小型音乐喷泉控制系统设计.docx
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小型音乐喷泉控制系统设计
ModifiedbyJACKontheafternoonofDecember26,2020
小型音乐喷泉控制系统设计
本科毕业设计
题目小型音乐喷泉控制系统设计
院系机械学院
专业机械设计制造及其自动化
姓名
学号
学习年限2013年10月至2017年6月
指导教师职称
申请学位
2017年5月23日
小型音乐喷泉控制系统设计
学生姓名：
指导教师：
摘要喷泉作为一项优美的建筑艺术与人文景观，以水设景的方式在中外历史上都很有特点，在人类历史上留下了光辉的印记。
好的喷泉就仿佛是一个精美的艺术品一样，它的价值不仅仅在于观赏，还有颇高的令人喜爱的实用价值。
本次设计的内容主要是用单片机制作一个声控喷泉，对象为直流机控制的一个水泵，最终实现喷泉的喷水高度按音调高低进行同步的变化。
这里采用模数信号转换、程序控制信号输出、PWM变频调速等方法，提出了一种较为先进的音乐喷泉设计方案和控制途径。
关键词：
音乐喷泉单片机直流机变频调速
Designofsmallmusicfountaincontrolsystem
Author’sName:
Tutor:
ABSTRACT：
Fountainasabeautifularchitecturalartandculturallandscape,thewaythewaterinthehistoryofChineseandforeignhistoryareverycharacteristic,inthehistoryofmankindleftagloriousmark.Agoodfountainislikeafineartwork,itsvalueisnotjustwatch,therearequitehighpracticalvalue.Themaincontentofthisdesignistouseasingle-chipproductionofavoicefountain,theobjectoftheDCmachinecontrolofapump,andultimatelytoachievethefountainofthewaterlevelbythepitchlevelofsynchronizationchanges.Heretheuseofanalogsignalconversion,programcontrolsignaloutput,PWMfrequencycontrolandothermethods,putforwardamoreadvancedmusicfountaindesignandcontrolmethods.
KEYWORDS：
musicfountainSCMDCmachineFrequency
1引言
本课题的研究背景
音乐喷泉作为人文景观中一项不可多得的建筑艺术，这条靓丽的风景线在中外历史上都享誉盛名。
上世纪八十年代以前，喷泉只作为一个技术细节被排水和美化专业施工人员所使用，从构思，设计，生产，测试，到最后的工程安装没有形成规模。
只有在展览厅和公园等公共建筑可以看到一些小喷泉，产品设计水平相对简单，效果是单一的。
上世纪八十年代起，社会的进步风气开始上升，国民经济取得了一定的恢复和发展，人民生活水平和科学技术水平均有明显改善与提高。
一些城市的相关部门对于喷泉提出了推陈出新的要求，他们的目的是希望将新型的音乐喷泉应用到城市建设、城市改造的过程中，还包括喷泉的景观设置和文艺空气的设计与制造方面。
对建筑、园艺、水利科学院、高等教育研究所等机构来说，他们获得了一个机遇，在综合了土木工程、供排水系统等一些工科技能后，再加上当时先进的单片机技术以及机电控制理论，依据学术理论改变特定量达到控制电磁阀和直流电机调速的目的，设计并制造了一批与之前全然不同的喷泉设备，营造了全新的景观效果，收到良好的社会和社会反应。
同期，部分具有加工喷泉设备专业能力的工人和具有独到眼光的投资人合伙建厂或者成立研发公司，这些工厂以及公司的发展推动了我国喷泉行业的进步，为喷泉的行业的发展提供了中坚力量，奠定了坚实的基础。
第二十世纪90年代以后，社会风气推动思想解放，各界人士的观念都发生了翻天覆地的变化，在物质生活逐渐得到满足的社会背景下，他们开始注重精神生活，对高品质的文化氛围和优雅的生活环境有了需求。
就是因为这样，有市场就会有商品，有商品就会有更好的商品，与此同理，喷泉行业亦取得了巨大的发展。
喷泉已经不单是公园、花园和广场的专属品，开始延伸到人们的各种社会活动中。
就在这一时期，研发和制造喷泉的工作室和工厂顺应潮流萌芽生长，以至于壮大起来。
喷泉设计人员把现代工业的各种相关技术都应用到了喷泉中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新高度，为人们提供视觉震撼的同时也为应用领域开辟了广阔的领土，人人都开始注意这一特殊的人文景观。
中国建筑金属结构协会给水排水设备分会在2001成立了水景喷泉专业委员会，这一组织有效的调配了各种资源，统筹安排了发展规划路线，以促进喷泉行业健康有序快速发展为宗旨，希望通过提供各种服务满足人们的精神追求。
在普通高校的建筑专业，园林专业也设置了水景，喷泉等相关课程，这一举措为喷泉行业的发展提供了知识和人才储备，初衷自然是希望喷泉行业有更好的发展。
自此以后，喷泉产业在人们的希冀中进入又好又快发展的新阶段。
时代在发展，社会在进步，这一切都归结于人的进步，思想的进步，追求的进步，对健康优雅环境的要求让他们对喷泉情有独钟，特别是喷泉在城市和社区环境建设中的作用是无可取代的。
于是以高新科技为支撑的各种新型水景在我国纷纷涌现，音乐喷泉是其中最具代表性的一例，以它悠扬的曲调，动感的节奏，缤纷的花样，多变的色彩征服了观众的心。
程序控制喷泉的方式已经成为喷泉艺术呈现的新的主流形式，现代控制技术与传统人工喷泉的完美结合，通过单片机程序令喷泉水姿呈现不一样的变化。
采用单片机控制技术，通过单片机控制电路以及初始化程序，完全可以实现喷泉与光的协同控制，形成美轮美奂的活水景观。
本课题的研究意义
如果把喷泉看做艺术，那么在现代社会的住宅小区和酒店大厅都应该有它的身影，营造优雅静美灵动的环境的同时增加空气湿度，不单有利于身体健康还能放松心情。
我相信，很多人都有一个同样的疑问：
喷泉的关键是什么，我认为是控制系统。
模仿大型喷泉的系统做个小型喷泉，像它一样控制核心采用单片机，可以控制水泵的电机达到调节水流的目的，彩灯同样可以用单片机控制。
控制系统的核心使用单片机，注意是考虑到它的物理应用特性。
比如体积小、集成度高、抗干扰能力强、工作环境要求不高、价钱便宜、可靠性高等都是使用优点。
在现代社会研究小型喷泉的控制系统不但可以带来经济效益还会收获相应的社会效益。
在运用成熟水平制作音乐喷泉的国际背景下，生产厂家为消费者提供了包括系统设计和设备安装等专业服务。
智能化、集成化、多元化已经成为了音乐喷泉发展的主流方向，同时这一发展方向也对喷泉控制系统的设计者也提出了全然不同的要求，这对工程师来说既是挑战又是机遇。
本课题研究的小型音乐喷泉控制系统就是以单片机为核心的，不但可以推广喷泉在国内的应用，凸显其在美化环境中的作用，还可以有力的推动喷泉控制技术的发展。
对我个人而言，研究本课题，可以加深我对单片机技术、数控技术和机电一体化系统的理解，方便知识应用。
复习C语言课程，自学protei99SE软件并使用该软件绘制电路原理图。
通过解决设计过程中遇到的各式各样的问题，获得更多的知识以提升自己的专业能力。
音乐喷泉在生活中的诸多作用
音乐喷泉作为人文景观中一项不可多得的建筑艺术，这条靓丽的风景线在中外历史上都享誉盛名。
音乐喷泉被誉为一项流动的艺术，音乐喷泉那美轮美奂艺术体验给人以无限的享受。
伴随经济发展的科学技术取得了巨大进步，与此同时，景观在生活中被越来越多的人关注与向往，在现代都市生活的园林景观设计中，水的灵动已然令其成为了不可缺少的组成部分，音乐喷泉便是其中最为重要的景观，因此无论是在公园景观布局、城市环境规划及水景制造还是在小区风景的设计中，音乐喷泉的应用必不可少，其设计与效果更是至关重要的。
为了使水灵动起来，音乐喷泉特别采用了现代循环系统的设计构想，这样做不仅避免了水池里的水变成死水或者臭水，在一定程度上节约了本就匮乏的水资源，达到提高水利用率的目的。
音乐喷泉花姿百态活灵活现，有很高的观赏价值。
音乐喷泉能够利用水和音乐做出及其壮美的声效景观，形随音动，能够表现出很多姿态，形成活泼而又绚烂的景观，是夜晚的主题。
特别注意，水是生命之源，增加空气湿度来改善生活环境的方法也是音乐喷泉最重要的作用。
本课题的基本内容
基本任务：
设计一个音乐喷泉，控制核心使用ST89C51单片机，对喷水高度的控制是要实现的目标，要达到这一目标，可以调节水泵的水流量，由基础知识可以知道只有调节水泵电动机的转速才能完成这一基础任务。
那么调节电机转速就成为我们关注的焦点了。
控制系统最核心的部分采用的是程序控制的办法，通过编写准确合适的程序并将其输入单片机内，外部信号由单片机获取并经程序处理最终输出预定的数据来控制三极管工作，通过改变加在电机两端的电压进而实现控制水泵转速的预期目标。
输入音频信号，通过A/D转换程序处理等将输出信号作用到三极管的基极最终控制电机，水流量的变换会呈现出水姿高低变化的情形。
各个彩灯分别与单片机的I/O引脚相连，内部程序可以达到每种音调的状态组合的效果。
这次设计方案最惊艳的地方在于是否有音频的输入来决定喷泉启停状态。
LED灯也会显示出一系列变换表示音乐的运行状态。
2总体设计方案
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
优点：
在同类的音乐喷泉中该控制系统的采样结果是完全有能力直接反映音乐信号强度的，采集音乐信号和该信号后续的处理都是由喷泉的控制器等配合工作来完成的，这个方法的采样周期是秒。
这次系统中补偿方法采用的是控制输出前馈补偿方式，而这里前馈控制的时间长度可以系统设置的“前馈”时间得到确定。
使用这种时间补偿方式的目的就是要消除音乐与喷泉动作的时间差，因为这种方式能够满足音乐喷泉前馈补偿控制的需求，实现喷泉动作随音乐的和谐律动。
缺点：
系统条件的限制较为苛刻，各硬件组件要求精密度高，对系统设计者能力的要求也颇为严格，实施起来比较困难。
方案二：
基于全数字集成电路音乐喷泉控制器
这个设计方案采用既能音控又能程控的两用控制器，而且音控、程控可用开关手动切换。
程控时，电位器能够起到的作用是调节速度；音控时，输入音乐的音量便能直接控制彩灯，控制思路是以音乐音量的大小来决定彩灯打开组数的多少，音量越大彩灯亮的组数越多。
整个控制系统电路的设计相对简单，应用普遍广泛，项目的可行性论证比较可靠。
但是，实现的效果有限，无法达到较高的要求。
方案三：
基于单片机的音乐喷泉控制系统
以单片机为核心的控制系统是小型音乐喷泉控制系统中用的最广泛而普遍的。
灵活的编程设计，丰富的I/O端口，精确的控制单片机的这些特点能够简单而又实用的将音乐与喷泉的动作密切而默契的配合起来。
而且这类控制器性价比理想，体积小，易于操控，简便可行。
经过比较发现，方案三以单片机为核心的控制系统与本次设计的要求较为符合，并且经济适用。
我认为选取方案三作为这次设计方案较为合理。
单片机的特点及应用
管控功能好、体积小、价钱低是单片机的主要特点。
因为单片机特有的良好的管制功用和非常灵敏的嵌入质量，在智能仪表、机电一体化产品、家用电器等多个范畴内在近些年来都获得了非常重要的地位。
单片机及其特点
把一台完整的微型计算机浓缩在一个微小的芯片内，就可以把这个芯片叫做单片机芯片。
而单片机内部的主要零部件包括：
、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O口。
简单说，单片机就相当于一个微型计算机，能够准确反映它的定义本质的说法应该是微控制器。
设计单片机的初衷就是想把许多大体积的外围设备和管理中心CPU全部放置在一个微小的芯片中，令计算机系统最小化，使其能够方便快捷的应用到复杂而又要求极高的控制部分去。
单片机最大的特点就是可以应用特定的程序完成特定的任务，在控制的极端条件下使用较多，这是其他控制器无法比拟的特殊性。
用户完全可以根据自己的控制需求编写自己的单片机程序，这不仅是智能与效率的体现而且非常可靠！
单片机的应用
单片机独有的特点决定了它必然会受到社会青睐的结果，不论是在工业、民用甚至事业部门都在发挥着无可替代的作用。
大概把它归属为以下不同的应用层面：
表2-1单片机的应用领域
智能
仪器仪表
凭借控制功能好的长处单片机在仪器仪表中广泛使用，与不同传感器配合可测量不同的物理量。
而且仪器仪表凭借单片机已经实现了数字化、智能化、微型化，而且功能也越来越强大。
例如，示波器就采用的单片机。
工业控制
单片机能够按不同的需要组成不同的控制系统和数据采集系统。
最常见的例子就是电梯的智能化控制。
家电
很负责任的说，在目前的家电市场上，电器的控制部分绝大部分都采用单片机控制。
生活中我们经常使用的洗衣机、空调机、都有单片机的身影，毫不夸张的说处处都有。
网络通信
单片机发展到今天，通信接口已经在其上普及，能够和计算机进行实时数据传输，它作为物质基础在算机网络和通信设备间起到了巨大的作用。
依照目前的发展状况看，通信设备大体上都做到了基于单片机的智能控制，从固定电话，手机到日常生活中经常见到的移动电话，无线电对讲机等。
医疗方面
在各种医疗设备中也普遍活跃着单片机单片机的身影，像医用呼吸机，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
除了以上工作层面，单片机在办公，营销，移动通信、计算机外部设备等范围内都在扮演着自己的角色。
总而言之，单片机已然成为了控制领域的一个重要方向，而且会越来越重要。
单片机的选择
对于许多专业人士来讲，单片机的的选型是一件极其重要却又很费心思的一件事情,如若能够获得合适的单片机型号,但就成本来讲，该系统就会节约很大一部分花销,而且工作可靠、稳定;如若没有获得合适的单片机型号,系统的运行一定会出现反常的现象，严重的话甚至根本达不到功能预期,在成本方面也会造成一部分浪费。
不论是芯片个数还是芯片包含的功能数量都要略大于设计需求，芯片有的功能尽量靠芯片执行不要采用外部设备替代。
购买芯片的时候要买大厂的不买小厂的，要买产品批量多的不买产品批量少的，尽量选用名牌不用不知名的牌子，在保证质量的前提下尽量选择价钱低的。
这是工程师选择单片机芯片时必须秉承的理念。
对单片机选型,必须考虑几个因素：
（1）技术性:
保证控制系统在一定范围的技术指标下能够可靠运行;
（2）实用性:
根据厂家以往供货的产品数据分析，选用质量好，耐用的产品，以保证单片机被应用到系统中之后能长期、可靠的运行；
（3）可开发性：
所选用的单片机必须要有类似程序编辑、仿真调试等可以开发的手段。
下面我们来比较89C51和89C52：
表2-2AT89C51和AT89C52单片机的比较
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
通过数据比较及功能需求的分析，本课题中，选用51系列单片机，即AT89C51单片机，完全能够满足设计预期功能的要求。
音乐喷泉控制系统整体设计
图2-1系统设计构架
系统框图
就像大家都知道的一样，所有声音的产生源都是震动，声音中音调高低主要取决于描述物体振动的频率，所以我们可以通过单片机来进行频率信号的控制输出，这样多种音调就能够控制产生了；不同音调所持续的时间也需要控制，这一任务可以利用单片机的计时系统来完成，简言之，就是实现节拍的控制与变换。
音调的流转和节拍的变换都有章可循，那就是乐谱，根据乐谱排列章法加以变换表现的就是乐曲的演奏功能。
水泵的电动机控制电路和彩灯控制电路要注意，令他们分别与单片机上相应的输出点连接，每种音调都有和它相对应的一组输出点的开关状态组合，这一控制就是通过单片机内的程序完成的，就是按照这个过程实现乐曲控制喷泉的动作的。
系统总体结构图如图2-1所示。
图2-2系统总体框图
用于喷泉控制的音乐只要能够输入到控制系统就可以了，用像VCD、DVD一样的外部设备或者通过计算机直接播放控制音乐的效果都是一样的。
喷泉的启动或停止状态是通过有没有音乐信号的输入控制的。
如果音乐播放时，先将音乐信号放大，再通过一系列变换，作用到电机上，通过改变水压力来使喷头喷出的水柱达到起伏的效果，与音乐配合，水随曲动，相互辉映。
音乐喷泉的单片机控制系统功能齐全，包含捕获音乐、启动喷泉、彩灯，喷泉和彩灯的状态通过程序控制输出的信号变换，所达到的效果包括停止喷泉、彩灯闪和一定时间内按乐谱曲调为准则的彩灯变换。
3音乐喷泉控制系统硬件设计
音乐信号的采集
按前文所述，此次课题的设计方案拟采用外部音源的音乐喷泉控制系统，要想利用音乐信号的特征控制此系统首先要面临的一个重大问题就是如何有效的采集音乐信号。
由我们学过的基础知识就可以知道，信号放大和A/D转换这两个相对独立又紧密衔接的过程可以解决采集音乐信号的问题。
音频放大电路的设计
音频放大对于这个系统必不可少，因为播放音乐的音源信号的幅度相对来说比较微弱，为了能够有效全面的利用音乐信号，只有放大原来的音乐信号才能避免系统对微弱信号的漏采，之后再将信号送入A/D转换器。
在这里选择LM386芯片作为设计音频放大电路的核心。
LM386芯片在电子应用中有着不可替代的作用，这都是由它的特点决定的，功耗低、工作电压范围较宽为4~12V、所需外围元件少，所以在相关领域的中应用及其普遍。
LM386芯片的内部结构功能包括输入级、电压增益和电流驱动级。
从图3-1可以看出，LM386采用双列8脚封装结构；物理特性也颇受青睐工作电压范围为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，谐波失真只有%。
图3-1LM386封装形式及引脚定义
图3-2是本次设计采用的音频放大电路，可以看出该电路的具体细节。
在LM386芯片的1脚和8脚之间串接一个10微法的电容，如此便能使放大电路的增益能达到最大值，200倍数（46dB）。
前面是放大电路的核心部分，此外图中还包括对音频放大电路的外围电路进行设计的内容，电路中电容C1、C6的作用同为隔直流，电位器P1可以帮你达到想对音量的大小有绝对控制的权利，降低旁边电路高频噪音，提升输出音质的水平是元件R2、C5所要做的事情。
去耦电容C3既能蓄能还能把旁路产生的高频噪声最小化。
图3-2音乐信号采集放大
采样定理
模拟信号经过A/D变换转换为数字信号的过程被称为采样。
奈奎斯特发现了模拟信号与数字信号之间联系的桥梁，我们称之为采样定理。
它作为连续信号离散化的基本依据反映的是采样频率与信号频谱之间的关系。
通常情况下，连续信号又被称为模拟量信号，离散信号与数字量信号是相同的。
采样定理的具体内容描述为“当对一个模拟（连续）信号进行离散化时，必须满足采样频率fs大于或等于被采样信号的最高频率fm的2倍，只要这样才能通过理想的低通滤波器，从变换后的样本值序列信号中准确地恢复出原始模拟信号”，此处fm为香农频率。
如图3-2所示，在本次设计中，被放大的音乐信号通过A/D转换变为数字信号，并以其形式被输送到计算机，这便完成了音乐信号的采样。
单片机电路
采集的数字量音乐信号最终要输入到单片机，并根据输入的信号经过一系列变换来调节I/O口的输出电平，进而控制水泵和彩灯。
前面已经提到，本次设计单片机主芯片选用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4K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有128字节的RAM，32个I/O口，还包括定时器，计数器，振荡电路等，完全可以满足我们的设计要求。
最重要的是其使用简便价格低廉。
图3-3AT89C51芯片
时钟电路的设计
AT89C51芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
XTAL1是反相放大器的输入端，XTAL2为输出端。
输入端与输出端跨接晶振及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，如图3-4所示。
其中，电容C2也有着不可取代的作用，它作为旁路电容，可以把该信号的中高频噪声连接到地，减弱系统噪声。
而晶振所起的作用就是为控制系统提供最基本却又很重要的时钟信号，所以在单片机系统中晶振已经成为不可或缺的一部分。
晶振与单片机内部的电路连接并配合，可以产生单片机运行时所必须的时钟频率，可以这样形容，如果晶振能够提供足够高的时钟频率，那么单片机的运行速度也随之足够快。
晶振可以提供稳定、精确的单频振荡，是因为一种特殊的晶体（能把电能和机械能相互转化）在共振的状态下工作的原因。
图3-4自激振荡器
A/D转换电路
经过放大电路的音频信号是音乐喷泉是否有动作的决策者，对喷泉控制系统有着绝对的控制权，单片机要根据音乐信号对喷泉进行控制，所以，音乐信号应该被输入到单片机来使用。
但是，单片机无法对模拟量信号进行识别并使用，为了完成这一任务，特地在此加入了A/D转换电路，它的作用就是将放大的模拟量信号转换为数字量信号输入到单片机，以供控制喷泉动作与灯光闪烁。
本次设计中，AD转换电路的主芯片采纳ADC0832。
ADC0832芯片主要有这些特征：
8位分辨率、双通道A/D转换芯片，兼容性好，体积小，性价比高，有能力满足一般的模拟量转换要求。
所以，在业内ADC0832吸引了无数人的眼球，被广泛采用。
连接图如图3-5。
该芯片转换时间是32
s，与其他同类产品相比较快，数据误差小，转换速度快，稳定性强等都是其长相。
此外，独立的芯片使能输入也使它的应用变得快捷、方便、有效。
ADC0832芯片的接口说明如表3-1所示。
表3-1ADC0832各引脚说明表
接口
说明
CS
使能，低电平芯片使能
CH0
模拟输入通道0，或作为IN+/-使用
CH1
模拟输入通道1，或作为IN+/-使用
GND
芯片参考0电位（地）
DI
数据信号输入，选择通道控制
DO
数据信号输出，转换
CLK
芯片时钟输入
Vcc/REF
电源输入及参考电压输入（复用）
ADC0832与单片机89C51的连接
音乐信号是音乐喷泉的控制量。
单片机是喷泉控制系统的核心，但是必须以音乐信号作为根据，才能发出动作指令，并且不能识别模拟量信号。
而A/D转换电路可以把模拟量信号转换为单片机可识别的数字量信号。
所以，把这两部分结合起来就可以构成控制系统的输入部分，具体接口电路如图3-5所示。
ADC0832的时钟信号用单片机AT89C51的控制输入。
用控制A/D转换的启动，用控制A/D转换器转换结束后数字量的读取与选择通道。
输入电路
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的装置。
简而言之，这里仅用音频接收装置将收到的音频信号送入音频放大电路即可（如图3-2），而后音频放大信号经AD转换将信号输入单片机就可以了。
因为有了这一系列传输与变换，音乐已经不单纯的拥有背景音乐这一个身份了，它也可以用来控
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