基于单片机的小型音乐喷泉设计.docx
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基于单片机的小型音乐喷泉设计
目录
摘要3
ABSTRACT4
一、引言5
二、音乐喷泉系统硬件设计6
2.1、喷泉系统方案设计6
2.2、音乐喷泉系统工作过程6
2.3.0单片机电路7
2.3.1、AT89C51单片机的主要特性7
2.3.2AT89C51管脚说明8
2.3.3、时钟电路8
2.3.4、复位电路和单片机最小系统9
2.4.0AD转换10
2.4.1ADC0832主要特点11
2.4.2ADC0832引脚说明11
2.4.3ADC0832时序图11
2.5.0单片机AT89C51与ADC0832的连接12
2.6.0灯光电路13
2.7.0电机驱动电路13
2.8.0电源电路14
2.9.0PWM脉宽调制15
三、音乐喷泉的软件设计15
3.1系统整体流程图15
3.2音频信号处理软件设计16
3.3编译软件的选择17
3.4PWM脉宽调制原理18
四、结论20
参考文献22
附录23
附录一总的原理图23
附录二元件清单24
附录三总程序25
摘要
随着生活水平的提高以及对环境要求的提升，音乐喷泉以其较高的观赏性，给予了我们视觉的盛宴。
音乐喷泉以其独特的魅力，自然而然成为人们生活当中非常重要的一环。
闲暇之余，音乐喷泉在如今节奏飞快的社会生活当中，给予了我们另类的放松。
音乐喷泉是以AT89C51单片机为核心的小型音乐喷泉控制系统，这是一种控制相对简单，成本低但是容易推广的控制系统。
其系统原理以一个简洁的单片机控制电路，通过对输出输入的控制，根据音乐的强弱对电机、水泵进行控制，来达到控制水柱的高低。
通过输出地址，展现了不同类型的输出输入电路。
通过A/D转换电路对音频信号进行采样和处理，使音频信号影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。
关键词：
单片机音乐喷泉单片机控制
ABSTRACT
Withtheimprovementoflivingstandardsandenvironmentalrequirementsincrease,themusicalfountainwithitshighornamental,gaveusavisualfeast.Musicalfountainwithitsuniquecharm,whichpeoplenaturallybecomeaveryimportantpartoflife.Sparetime,musicalfountaininwhichtoday'sfast-pacedsociallife,gaveusanalternativerelaxation.
MusicalFountainisAT89C51coreofsmallmusicalfountaincontrolsystem,whichisarelativelysimplecontrols,butiseasytopromotelow-costcontrolsystem.TheirsystemstoasimpleprincipleMCUcontrolcircuit,acontrolinputthroughoutput,accordingtothestrengthofthemusiconthemotor,pumpcontrol,toachievecontrolofwaterlevel.Theoutputaddress,toshowthedifferenttypesofinputandoutputcircuits./DconversioncircuitforprocessinganaudiosignalbysamplingandA,theaudiosignalinthelightingandlightingoflightcolorshadevariations.
KEYWORDS:
MCUmusicalfountainMCUcontrol
一、引言
1930年，喷泉相关理论在德国出现。
随着这么多年的发展，至今，音乐喷泉设计的多种多样，它的结构变得更加复杂化。
1953年音乐喷泉的首秀，它将音乐喷泉带向了全世界，向世人诠释了美的盛宴。
现今，我国大型音乐喷泉技术趋于成熟，而小型音乐方面却有所不足。
音乐喷泉控制系统可以采用plc也可以采用工控机作为控制系统。
而单片机则是最适合于小型音乐喷泉的，其相对比较简单，成本相对比较低。
刚开始的时候，音乐喷泉控制主要依靠音素来控制喷水的各种变化，其主要是将声信号转变为电信号，再通过放大及其他处理来完成。
如今，拥有者各式各样的系统去实现音乐喷泉。
音控产品当中，可以利用音乐时域，频段等去控制音乐喷泉，但是这样并不能很好的将音乐体现出来。
而利用89C51单片机通过A/D转换，进行音频信息采集，然后用电机去驱动水泵，各式喷头去实现音乐的频谱。
为了让控制相对简单而又可靠，能够适应并且满足如今社会的需求，各式各样的喷泉也是层出不穷，并且慢慢地向小型以及营业性相对比较强的方向发展，音乐喷泉的控制也变得更加灵活。
好比如，单片机、PLC、DSP等等都运用于音乐喷泉当中，本次设计选用单片机作为音频喷泉系统的控制核心。
二、音乐喷泉系统硬件设计
2.1、喷泉系统方案设计
喷泉系统的硬件方面主要由5个大模块构成，其中包括单片机、A/D转换模块、LED彩灯电路、电机驱动以及水泵电机。
音乐喷泉系统硬件组成如图所示：
图2-1、系统总体结构图
2.2、音乐喷泉系统工作过程
话筒采集声音信号，然后将声音信号转换成电压信号，通过声音放大电路放大电压限号，然后再将信号转到ADC0832，经过AD转换预处理，然后输入到51单片机当中，51单片机经过数据处理，分别将处理的结果传到彩灯电路以及电机驱动新芯片当中，通过PWM调节电机转速和彩灯亮度。
2.3.0单片机电路
音乐信号的接受处理由单片机完成，进而去调节I/0的输出来进行水泵和彩灯的控制。
单片机芯片选取AT89C51，它是没有ATMEL生产低压高性能的51内核的CMOS8位单片机，具有低压、高性能的特点，里面有4K可反复擦写的1000次Flash只读存储器，128字节内部RAM，16位定时/计数器有两个，I/O口线则有32个。
完全能够满足设计的要求，并且价格低廉用起来也很方便简单。
2-3图89C51单片机
2.3.1、AT89C51单片机的主要特性
与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.3.2AT89C51管脚说明
VCC：
供电电压
GND：
接地
PO口：
是一个8位漏级开路双向I/O口，它的每脚可以吸收8TTL门电流
P1口：
内部提供上拉电阻的8微双向I/O口，其缓冲器可以接受输出4TTL门电流
P2口：
内部上拉电阻8位双向I/O口，其缓冲器可以接受输出4个TTL门电流
P3口：
8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可以接收4个TTL门电流，同时它也能够做完AT89C51的特殊功能口
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
2.3.3、时钟电路
时钟电路一般是由电容，晶振控制芯片以及晶体振荡器所组成，它的应用非常广泛。
AT89C51单片机当中，它的时钟电路时由晶体震荡器以及AT89C51内部门电路组成才能才生震荡。
单独的晶体震荡如果没有门电路不能产生震荡，时钟电路一般都由震荡电路构成，才有震荡信号输出。
2-3-2图自激振荡器
2.3.4、复位电路和单片机最小系统
复位电路在电路的设计当中具有非常重要的作用，直接影响到整个电路系统的可靠性。
复位操作一般有上电自动复位和开关复位这两种，上电和复位中，掌控CPU的复位状态，在此时间中CPU始终处于复位。
让它能防止CPU发出不正确的指令，执行不正确的操作，提升电磁兼容能力。
其相当于电脑死机时候，我们所需要按的重启。
而单片机的最小系统则是指能够用最少的元件组成单片机可以工作的系统。
最小系统相对来说比较简单，但是它是控制系统当中非常重要的。
对于51系列的单片机来说，一般最小系统包括：
晶振电路和复位电路。
标识符号地址寄存器名称
P30B0HI/O口3寄存器
PCON87H电源控制及波特率选择寄存器
SCON98H串行口控制寄存器
SBUF99H串行数据缓冲寄存器
TCON88H定时控制寄存器
TMOD89H定时器方式选择寄存器
TL08AH定时器0低8位
TH08CH定时器0高8位
TL18BH定时器1低8位
TH18DH定时器1高8位
图2-3-3单片机最小系统的框图
2-3-3图51单片机最小系统电路
2.4.0AD转换
单片机无法直接将输入的电压进行处理，单片机所处理的为数字量，输入电压为模拟量。
这里便要数模转换，采用的芯片为ADC0832。
ACD0832为NS公司生产的串行接口A/D转换器，可以满足一般模拟量转换的要求，其芯片的数据校验是双数据输出，可以减少数据的误差，其稳定能力好，转换速度快，其独立的芯片，使得多器件的连接和处理更为便利。
2.4.1ADC0832主要特点
（1）、逐渐逼近性，8位分辨率。
（2）、5V电源供电时，基准电压为5V，输入模拟电压范围0-5V。
（3）、输入和输出电平与TTL和CMOS兼容。
（4）、具有两个可以选择的模拟输入通道。
（5）、体积小、兼容性、性价比高。
（6）、功耗低，一般功耗仅为15mW。
（7）、工作频率为250KHZ，转换时间为32μS。
2.4.2ADC0832引脚说明
（1）、/CS片选使能，低电平有效
（2）、CHO模拟通道0，差分输入时，当IN+或IN-用
（3）、CH1输入通道1，差分输入时，当IN+或IN-用
（4）、GND接地
（5）、DI数据信号输出，选择通道控制
（6）、DO数据信号输出，转换数据输出
（7）、Vcc电源输入
图2-4-2DIP封装的ADC0832引脚排列图
2.4.3ADC0832时序图
图2-4-3ADC0832时序图
2.5.0单片机AT89C51与ADC0832的连接
单片机串行口方式0与ADC0832接口，如下图所示：
图2.5.0单片机与ADC0832
AT89C51当中，P1.7为片选信号端，TXD为信号输出端,RXD则为启动信号。
ADC0832输出串行数据15位，是由两段8位数据组成，一段为最高位在前，一段则是最高位在后，他们的最低位则是共用的。
在时钟下降沿是，ADC0832串行数据才移动一位，时钟信号由单片机控制发送，然后TXD发出，来进行对ADC0382输出数据的控制。
而，一系列完整的8位数据，则是由单片机两次采用不同位位数据，然后合成为一列完整的数据。
在本次的设计当中，AT89C51与ADC0832的接法如下：
2.6.0灯光电路
设计当中，电路一共使用的了8个LED灯，当音乐信号从外界输入，音乐信号转换成电压信号，然后通过声音放大电路放大电压信号，将信号传送到ADC0832，模拟电压信号转换成数字信号，单片机内部进行处理，然后PWM调节电机转速和LED灯。
图2-6-0灯光电路
2.7.0电机驱动电路
本次设计当中，电机驱动电路用到的主要元件为TIP42C三极管，IN4007二极管，12V电机等。
考虑到如果采用步进电机调速电路，电路的复杂性必然增加而它的控制精度也较低，虽然其价格偏低。
TIP42C为PNP中功率三极管，广泛应用于信号放大和音频功放用晶体管。
其电流增益带宽积最小3MHZ，其放大倍数为30-75。
IN4007属于StandardRecovery型二极管，最大输入反向峰值电压为1000V，而起最大输入反向平均电压则为700V，总功率为2.5W
电机驱动电路如下图所示
图2-7-0电机驱动电路
2.8.0电源电路
在音乐喷泉的设计当中，电源电路占据了一个非常重要的位置，而在这个稳压电路当中，这次的设计主要的是运用7805三端稳压集成。
这种稳压所用的集成电路，只有输入端，接地端和输出端三个引脚输入。
78系列的稳压集成块最高输入电压为36V，要考虑到输入与输入压差所带来的功率损耗，其电压一般在9-15V之间，而本次设计控制在9V。
图2-8-0稳压电路
2.9.0PWM脉宽调制
PWM广泛应用与测量、通信、功率控制以及变换的领域当中。
PWM（脉宽调制）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的技术，是利用改变脉冲宽度以便于控制输出电压，进而改变周期达到控制其输出频率的目的。
三、音乐喷泉的软件设计
3.1系统整体流程图
在经过了对控制系统的分析以及硬件方面的研究上面，根据单片控制系统工艺的流程和系统控制的要求，我们可以先做出一个系统整体的流程图。
根据它的原理，音乐信号的输入，开始，然后启动并进行AD转换，判断AD转换是否中断，分析其转换结果。
进而得出LED的输出，而后得到PWM占空比，驱动电机。
图3-1系统的整体流图
3.2音频信号处理软件设计
音频信号处理当中，最重要的便是AD转换的设计，声音信号的输入，需要经过AD转换才能将其送到单片机当中。
AD转换是通过一个特定的电路去将模拟量转换为数字量，而它的模拟量可以为电压、电流等等的电信号，同时也可以是压力、温度、湿度等等非电信号。
但是，在进行AD转换之前，输入到转换当中的信号一定要经过传感器把物理量转变成电压信号。
以下便是AD转换当中的流程图：
图3-3AD转换程序及流程图
3.3编译软件的选择
KeiluVision4它的编译器、调试工具实现和ARM器件的最完美匹配。
它引入了非常灵活的窗口管理系统，让开发人员可以利用多台监视器，并且可以再视觉上的表面对窗口位置完全控制任何地方。
3.4PWM脉宽调制原理
PWM驱动电机是非常常见的，脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）依靠改变脉冲宽度去控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。
输出频率的变化则是依靠改变脉冲的调制周期来实现。
因为输出等脉冲只需要不变的直流电源供电，可用不可控整流器取代向控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。
利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。
加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波
PWM变频电路的特点
1、能够得到非常接近正弦波的输出电压
2、整流电路用二极管，能够得到靠近1的功率因素
3、电路的结构相对简单
4、对输出脉冲宽度的控制能够改变输出电压，使得变频过程的动态响应加快
PWM简单来说就是一种模拟信号电平进行数字编码的方法，利用高分辨率计数器的实用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
图3-4PWM定周期调占空比
PWM流程图
产生PWM的部分程序：
voidt0（）interrupt1//
{
EX0=0;//外部中断0，AD转换中断
if（i>0）//判断是否是高电平
{
if（n>=num0）
{
n=0;
pwmout=0;
i=0;
}
n++;
}
else
{
if（n>=num1）
{
n=0;
pwmout=1;
i=1;
}
n++;
}
EX0=1;//开外部中断0，AD转换中断
}
四、
结论
如今国内外同行业的技术无不体现着高科技对我们生活的影响，它
广泛地存在于我们的生活当中，音乐喷泉不仅仅只是一种装饰品，更重要的是它的出现丰富了人们的生活，带来了乐趣，并且由原来的单一喷泉慢慢发展成为种类繁多，各式各样，让人眼花缭乱的音乐喷泉，再加上灯光以上，更加吸引人们的眼球，因而能够成为当今社会比较流行的一种观赏景观，本文说描述的只是一些简单的研究以及开发，而如何将音乐与喷泉完美地结合是一个艰巨的挑战。
这一次的音乐喷泉设计的是小型的音乐喷泉，有着操作简单可靠，经济而且又实用的特点。
通过这一次的设计，更加进一步地提高了我的实践能力，让我能够学会将所学的知识，通过查阅有关资料来完成自己的目标，让我明白了很多时候实践跟所学的往往会存在很大的误差。
也让我明白了要完成一个设计它应该先做什么，然后做什么，一步一个脚印地完成每一个目标。
只有不断地探索实践，才能更好的掌握所学的知识。
由于本人水平有限，这一次的设计当中还存在着很多不足之处，忘老师多多批评指正
参考文献
【1】、周美娟，肖来胜.单片机技术及系统设计清华大学出版，2007.
【2】、张筱云．单片机原理及应用.课本教材.2009
【3】、曹素芬，单片微型计算机原理与接口技术，东北大学出版社，1994．
【4】、吕汀，石红梅.变频器技术原理与应用.机械工业出版社，2003
【5】、郝吉，李充宁，夏方林．用MCS51单片机制作的音乐喷泉控制器．现代电子技术．1999
【6】、赵文博,单片机语言C51程序设计,人民邮电出版社,2005.
附录
附录一总的原理图
附录二元件清单
类型
名称
型号
数量
单片机
U4
AT89C51
1
AD转换芯片
U1
ADC0832
1
稳压管
U5
7805
1
发光管
D1-D8
LED-RED
8
电解电容
C1
10uf
1
瓷片电容
C4C5C6C9
104
4
电阻
R7R9R13R14
10K
4
电阻
R8
51K
1
电阻
R6
510K
1
电阻
R1-5R10-12R15R16
1K
10
三极管
Q2
TIP42C
1
三极管
Q3
8050
1
二极管
D9
IN4007
1
水泵
B1
12V
1
驻极体话筒
1
附录三总程序
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
//////////AD端口定义////////////////////
sbitCLK=P1^0;//ADC0832时钟端
sbitDIO=P1^1;//ADC0832数据输入输出
sbitAD_CS=P1^2;//ADC0832片选端
sbitpq=P2^0;//喷泉控制端口
uintdat;//AD值
/**************************************************
AD转换函数
***************************************************/
uintADC0832（）
{
uchari=0;
ucharValue1=0;
ucharValue2=0;
AD_CS=1;//关掉AD;
CLK=0;
DIO=0;
AD_CS=0;//开启芯片
DIO=1;//开始位
CLK=0;
CLK=1;
DIO=1;//并分/单通首
CLK=0;
CLK=1;
DIO=0;//通首选择位
CLK=0;
CLK=1;
DIO=1;//空闲位
CLK=0;
CLK=1;
for（i=0;i<8;i++）//读第一次数据
{
CLK=1;
CLK=0;
if（DIO）
{
Value1|=0x80>>i;
}
}
for（i=0;i<8;i++）//读第二次数据
{
if（DIO）
{
Value2|=0x01<}
CLK=1;
CLK=0;
}
AD_CS=1;//关掉芯片
if（Value1==Value2）//数据校难
{
returnValue1;
}
else
{
return0;
}
}
voiddelay（uintms）//延时函数
{
while（ms）ms--;
}
voidmain（）
{
uchari;//
while
（1）
{
dat=ADC0832（）;//读取声音输出的数字量计算出声音信号变化幅度
//静态电压0.12V5V最大值是255
if（dat>=15）//声音信号在10以内数据没变化
{
for（i=0;i<30;i++）//
{
P0=0x00;
pq=1;//开启
delay（dat*10）;//延时保持
P0=0xff;//关闭
pq=0;
delay（100）;//延时保持
}
}
else//声音信号在155以内（255-155=100）数据没变化关闭LED和电机
{
P0=0xff;
pq=0;
}
}
}
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