音乐喷泉毕业设计说明.docx
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音乐喷泉毕业设计说明
第一章、绪论······················································1
1.1、本课题研究的意义·········································1
1.2、单片机的特点及应用·······································1
1.3、本课题研究的现状·········································3
1.4、音乐喷泉在诸多领域的应用·································3
1.5、本课题的基本容·········································3
第二章、总体设计方案··············································4
结论······························································15
致······························································16
参考文献··························································17
第一章绪论
1.1本课题的研究意义
音乐喷泉系统设计采用单片机为控制核心有较好的经济效益。
因为单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易等。
1.2单片机的特点及应用
单片机的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。
由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用
1.2.1什么是单片机
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、存、部和外部总线系统。
单片机是将中央处理器，随机存储器。
只读存储器，定时器芯片和I/O接口电路集成于一个芯片上的微控制器。
单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
1.2.2单片机的应用
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
1.2.3如何选择单片机
ATMEL公司的89C51单片机,是增强型RISC载Flash的单片机,芯片上的Flash存储器附在用户的产品中,可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易,更新换代方便。
89C51单片机采用增强的RISC结构,使其具有高速处理能力,在一个时钟周期可执行复杂的指令,每MHz可实现1MIPS的处理能力。
89C51单片机工作电压为2.7~6.0V,可以实现耗电最优化。
89C51的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域.
由于单片机的种类很多，在选择单片机时要依据实际设计要求选择合适的单片机。
例如当设计仅仅需要一个单片机定时器那么选择89C1051或89C2051即可，而不选择89C52,因为后者的价格较高一些。
当然若程序和数据区的要求较高那么选择的单片机还要满足程序空间的要求。
下面我们来比较89C51和89C52：
数据存储器
程序存储器
定时器
中断
51系列
128B
4KB
2
5
52系列
256B
8KB
3
8
表1.151和52的比较
在本课题中，我们选用现在较为实用的51系列单片机，即选用TNTER公司的AT89C51。
音乐喷泉系统适用于住宅小区和酒店厅堂等场所，一个好的喷泉就是一个精美的艺术品，可以美化环境、愉悦身心。
而其控制系统是整个喷泉的关键。
对小型花式喷泉控制系统的研究具有很大的经济效益和社会效益。
1.3本课题研究的现状
随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，尤其是喷泉在城市和社区环境建设中起着尤其重要的作用。
因此以高新技术为主的各种新型水景工程：
现代雕塑、音乐喷泉、激光水幕电影、超高喷泉、超大瀑布、百米跑泉、跳跳泉等，都在我国相继出现。
程控花式喷泉是将现代控制技术应用于人工喷泉，通过单片机程序来控制喷泉的水姿变化，成为一种新的喷泉艺术形式。
单片机作为一种控制用微处理器，包含有基本的软硬件资源。
本文采用了单片机控制技术，给出了单片机控制电路，水泵控制电路，彩灯控制电路及部分单片机I／O口初始化程序。
随着科学技术突飞猛进的发展，变频调速器技术正大步走进喷泉控制领域，发挥着不可替代的作用。
单片机的输出通过数模转换来驱动变频器，通过变频调速技术对电泵进行调速，实现程序控制喷泉的高度，不仅能够进行多种水型切换，而且能控制喷泉水柱上下起伏。
同时单片机还通过中间继电器来控制彩灯的亮灭。
实现了对喷泉的水、光协同控制。
1.4音乐喷泉在诸多领域的应用
喷泉作为一项建筑艺术，在国外均有较悠久的历史。
国在二十世纪八十年代以前，喷泉只是建筑给排水和园林造景专业的一个技术细节，从设计到产品制作，工程安装都没有形成规模。
二十世纪九十年代以后，社会主义市场经济快速发展，全国城市建设速度加快，人们也追求高质量的文化生活和环境美。
市场的需求推动了喷泉行业的发展。
喷泉走出公园、园林的围墙和广场的中心，深入延伸到人们的各个社会活动场所，使喷泉行业的发展进入到一个新的阶段。
1.5本课题的基本容
基本任务：
用MCS-51单片机设计一个音乐喷泉，要实现喷水高度的连续控制，就必须能够调节喷头出水水压，而通过调节水泵转速可以达到平滑调节水压的目的。
水泵由变频器来驱动，通过调节电机转速可以实现以上的要求。
三相异步电动机通入工频电源，转速是不变化,变频器是专门针对电机调速装置。
选用变频器来实现对三相电机的控制。
由于单片机的输出是数字量，而变频器的控制口所需要的是模拟量，因此要通过数模转换来使输出达到要求。
系统采用对单片机进行编程，通过单片机输出预定的数据来控制变频器工作，进而实现控制水泵的转速，使水柱发生变化。
当有音乐信号时，获取声音强度，通过模拟量卡，实施输出到变频器，作用到电机上，使喷头产生随音乐起伏的效果。
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的状态组合。
喷泉通过键盘输入来启动和停止喷泉，同时键盘的输入还可以改变喷泉的运行模式。
LED灯用来显示喷泉的运行状态。
当变频器的控制电压为零时，变频器停止工作，水泵也会随之停止工作，达到关掉水泵的目的。
第二章总体设计方案
2.1音乐喷泉控制系统整体设计
2.2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法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。
控制三组不同颜色的彩灯，五台不同喷泉造型的水泵。
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IO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。
因此本设计采用该方案。
2.3系统框图
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。
系统总体结构图如图2.1所示。
图2.1系统总体框图
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的一定规则的随机轮换。
系统实现了乐曲演奏、乐曲选择、乐曲序号显示、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。
第三章硬件电路的设计
3.1电源电路
设计电路是一个简单的稳压电路。
如图3.1所示。
图3.1为电源电路
由于使用了运算放大器，利用它的对称性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反向输入端和同向输入端。
采用对称双电源可使用电路简化，在进口电子设备中，可经常看到用图示这种正负电源，对运放集成块供电的电路。
其特点是：
1.制作或选择电源变压器非常方便，变压器次级绕组无需带中心抽头。
2.正负电源对称。
3.电能的利用率较高。
4.结构简单。
实践证明：
在电源变压器功率容量足够的前提下，适当加大电容容量和变压器次级绕组线径，该电路也可用于小功率的音频功放作正负对称双电源供电。
如果喷嘴的电磁控制器必须较大的电流，可以使用一个较大的电源变压器。
本电路也只适用于较小的系统。
3.2单片机控制电路设计
经查ATMEL公司主要单片机微处理器系列MCS-48、MCS-51、RUPI-44、MCS-96等，考虑到本设计的特点，需要将程序预先写入程序存储器，只有选择具有可擦除功能的程序存储器。
因此，本次设计选择MCS-51系列的AT89C51芯片作为为硬件核心电路。
AT89C51单片机引脚和指令系统与51系列单片机完全兼容，因而使用方便。
其最大特点是部有4KBFlashROM，而且价格低廉。
用FlashROM在开发过程中十分容易对程序进行修改，大大缩短系统开发周期。
3.2单片机控制的电路图
为了充分利用单片机已经有的资源，尽可能简化硬件电路，这里采用线选法扩展I/O口来扩展输出寄存器74HC373。
74hc373为三态输出的八D透明锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
由图3.2可知，由于不使用P0口地址，所以由P0口输出的低8位地址信号可以为任意值，由于P2口各引脚分别接74HC373的输入控制端G，所以地址信号的高8位只能是8个G端仅一个为高电平的那些二进制数：
01H02H04H08H10H20H40H80H中的一个。
也可用选通71HC373的MOVP2，B与起输出作用的MOVP0，A之类的指令来输出数据，则当B的容为01H/02H/04H/08H/10H/20H/40H/80H时，则A的容输出的目标寄存器也依次为0#~7#的74HC373之一。
图3.2中R3、C4使开机复位期间各74HC373的（输入允许）端存在一高电平，避免373部随机数的输出而引起喷池中水泵、电磁阀和彩灯的误动作。
BCD拨码开关可向单片机输入0~9中任一数码，用以改变单片机输出两组数据的时间间隔。
3.3输入、出电路的设计
在这里，输入电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将检测图3.2电源电路到的信号以电平、脉冲或者数字形式传送到单片机的电路。
为了说明简单点，这里只是介绍能够反应乐曲启停的奏曲信号电路。
因为有了它，音乐已经不再是背景音乐，音乐已经用来控制整个喷池的动作与否，因而达到了音乐喷泉最基本的要求。
奏曲信号电路的框图如图3.3所示。
左右两路立体声信号经过混合后送限制幅放大电路放大，这样即使是极弱的乐曲信号也能有足够强度的信号输出。
整流滤波电路用以将交变信号转为单向信号。
电压比较器用以将大于基准电压的单向信号变换成低电平有效的奏曲信号由之端输出。
通过调整基准电压，可以使电路既不受干扰的影响又灵敏度最大。
电源0—12V
奏曲信号电路的输出经R5送至光耦4N35在单片机P1.5引脚产生一低电平信号。
如图3.4所示。
图3.3奏曲信号电路框图
图3.4奏曲信号电路
将乐曲音频信号进行缓冲放大、高中低分段分频、直流变换、数字量变换、驱动放大输出等处理，形成能够进行检测并将检到的信号以电平、脉冲或者数字形式送至单片机的电路。
另外还设置模拟信号强弱调节及数字信号阀值（门槛比较电压）调节，以适应各种不同的信号，方便喷水以及灯光的动作灵敏度的调节，同时设置了相应的电平及阀值显示灯（高、中、低、总信号，11位LED显示），具有良好的操作界面。
输出电路是指接于74HC373各Qi端的电路。
图3.5为使用双向可控硅BCR的输出电路。
由于74HC373的输出电流远远小于BCR所需要的触发电流，故加入外围驱动电ULN2003A的一个单元。
其输入端所接的LED用于指示电路状态，使用高亮度3红LED，当Qi为高电平+5V时LED能正常发光，实测电流为0.8mA多，足以使2003A输出端饱和而吸收近30mA的触发BCR的电流。
图3.5中产生触发电流的+9V电源来自+5V稳压电源的未稳压端，以减轻稳压块的负担。
闭合图3.2中的开关K，程序会向各输出寄存器输出数据FFH，用以检测从单片机到各BCR之间的各输出回路是否常。
图中RL可以是彩灯、电磁阀的线圈，也可是用以控制水泵电机的接触器线圈。
图3.5为使用BCR输出的电路。
喷头样式如图3.6所示
图3.6喷头外形图
第四章软件程序流程图
程序采用模块化结构，所有用到的常数或数组都用EQU或DATA或DB伪指令定义与命名，以使程序易于修改、调试和升级。
4.1系统整体流程图
图4.1主程序框图
程序RESET后，进入0000H开始的主程序，其流程如图4.1所示。
可以看出：
P1.4上的开关K决定是否测试输出通道；乐曲是否演奏决定了喷池是否有动作，即P1.5的电平；拨码开关的设定值决定了延迟多少倍的0.1秒时间，即喷池动作改变的时间间隔；奏曲每停一次（大多数乐曲奏曲中间不会停），下次再奏曲就换一组花样数据，若用完了最后一组，以后就从头再取。
也就是多个乐曲一次轮流循环使用编制好的喷池花样数据。
4.2喷池数据
喷池数据是用以对喷池的水泵、电磁阀和彩灯等进行开与关控制的数据。
一组可循环使用的这种数据，就决定了喷泉和彩灯的一个特定的变化形态。
这组喷池数据可称为花样数据。
对一个特定构造的喷池，这种花样数据可编写出很多。
下面以表4.2为例说明花样数据的编排方法。
假设希望外圈喷头每隔一定时间顺次增喷2个喷头，且从2个经4步顺时针增至8个后，再顺次以同样的方向同样的速度每次减喷2个喷头，即从8个喷头经4步减至0。
以后不断按上述规律循环变化。
在这期间，里圈和中心喷头一直不喷。
在不考虑其他控制的情况下，表4.2喷池只需要2个输出寄存器，其各位控制喷头定义如下：
表4.2喷头数据
8
7
6
5
4
3
2
1
X
X
X
13
12
11
10
9
图3.2喷嘴分布图
4.3喷泉造型平面图
以上各位若为1时相应的喷头喷水，为0时不喷水，则外圈喷头数据应为：
00000011B
00001111B
00111111B
11111111B
11111100B
11110000B
11000000B
00000000B
若该花样数据定义为HYSJ01则数据定义如下：
HYSJ01：
DB03H，0FH，3FH，0FFH，0FCH，0F0H，0C0H，00H；外圈喷头数据
DB0，0，0，0，0，0，0，0；里圈和中心喷头数据
每次将花样数据输出时都是顺次取一列输出的，且可循环取用。
显然这样的花样数据可以编不少，还可将两个以上的数据搭配起来，组成新的更复杂一些的花样数据。
方案：
设置了十三个喷头，分外两圈布置，在水池的中心还设置了一个花柱喷头，喷泉造型如图4.3所示。
本方案采用十字形供水方式，将水泵设置在喷池中央，同样是为了让水流迅速流至每个喷头，当然也可以采用在外圈或圈安装水泵，用一短直管将外两圈的水管连接起来，就可以向各个喷头供水了，但是这种方式使距离水泵较远的喷头的水柱高度变化会滞后于距离水泵较近的同性质的喷水高度变化，产生的滞后效应较十字形供水方式的滞后效应大。
同时，本方案具有花形控制灵活，花形变化类型多，而且观赏效果好，可以从各个方向上都能够看到同样的花形，作为旅游景点观赏用的音乐喷泉是较佳的选择。
选择此方案作为本次设计的花形造型方案。
由于喷泉设置在旅游景点，为了取得较好的视距效果。
因此，喷泉所占据的空间位置，需根据人眼视域的生理特征以及周围的景物来确定，经查相关资料，由以下两个指标确定，即垂直视域和水平视域。
当垂直视角在30度、水平视角在45度的围，有良好的视域。
当垂直视角为30度时，其合适视距为：
D1—合适视距
H—景物高
h—人眼高
根据旅游景点的特征，取水平合适视距为2.5m左右较为合适，因此可得喷水池的宽度为
由于小型喷泉的垂直合适视距约为喷水高的3倍，喷泉景物合适的视距约为景物宽度的1.2倍，因此喷泉的喷水高度按最大为2m高的水柱进行设计，宽度也按2m进行设计。
4.2.1配水管网的计算
配水管网的计算主要是确定管径和水头损失。
①管径的计算
由水力学公式得知
将其代入上式，移项得：
D—管径
—流量
A—水管的过水断面积（通流面积）
π—圆周率
V—流速
查标准管道直径系列无48mm的管径，因此需对其修正，查标准管径系列取D=50mm.
②水头损失计算
喷泉中使用的管道都是压力管道，水流经管道时能量损失叫水头损失。
因此，总水头损失等于沿程水头损失与局部水头损失之和。
即
式中 h—总水头损失
∑h沿—沿程水头损失之和
∑h局—局部水头损失之和
第五章调试过程和调试方法
微机控制系统设计完成之后，最主要的任务就是调试。
本次系统调试主要对单片机程序进行调试，首先采用仿真器进行程序运行仿真，然后采用编程器程序烧录进行硬件测
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