基于单片机的音乐喷泉设计开题报告.doc

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湖南工业大学本科毕业设计（论文）过程管理资料

湖南工业大学

本科毕业设计（论文）开题报告

学院（部）：

理学院

专业：

电子信息科学与技术

学生姓名：

费明祥

班级：

091

学号09411400106

指导教师姓名：

黄卓冕

职称讲师

2012年12月20日

38

题目：

基于单片机的音乐喷泉设计

1.1单片机应用于控制系统的研究背景

早期时候，人们通过继电器来实现对系统的控制，成而形成了对系统的控制。

在单片机出现后，单片机应用于小型或者是中小型控制系统已经成为了主流，随着科学技术和科学理论的不断创新和发展，单片机的控制理论不断成熟。

单片机的发展能也逐渐朝着高集成、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。

随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面。

其中单片机也应用到了美化环境系统中，比如说彩灯显示，喷泉。

本次毕业设计我将以8位单片机AT89C51为主机，以及各先关的元器件，来完成对音乐喷泉控制系统设计。

1.2研究意义：

音乐喷泉是近几年来出现的喷泉水景与音乐欣赏相结合的产物，它的出现改变了喷泉艺术单调不变的局面。

在音乐的伴随下喷泉的高度、灯光的色彩以及喷泉造型等随着音乐变化而变化，忽而气势磅礴，犹如万马齐奔，忽而悠然舒缓，犹如春风抚过杨柳，使观众陶醉于音乐与水型的完美结合中。

目前，音乐喷泉出现了各种表现形式，比如大型广场喷泉、激光喷泉、水幕电影、超高喷泉、人工瀑布等。

由于音乐喷泉作为一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，国内各大城市或在广场或在公园都有它的身影。

可以说，音乐喷泉己经成为一种娱乐产业，具有很高的经济效益和社会效益。

为了适应喷泉工程建设的需要，国内出现了众多的喷泉设备厂和喷泉设计专业公司。

音乐喷泉作为一种独特的人工景观，获得了广大人民的喜爱，不仅使得人们在视觉上得到了享受，而且在音乐背景下，能够激励我们的心智。

目前音乐喷泉已经成为一种娱乐产业，具有很高的经济效益和社会效益，研究和设计高水平的音乐喷泉控制技术是非常重要的

1.3音乐喷泉国内外发展形势

音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，音乐喷泉将喷水图形、彩色灯光及音乐旋律构成一个有机的整体，随着乐曲旋律和节奏的变化，各种不同的喷水花形相应的配合变换，在五彩绚丽的变幻灯光照耀下，构成一幅幅奇妙无比的景观、令人赏心悦目，叹为观止，在视听上获得极大的享受。

音乐喷泉的起源于1930年，德国人首先带出喷泉的概念，此后经过多年的发展，其音乐喷泉的设计及构造已变得更大型及复杂。

随着我国改革开放政策的不断实施，80年代中，我国也相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环境，活跃人民的文化生活起了良好的作用。

通过学习和引进国外先进技术，加上自行研究和开发，喷泉的面貌不断更新，各种新水型层出不穷，音乐喷泉还可以同水幕电影、激光表演和舞台表演相结合，产生令人难忘的艺术效。

音乐喷泉涉及的专业非常广泛，包括音乐信号分析、给排水、电气控制、通讯、摄像技术、计算机自动控制、三维动画制作和网络通讯技术等。

所以说音乐喷泉这个行业是一个综合性非常强的行业。

一个音乐喷泉工程的成功实施需要以上几方面的专业工程技术人员紧密的配合才能完成。

在国际上，由于现在大多数喷泉使用单位对音乐喷泉的要求越来越高，他们想让喷泉具备更多的变化手段或表现形式，所以有越来越多的用户或者需要根据自己的喜好；或者对音乐喷泉控制程序进行进一步研发和应用；或者抱着游戏的态度对喷泉本身的水形变化根据音乐信号的特征进行有目的或随机的编排。

这就要求音乐喷泉控制系统中的组态软件、PLC编程软件、网络通讯架构和变频器必须具备“宏指令编辑功能”（即在组态界面专门开辟出的编辑菜单或子程序内填写相应的数据后存储形成新的控制程序）、开放式编程环境（即可以在线或离线编制与主控制程序相适应的符合国际标准的开放式程序写入到组态软件和PLC程序内形成新的控制程序）和快速稳定可靠的网络通讯功能。

2.1选题依据：

在来到大学时，我才第一次正真意义上了解到音乐喷泉。

大二时，学校的后山开发了神农城项目。

其中最引人瞩目的项目是水系表演音乐喷泉项目。

2011年10月份的庆市建成60周年时。

音乐喷泉以独特的魅力吸引着我。

水柱的波动随音乐而变幻莫测，绚丽多彩，同时彩灯的变换更添几丝神韵。

从那是起我就开始迷恋上了音乐喷泉，后来我就对自动控制原理做了一番研究，随后我又开始了解了单片机的先关原理。

而对音乐喷泉的原理有了一定的了解，所以这次在毕业设计时我毅然的选择了基于单片机的音乐喷泉设计。

我想通过这四年的学习我有能力完成这次设计。

同时在指导老师的引导下，这次设计也是对大学四年的检测和提升。

随着生活水平的提高，人们对环境要求越来越高,城市环境建设日益为人们所重视。

喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景，不断地出现在城市的广场、公园及其他公共场所。

在音乐喷泉中，喷头的多姿造型和缤纷的水下灯光都受喷泉控制器的控制。

由于不同的喷泉对水泵和彩灯组数的要求各不相同，因此设计一种简单、通用、组数可灵活扩充的喷泉控制器就成为喷泉设计者的一个任务。

本课题利用所学的知识，设计一个音乐控制的模拟喷泉。

2.2课题的主要内容：

设计一个基于单片机控制的音乐喷泉，确定方案，画出原理图和PCB版图，购买元器件完成产品制作，确定具体电路、制作、调试、作品验收。

根据音乐的强弱对电机，水泵或阀门进行控制，以便控制喷泉水柱的高低，驱动喷头的个数根据情况自行确定。

可行性分析：

用单片机根据音乐的强弱对电机，水泵或阀门进行控制，以便控制喷泉水柱的高低。

输入为音乐成正比的电压信号，输出为对水泵转速或阀门的控制量。

选用单片机作为此次音乐喷泉控制系统设计的控制核心，主要是为了实现单片放音，并控制多个电磁阀的开闭动作和水泵的动作，解决系统中信号的同步性问题。

整个电路设计简单，通用，基于工程背景，具有可行性。

2.3技术解决方案：

（1）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。

（2）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。

（3）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

作等有点。

因此本文采用该方案。

该系统框图如下图所示。

图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、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。

预期成果：

（1）、完成硬件电路设计，提供protel电路原理图及Pcb印制版图，最终达到硬件能准确无误地应用的目标。

（2）、进行硬件调试，经确定无误后交指导老师批阅。

（3）、撰写符合要求的毕业论文。

3工作进度及具体安排

进

度

安

排

起止日期

工作内容

2012年下学期第12周至第13周

明确课题任务，掌握文献检索方法，积极准备相关资料。

2012年下学期第14周至第18周

研读相关文献资料，巩固加深和进一步学习课题所涉及专业

知识，撰写好开题报告。

2012年下学期第19周至第20周

继续收集和研读相关资料，为毕业论文和毕业实习做好准备。

2013年上学期第1周至第4周

完成毕业实习，填写好实习日志，撰写好实习报告。

2013年上学期第5周至第11周

归纳整理资料，形成自己的观点，完成论文的初稿和中期报告。

2013年上学期第12周至第14周

修改论文，定稿，并将论文正稿提交老师评阅。

2013年上学期第15周至第16周

做好答辩准备，完成论文答辩。

主

要

参

考

资

料

[1]周慈航.单片机程序应用设计[M].北京:

航空航天大学出版社,1991.

[2]孙涵芳.MSC-51、96系列单片机原理及应用[M].北京:

航空航天大学出版社,1992.

[3]黄胜军.微型计算机控制应用实例集[M].北京:

清华大学出版社,1987.

[4]王建校.51系列单片机及C51程序设计[M].北京:

科学出版社,2002.

[5]黄玉容.单片机开发系统的设计与实现[J].公安大学学报（自然科学版）,2001,（06）.

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4指导教师意见

指导教师：

年月日

说明：

开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，将作为毕业设计（论文）成绩考查的重要依据，经导师审查后签署意见生效。