音乐喷泉控制器的设计.docx

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音乐喷泉控制器的设计

学号：

常州大学

毕业设计（论文）

（2012届）

题目音乐喷泉控制器的设计

学生

学院专业班级

校内指导教师专业技术职务

校外指导老师专业技术职务

二○一二年六月

音乐喷泉控制器的设计

摘要：

音乐喷泉的核心部分是控制器。

音乐喷泉之所以能展现出各种不同的效果，是因为音乐喷泉控制器能控制喷头和灯光，显现多变的曲线和色彩。

不同的喷泉所需的水泵和彩灯组数也不尽相同，所以喷泉控制器可以采用简单、通用、组数能灵活扩充的控制器。

为了达到这一目的，本喷泉控制器由模拟电路及数字集成电路相结合，这种设计就可以灵活的改变水泵和彩灯组数。

本设计的核心控制器是AT89S52单片机，主要包括音乐产生模块、运放模块、A/D转换模块、滤波放大模块、单片机控制模块、继电器模块以及彩灯模块。

其系统原理是音乐信号分两路输出，一路信号经过运放电路之后为喇叭提供信号，另一路信号经过A/D转换之后提供给单片机，最后由单片机根据该信号控制电机、彩灯以及继电器。

整个设计采用模块化设计易于该设计的推广使用。

关键词：

音乐喷泉；控制器；电机；继电器

Designofmusicalfountaincontroller

Abstract:

Themusicalfountaincontrolleristhecentreofthemusicalfountain.Thecontrollerdominatessprinklersandlightingoffountainsothatitmanifestsvariousspectacularswithdifferentcurvesandcolors.Sincewaterpumpsandthenumberofcolorlampvaryduetodifferenttypesoffountains,soweneedtodesignacontrollerwithsimple,general,andflexibleexpandingcharacter.Thiseruptivefountaincontrolleristhecombinationofanalogcircuitsandthedigitalcircuitdesign,whichcanchangetheoperationofwaterpumpandthecoloredlanterngroupnumbernimbly.

Inmyresearch,thecontrolcoreoffountainisAT89S52MCU,includingthemusicmodule,theopampmodule,A/Dconvertermodule,filteramplifiermodule,microprocessorcontrolmodule,relaymoduleandthelanternmodule.Theprincipleofthesystemisthatthemusicsignalisoutputtedthroughtworoutes,namely,throughtheopampcircuit,theloudspeakercanreceiveapartofthesignal,andthroughA/Dconverter,thesinglechipcanreceivetheotherpartofthesignal.Thenthesinglechipcancontrolmotors,lightsandrelays,accordingtothesignal.Thiscontrollercanbeeasilypromotedforitsmodularizeddesign.

KeyWords:

Musicfountain;Controller;Electricalappliances;Relay

摘要Ⅰ

目次Ⅲ

1绪论

1.1课题背景以及意义

随着生活水平提高，人们对于美化生活环境的要求也是越来越高。

在公园、广场以及其他一些公共场合的音乐喷泉也越来越多。

人工的喷泉在城市广场、公共建筑、园林也是很常见的。

它不仅是一种观赏性较高的艺术水景，而且也能够增加周围空气的湿度，减少空气中的尘埃，降低空气的温度。

从喷头喷出来的水柱及空气中的水分子撞击后能产生大量的氧负离子，从而对改善环境起着重要的作用。

音乐喷泉作为人文景观和自然景观相结合的产物，已经深受广大人名群众的喜爱。

所以有关音乐喷泉的研究也就丰富了起来。

目前，我国大型音乐喷泉技术已经趋于成熟，但是对于小型音乐喷泉的研究较少。

控制系统作为整个音乐喷泉的核心部分，其余部分和普通类型的喷泉基本一致。

音乐喷泉的控制系统可采用可编程控制器PLC作为核心，也可以采用单片机作为总的控制核心。

对于小型音乐喷泉最适合的控制核心还是单片机。

其适合于一般城市、小型广场和普通的居民区的小型音乐喷泉，由于其要求控制简单，使用单片机完全可以满足要求，而且成本较低更适合普及，是未来的音乐喷泉发展的必然趋势。

本课题主要研究的是用单片机作为音乐喷泉控制系统的核心，设计出一种控制简单，成本较低而且便于推广的小型音乐喷泉控制系统。

本系统以单片机（AT89S52）作为核心处理器，通过MP3模块输出的音乐节奏的不同控制电机的不同转速跟灯光的闪烁，从而实现音乐及喷泉的同步，增加了音乐喷泉的欣赏价值。

1.2国内外研究现状

国外，目前世界上最大的喷泉是由美国Bellagio喷泉制造商WET公司设计而成的，它就是迪拜音乐喷泉。

其投资总额达2.18亿美元，总长度为275米，最高喷射高度为150米，其最大喷水量为2.2万加仑，比原世界第一的美国Bellagio喷泉大了25%。

同时，该喷泉有6600个灯和50个彩色的投影机。

喷泉随着音乐起伏有上千种变化，或婉约或豪放，令人叹为观止，目不暇接。

有报道称，在20英里内都能看到迪拜喷泉的灯光。

国内，西安大雁塔位于北广场中轴线上的音乐喷泉，南北横向长达350米，东西纵向宽为52米，最宽处有N米，呈T字型，它由八级跌水池、百米瀑布水池及前端音乐水池三个区域组成，这三个部分既可以单独分区表演也可以整体表演。

音乐喷泉流光溢彩，远远望去，如烟似雾。

八级喷泉方阵的喷头有1024个，每个喷头是由一台水泵和变频器独立控制，喷泉共计有水泵1360台，变频器1124台，彩灯3300余盏，喷头2000多只。

整个喷泉共有22种国内最新推出的科技含量较高的新颖独立水型。

大型激光水幕有20米高，从水中喷出喷火泉有4台，在6米高空充分燃烧低温爆开，这些设计增加了整个喷泉的夺人气魄，取得了独特观赏效果。

水下池面地灯、LED光带及岸上电脑灯多光源照明使喷泉融声、光、水、色于一体。

由此可见国内外的音乐喷泉设计均已达到了一个相当高的水平。

现今的音乐喷泉应不断取得国内外传统的喷泉技术上新的突破，将喷泉的娱乐观赏性及创新的时代文化、前瞻的艺术创想、浓郁的地方特色有机的结合起来，别具一格，独领风骚，使音乐喷泉可以随音乐的曲调的变动而控制水型的变换从而展现音乐喷泉的美感。

1.3课题研究的内容及意义

本课题主要研究的内容如下：

音乐信号由MP3模块产生提供，经过滤波放大模块对音乐信号处理之后，再传输给A/D转换模块，最后由单片机进行总控制。

执行部分分为3个部分，第一部分是音乐信号经过运放之后通过喇叭播放，第二部分是通过单片机传输信号给彩灯控制模块执行，最后一部分就是通过单片机输出的PWM波控制电机驱动再控制直流电机。

整个设计本着简单，快速，精准的方式实现了音乐喷泉的系统控制。

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。

2总体方案的设计

2.1方案比较

方案一：

采用89S52单片机为主控制芯片的设计方案。

本方案的的设计思路是首先对于MP3产生的音乐信号分2路，一路经过滤波放大、A/D转换等一系列操作之后，输入给AT89S52单片机进行控制，最后通过控制电机对喷泉流量的控制以及彩灯的控制，来达到音乐喷泉的效果。

另一路通过一个运放电路之后给喇叭，提供给广场音乐。

两路信号的同时进行使得声、光、水得到了和谐的控制。

本方案是通过对音乐信号的电压进行采集，可以实现音乐，灯光跟喷泉的同步控制，使设计出的音乐喷泉给人以和谐跟美的感受。

本方案的设计图如图2.1.1所示。

图2.1.1：

系统总体硬件框图

方案2：

基于全数字集成电路音乐喷泉控制器的设计方案。

音乐经过峰值检波后，得到和音量大小相关的控制电压，将此控制电压，经过简单的A/D转换变成数字信号后，去控制存储器芯片的地址，该存储器地址对应的数据信号就会输出，输出信号经隔离驱动后就去推动彩灯工作。

本方案的设计流程框图如下：

图2.1.2：

全数字集成电路音乐喷泉设计

方案三:

基于音乐信号分频段的音乐喷泉控制器的设计方案

本方案先对音乐信号进行分频段，之后再分别进行A/U转换、A/D转换之后将信息传输给单片机，单片机将处理过的信号传输给8255A电机驱动进行驱动步进电机和彩灯控制模块。

此方案对于分频段的控制相对比较难实施，精度要求比较高，而且成本较高。

图2.1.3:

基于信号分频段的设计方案

经过三个方案的对比，我选择方案一作为本设计的最终方案。

三个方案中方案二的设计只是单独采集音乐信号音量大小的峰值，并没有对音乐信号进行放大处理，并不能很好的实现音乐喷泉的控制，方案三的设计分频段比较复杂，对于频率划分的比较精确，实际操作的时候难度较大，而且方案三选用的步进电机，相对而言的驱动电路复杂，不利于整个设计的推广。

方案一的设计不仅能很好的控制音乐喷泉的各个部分的执行，及信息的采集，同时成本较低，便于推广。

2.2系统简介

控制系统总体包括8个部分：

1）音乐MP3模块；

2）音乐信号的滤波放大模块

3）A/D转换电路；

4）运放模块；

5）单片机控制模块；

6）电机驱动模块；

7）继电器模块

8）彩灯控制模块；

本控制器的设计是由主芯片AT89S52通过对音乐信号的采集处理，然后输出给相应的外部设备。

由图2.1.1的总体系统框图我们可以看见，本设计是由音乐MP3模块、音乐信号的滤波放大模块、A/D转换电路、运放模块、单片机控制模块、电机驱动模块、继电器模块跟彩灯控制模块等8个模块组成，每个模块都有着其不可缺少的作用。

首先，MP3模块产生音乐信号，音乐信号分为两路，一路经滤波放大之后再A/D转换输入到单片机；另一路先经过运放模块之后输出给广场信号（喇叭）。

当MP3模块工作输出音乐信号时，单片机芯片跟广场喇叭同时收到音乐信号，单片机通过处理音乐信号传输控制信号给电机驱动，通过电机驱动来控制电机喷头以及彩灯。

使得整个控制系统具有捕获音乐，控制喷泉、灯光，等输出控制的功能，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的效果。

本音乐喷泉控制器实现了喷泉跟着音乐的跌宕起伏从而喷出不同高度的水柱，彩灯跟着音乐节奏的变化呈现出起伏的亮灯效果。

很好的展示了音乐喷泉控制系统应该具备的声，光，水的同步控制。

3芯片的选择及功能介绍

3.1AT89S52单片机

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器。

该芯片使用的是Atmel公司的非易失性高密度存储器技术来制造的，可以及现在市场上的51产品指令和引脚完全兼容。

该芯片上允许程序存储器在系统可编程，同样也适于常规编程器。

及此同时，该芯片还拥有8位的CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52芯片成为了市场上比较主流的一款单片机芯片。

该单片机的主要性能如下：

*可以及同类51单片机产品相兼容

*可编程Flash存储器的大小为8K字节

*具有1000次的擦写周期

*静态操作的范围是0Hz到33Hz之间

*程序存储器的加密方式为三级

*可编程I/O口接线共有32个

*具有三个16位计数器/定时器

*中断源有8个

*全双工UART串行通道

*两种工作掉电模式为掉电模式和低功耗空闲

*中断可在掉电后唤醒

*具有看门狗定时器

*具有双数据指针

*具有掉电标识符

（2）89S52的引脚功能

VCC（40引脚）:

电源电压

GND（20引脚）:

接地

P0口（P0.0～P0.7，32～39引脚）：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位都能驱动TTL逻辑电平。

使P0=1时，引脚则作为高阻抗输入。

当访问的是数据存储器或者外部程序时，P0口也可以被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动TTL逻辑电平的数量是4个。

使P1=1时，内部的上拉电阻把端口拉高，此时该口可以当做输入口。

当P1口被用作输入口时，由于内部电路具有电阻的原因被外部拉低的引脚将输出电流。

此外，P1.0和P1.2还可以分别作为定时器/计数器2的外部计数输入和时器/计数器2的触发输入，具体如表1所示。

在flash的编程时，P1口接收低8位地址字节。

表3.1.1：

P1口引脚复用功能

引脚端口

功能描述

P1.0口

时钟输出、定时器、计数器2的外部记数输入

P1.1口

定时器、计数器2的捕捉、重载出发的信号、方向控制

P1.5口

系统编程是会被用到

P1.6口

系统编程时会被用到

P1.7口

系统编程时会被用到

P2口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：

P2口是拥有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动逻辑电平数量是4个。

使P2=1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时P2口还可以作为输入口。

当P2口作为输入口时，由于内部电路电阻的原因，被外部拉低的引脚将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（如MOVX@DPTR）时，P2口送出数据是高八位地址。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的数据。

在flash编程和校验时，P2口也可以接收高8位地址数据和一些控制信号。

P3口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动逻辑电平的数量为4个。

使P3=1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时P3口可以被当做输入口。

当P3口被当做输入口时，由于内部电路的电阻被外部拉低的引脚将输出电流。

P3口也作为AT89S52特殊功能口（第二功能）使用，如下表所示。

在对Flash编程或程序校验时，P3还接收一些控制数据信号。

表3.1.2：

P3口引脚复用功能

引脚端口

第二功能描述

P3.0端口

串行输入口（RXD）

P3.1端口

串行输出口（TXD）

P3.2端口

外部中断0

P3.3端口

外部中断1

P3.4端口

定时器0的外部输入

P3.5端口

定时器1的外部输入

P3.6端口

WR

P3.7端口

RD

RST（9引脚）：

作为复位输入口。

当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效时，就可以实现单片机的复位操作。

看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE（30引脚）：

该引脚是地址锁存控制信号端，在访问外部程序存储器时，该端口用于锁存单片机低8位地址数据。

在一般情况下，ALE的固定频率输出脉冲是其晶振1/6，可被外部定时器或时钟使用。

然而，在每次访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

（29引脚）：

是外部程序存储器选通信号。

当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，将不被激活。

（31引脚）：

当该引脚为高电平状态时，可以访问程序的内部存储器。

当该端口为低电平状态时，不能访问内部存储器，但可以访问外部存储器。

XTAL1（19引脚）：

是振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2（18引脚）：

是振荡器反相放大器的输入端口。

MCS－51共有7种寻址方式，现介绍如下：

（1）立即寻址：

操作数就写在指令中，和操作码一起放在程序存贮器中。

把“#”号放在立即数前面，以表示该寻址方式为立即寻址，如MOVA,#20H。

（2）寄存器寻址：

操作数放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名来表示操作数地址。

如MOVA，R0就属于寄存器寻址，即R0寄存器的内容送到累加器A中。

（3）直接寻址：

操作数放在单片机的内部RAM某单元中，在指令中直接写出该单元的地址。

如前例的ADDA，70H中的70H。

（4）寄存器间接寻址：

操作数放在RAM某个单元中，该单元的地址又放在寄存器R0或R1中。

如果RAM的地址大于256，则该地址存放在16位寄存器DPTR（数据指针）中，此时在寄存器名前加@符号来表示这种间接寻址。

如MOVA，@R0。

（5）变址寻址：

指定的变址寄存器的内容及指令中给出的偏移量相加，所得的结果作为操作数的地址。

如MOVCA，@A+DPTR

（6）相对寻址：

由程序计数器中的基地址及指令中提供的偏移量相加，得到的为操作数的地址。

如SJMPrel。

（7）位寻址：

操作数是二进制中的某一位，其位地址出现在指令中。

如SETBbit

MCS51的指令系统按功能分有：

数据传送类、转移指令、算术运算类、逻辑运算类、和十进制指令及一些伪指令共111个。

选用此单片机作为本设计的核心单片机主要有下面几个方面的原因：

首先，该单片机是我们在学习单片机的时候主要学习的单片机；其次，该单片机是8位的单片机，在功能上完全能满足本设计的要求；最后就是该单片机的价格比较便宜。

3.2音频信号放大器

通常MP3产生的音乐信号强度不是很高，所以在对音乐信号进行A/D转换之前需要进行一个信号放大的处理。

通过及市场上音频放大芯片的对比，最总本设计采用的音频功率放大器芯片是LM386N-1。

LM386N-1是美国一家半导体公司生产的音频放大器，主要应用于低电压供电而且外围元器件使用较少的电路。

该音频放大器的电压的增益内置为20，但在1脚跟8脚增加一只外接电阻跟电容，使其可将电压增益为任意值，直至200。

它的输入端以地为参考，同时输出端波自动编置到电源电压的一半，在6V的电源电压下，它的静态功耗仅为24W，使得LM386N-1特别适用于电池供电的场合。

主要特性：

*静态功耗较低，约为4mA,可用于电池供电的场合。

*工作电压范围宽是4-12V或者5-18V。

*外围元器件少。

*电压增益可调的范围是20到200之间。

*失真度比较低。

该芯片的内部原理图如图3.2.1所示：

图3.2.1：

LM386N-1内部电路图图3.2.2：

引脚功能图

3.3A/D转换芯片

由于音乐信号是交流模拟量，所以不能直接送入单片机进行处理。

考虑到音乐信号比较弱，首先要对其进行音频放大处理，其次再对该音乐信号采用滤波、整流处理；最后由A/D转换电路将其转换成数字信号才传输给单片机控制。

对于A/D转换的芯片我选择的是ADC0804。

ADC0804是属于连续渐进（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器。

它除了有着转换速度快、分辨率高外，还有着价格便宜的优点。

其主要的电气特性如下：

*工作电压为+5V，即VCC=+5V。

*模拟输入电压范围：

0-5V，即0≤Vin≤5V

*分辨率是8位，即分辨率为1/256，转换值介于0-255之间。

*当f=640KHz时，A/D转换时间为100us。

*转换误差为±1LSB。

*参考电压为2.5V。

ADC0804的管脚图如图3.3.1所示：

图3.3.1：

ADC0804的芯片管脚

该芯片的各个引脚功能如下：

*CS：

用于芯片选择信号（CS=0时，允许A/D转换）

*RD：

外部读取转换结果的控制输出信号。

RD为高电平状态时，DB0~DB7为高阻抗；RD为低电平状态时，转换好的数字数据才会输出。

*WR：

用来启动转换的控制输入，相当于ADC转换的开始（CS=0时），当WR由高电平转变为低电平状态时，转换器中的数据被清除；当WR由低电平转换为高电平状态时，A/D转换正式开始。

*CLKIN,CLKR：

分别对应时钟输入和接震荡无件（R,C），频率范围约100KHZ~1460KHZ之间，如果使用RC震荡电路则其震荡频率为1

*INTR：

是中断请求信号输出端，低电平动作。

*VIN（+）,VIN（-）:

差动模拟电压输入。

输入单端正电压时，VIN（-）接地；而差动输入时，直接加入VIN（+）和VIN（-）。

*AGND,DGND：

模拟信号以及数字信号的接地。

*VREF:

辅助参考电压。

*DB0~DB7：

8位的数字输出。

*VCC：

电源供应以及作为电路的参考电压。

3.4电机驱动L298N

L298N是ST公司生产的一种高压的，大电流的电机驱动。

该芯片采用的是15个引脚的封装。

它的主要特点如下：

*工作电压较高，最高的工作电压可达到46V；

*输出电流也较大,瞬间峰值电流可达到3A,持续工作电流为2A；

*芯片内部含有两个H桥的全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机或者步进电动机、继电器线圈等感性负载；

*该芯片的信号控制采用的是标准逻辑电平；

*同时该芯片具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止元器件的工作；

*有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；

*可以外接检测电阻，其作用是将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，既可以驱动接步进电机，也可以驱动直流电机，但本设计驱动的是直流电机，其使用操作比较方便。

其引脚如图3.4.1所示：

图3.4.1：

L298N引脚图

由上图可以看出引脚8管脚说明为GND（接地），且它及L298N芯片的散热片紧密靠在一起。

由于该芯片的工作电流比较大，所以芯片产生的热量也比较多，所以在该芯片的散热片上连接一块铝合金片，以增强它的散热效果。

该芯片的一些主要参数如下：

（1）逻辑部分输入电压为6～7V

（2）驱动部分输入电压为4.8～46V

（3）逻辑部分工作电流小于等于36mA

（4）驱动部分工作电流小于等于2A

（5）最大耗散功率为25W

（6）控制信号输入电平的范围：

高电平为2.3V≤Vin≤Vss，低电平为-0.3V~1.5V

（7）