够的电流。

D1、D2提供了T8、T9、T10所需的偏置，使末级偏置在甲乙类状态。

R5~R7构成内部反馈环路。

从图3.2.1可以看出，LM386采用双列8脚封装结构，它的工作电压范围为4~12V，静态电流4mA，最大输出功率660mW，最大电压增益46dB，增益带宽300kHz，谐波失真0.2%。

图3.1LM386封装形式及引脚定义

在LM386的DataSheet上，提供了两种典型放大电路的设计方案。

一种是在LM386的1脚和8脚之间不接其他元件，此时放大电路的增益仅由内部电阻R5~R7决定，为20倍数（26dB），这种方式外部电路元件最少，也最为经济。

另一种通过在1脚和8脚之间串接不同的阻容元件，改变放大电路的交流反馈量，从而改变放大电路的闭环增益。

音乐信号的放大采集如图2.2.2所示。

外部音源（声卡、CD机等）的模拟音乐信号分左、右声道分别进入放大电路，经过信号放大后，得到幅值放大后的音频信号。

从图3.2.2可以看出放大电路的具体设计。

在LM386的1脚和8脚之间串接一个10微法的电容C4，使内部电阻R6被交流旁路，放大电路的增益能达到最大值，200倍数（46dB）。

再对音频放大电路的外围电路进行设计，电路中电容C1、C6作为隔直电容，电位器P1用于调节音量的大小，元件R2、C5有助于旁路高频噪音和改善输出的音质。

电容C3作为去耦电容，一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。

电容C2则是作为旁路电容，将信号的中高频噪音旁路到地。

经过放大电路的音频信号就送入A/D转换器进行采样，这里A/D转换器要设置为双极性，即能接收负信号。

图3.2音乐信号放大采集

3.1.2采样定理

采样是指用一较高频率的开关脉冲对模拟信号进行取样，取出脉冲到来时刻

所对应的模拟信号的幅度，这样就可以得到一连串幅度变化的离散脉冲。

用这些

离散脉冲序列代替原来时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。

如图3.2.2所示，在对音乐信号进行放大处理后，就要通过A/D转换将模拟信号采集进计算机，这就是音乐信号的采样。

我们在对一个连续的音乐信号进行采样时，为了使采样后的样本序列能够包含足够的信息以使其能够较正确地重现原来的模拟信号，在采样时应当使采样频率满足采样定理的要求。

采样定理的描述为“对一个模拟信号进行离散化时，只要满足采样频率fs大于或等于被采样信号的最高频率fm的2倍，就可以通过理想的低通滤波器，从样本值序列信号中无失真地恢复出原始模拟信号”，这里的fm称为香农频率，这个采样定理又称为香农采样定理。

实际应用中为了较好的防止频谱混叠失真，采样频率一般要稍大于信号最高频率的2倍。

比如乐曲的音域频段如果在50Hz～4000Hz内，就要将A/D转换器的采样频率选定为10kHz，才能满足香农采样定理的要求。

3.2单片机电路

单片机要采集音乐信号，并据此调节I/O口的输出来控制水泵和彩灯。

主芯片选用AT89C51单片机。

AT89C51单片机是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，1个看门狗定时器，3个16位可编程定时器，具有ISP功能，能够满足设计要求。

使用简单且价格非常低廉。

故系统的主控制器采用此方案。

图2.389C51芯片

3.2.1单片机的概述

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存取器（RAM）,器件采用ATMEL公司的ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

AT89C51提供一下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个双全工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

单片机有四个数据输出端口，P0口、P1口、P2口、P3口。

由于P3口还有许多特殊功能，如读写控制、串行通信、外部中断等功能，所以P3口不用作数据输入输出端口。

P0口具有很强的带负载的能力，除了用作地址总线低八位以外，还兼作访问外接扩展程序内存时数据总线以及与A/D转换器ADC0809L连接的资料线。

P1口、P2口带负载能力相对比教弱，而P2口需要用作访问外接内存的高八位地址线，因此P2口也不作为数据输入输出口，剩下的P1口作为资料输出口。

3.2.2时钟电路的设计

AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，如图2—13所示：

图2-13自激振荡器

3.3AD转换电路

输入的电压为交流模拟量，不能直接送入单片机进行处理。

因此首先采用全桥整流，滤波。

使其成为直流信号，再采用全桥整流，滤波。

使其成为直流信号，再采用了ADC电路。

其中AD芯片为ADC0832。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。

芯片转换时间仅为32

s，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

串行通信节约单片机I/O资源。

ADC0809各引脚功能：

ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚。

（1）IN0—IN7（8条）IN0—IN7为8路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压；

（2）地址输入和控制（4条）ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上的地址信号得以锁存，经译码后控制8路模拟开关工作，ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线，用于选择IN0—IN7上的哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。

（3）数字量输出及控制线（11条）“START”为“启动脉冲”输入线，该线上的正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿启动ADC工作。

EOC为转换结束输出线，该线上的高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。

OE为“输出允许”线。

（4）电源线及其他（5条）CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需的时钟脉冲序列。

VCC为+5电源输入线，GND为地线。

VREF（+）和VREF（-）为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。

VREF（+）常与VCC相连VREF（-）常接地或负电源电压。

ADC0809的时钟信号来自单片机89C51的ALE信号，89C51采用12MHz时钟频率，ALE为2MHz，经四分频后为500KHz作为ADC0809的时钟频率。

用P2.7控制A/D转换的启动与转换结束后数字量的读取。

ADC0809的地址锁存允许管脚（ALE）H和启动管脚（START）相连。

由P2.7和WR信号经或非门提供的信号使P0.2—P0.0提供的3位通道地址送入ADC0809进行锁存，用以选取通道号。

转换结束信号EOC作为查询信号。

具体接口电路如图2-4所示

图2-4ADC0809

3.4潜水泵调速硬件方案设计

方案一：

采用变频器，调速方便、容易，只要控制口电流范围为4到20毫安就可以，精度高，缺点价格偏贵。

方案二：

采用步进电机调速电路，这样会增加电路复杂性，控制精度偏低，优点是价格偏低。

本系统成本问题必须考虑，控制精度要求不是很高，步进电机调速电路就可以满足要求。

本系统采用可控硅调相的方法控制喷泉水泵的转速。

电路如图2.5所示，由单片机的I/O口输出矩形波，通过光耦控制可控硅的导通角，进而控制水泵电机的转速，调整喷泉的输出高度。

选用单相可控硅BT169控制220V的双向交流电。

交流通过二极管1N4007（耐压值1000V）组成的整流桥后变为100Hz脉动的直流，由单片机P0.4依据音乐采样结果输出矩形波，通过光耦控制可控硅的通断，以达到调相的目的。

图2.5电机电路图

采用这种方法关键要保证矩形波与100Hz脉动直流保持同相，由AD采样的结果决定100Hz脉动直流的每一个周期有多长时间是导通的。

所以将100Hz脉动直流分压后作为单片机内部比较器的一个输入端，另一个输入端接一个由5V分来的固定电压。

当比较器的输出结果发生变化时，由定时器定一段时间，这样就找到了每个周期的起点，然后再根据AD采样决定不等的延时来输出矩形波导通可控硅。

AD采样结果大，每个周期的延时短，可控硅导通的时间长，水泵电机转速快，反之亦然。

3.5灯光硬件方案设计

方案一：

使用大功率，不同颜色的发光二极管。

方案二：

使用LED水下低压彩灯。

LED-水下彩灯系列除广泛使用于喷泉，瀑布水下照明外，还可用于假山，桥梁等投光照明。

水下彩灯均采用著名荷兰菲利蒲公司产品，产品结构合理，色彩鲜艳，并进一步改进了其密封、防护和接线方式，广泛适合于各种喷泉。

本次设计采用水下照明和闪光彩灯，水下照明采用LED水下低压彩灯两个，闪光彩灯采用不同颜色的发光二极管。

图2.6彩灯的连接

3.6解决系统时间滞后硬件电路设计

由于单片机采集数据并处理需要一定的时间，加上电机响应和水柱显示也需要一定的时间。

电机由一种转速到另一种转速的响应时间可以查电机参数得到，电动机的响应时间为0.04S，单片机采集处理数据程序约为100句，约为0.6ms，水柱的显示延时可以通过水闸效应计算出来，经计算总延时约为0.2S。

提出两种解决方案。

方案一：

采用预处理，即把要控制的音乐元素提前编辑好，提前控制。

方案二：

采用把音乐延时播放，即在音乐源与音响间加延时电路，调节参数，使音乐与水柱的变化同步。

音乐元素提前预处理一般使用在工控机等数字处理能力非常强的控制系统中，使用单片机一般实现不了这个预处理目标。

因此采用延时电路[6]把音乐延时播放，选择方案二。

4控制器软件设计

程序采用模块化结构，所有用到的常数