基于AT89C51單片機(jī)的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煙臺(tái)南山學(xué)院，山東煙臺(tái) 265713

一、引言

當(dāng)音樂噴泉的水流跟隨音樂展現(xiàn)不同的畫面，會(huì)讓人們的心情也隨之浮動(dòng)，音樂噴泉的出現(xiàn)給人們帶來了許多的樂趣。音樂噴泉較多的是采用單片機(jī)控制，單片機(jī)是現(xiàn)在控制系統(tǒng)比較常見的一種。它易于操控和管理，為設(shè)計(jì)者提供許多便利之處，是科技發(fā)展的有利產(chǎn)物。

二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

音樂噴泉，顧名思義就是將音樂、水流的形狀以及燈光等結(jié)合在一起的系統(tǒng)。從物理學(xué)中便可知聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，物體振動(dòng)的頻率不同，聲音的音調(diào)也會(huì)隨之變化。由此可知，要想產(chǎn)生由不同聲調(diào)組成的歌曲，必須要得到合適的頻率才可，此項(xiàng)可以控制單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)此功能。燈光與水流形狀的結(jié)合可以通過程序控制實(shí)現(xiàn)。這樣就會(huì)產(chǎn)生水流隨著音樂和燈光的變換而相應(yīng)變化你的場景。這其中的每一個(gè)細(xì)節(jié)都要處理精確，如果有一絲的錯(cuò)誤可能就會(huì)影響整體的效果。因此，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正式演放前一定要調(diào)整好單片機(jī)的每一個(gè)頻率以及程序的控制。

系統(tǒng)的工作過程為：音樂信號(hào)經(jīng)過限幅放大，通過A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)控制電路的作用，使噴頭噴水產(chǎn)生隨音樂起伏的效果。轉(zhuǎn)換形狀的頻率隨音樂節(jié)奏不斷改變時(shí)，便形成了音樂噴泉。

控制系統(tǒng)總體包括五部分模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、輸入輸出電路模塊、軟件設(shè)計(jì)模塊、歌曲存儲(chǔ)模塊、燈光控制模塊?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。音樂的播放可在開啟噴泉時(shí)，由計(jì)算機(jī)播放。根據(jù)有無音樂信號(hào)（計(jì)算機(jī)上播放或外部輸入），啟停噴泉。當(dāng)有音樂信號(hào)時(shí)，獲取聲音強(qiáng)度，通過A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)控制電路的作用，使噴頭噴水產(chǎn)生隨音樂起伏的效果。

三、音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、音樂信號(hào)的采集

（1） 音頻放大電路

外部音源信號(hào)的幅度一般較弱，因此必須要對原信號(hào)進(jìn)行放大處理后才能送入A/D轉(zhuǎn)換器。本文選擇了LM386芯片設(shè)計(jì)音頻放大電路，LM386采用雙列8腳封裝結(jié)構(gòu)，它的工作電壓范圍為4～12V，靜態(tài)電流4mA，最大輸出功率660mW，最大電壓增益46dB，增益帶寬300kHz，諧波失真0.2%。

通過分析表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，考查數(shù)學(xué)運(yùn)算、直觀想象素養(yǎng)的試題數(shù)量明顯多于考查數(shù)據(jù)分析、數(shù)學(xué)建模素養(yǎng)的試題數(shù)量．2018年的文理科試卷對6個(gè)數(shù)學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)均有考查，而且對各個(gè)素養(yǎng)考查的試題數(shù)量沒有顯著性差異，此外文科卷中沒有重點(diǎn)考查數(shù)學(xué)建模素養(yǎng)的解答題，而理科卷則沒有重點(diǎn)考查數(shù)據(jù)分析素養(yǎng)的解答題，只是在選擇題中有所考查．進(jìn)一步分析還可以發(fā)現(xiàn)，正如上文第三節(jié)素養(yǎng)考查分析中所述，有些試題綜合考查了兩種以上核心素養(yǎng)，例如理科第5、8、9、17、18、19、20、21、22題，文科第17、18、20、21、22題等．

（2）A/D轉(zhuǎn)換電路

輸入的電壓為交流模擬量，不能直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。因此首先采用全橋整流、濾波。使其成為直流信號(hào)，再采用了ADC電路。其中ADC芯片為ADC0809。ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)來自單片機(jī)89C51的ALE信號(hào)，89C51采用12MHz時(shí)鐘頻率，ALE為2MHz，經(jīng)四分頻后為500kHz作為ADC0809的時(shí)鐘頻率。用P2.7控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)與轉(zhuǎn)換結(jié)束后數(shù)字量的讀取。ADC0809的地址鎖存允許管腳（ALE）H和啟動(dòng)管腳（START）相連。由P2.7和WR信號(hào)經(jīng)或非門提供的信號(hào)使P0.2～P0.0提供的3位通道地址送入ADC0809進(jìn)行鎖存，用以選取通道號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC作為查詢信號(hào)，具體接口電路如圖2所示。

2、單片機(jī)電路

單片機(jī)要采集音樂信號(hào)，并據(jù)此調(diào)節(jié)I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)是一個(gè)低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機(jī)[1]，片內(nèi)含8K空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，1個(gè)看門狗定時(shí)器，3個(gè)16位可編程定時(shí)器，具有ISP功能，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。使用簡單且價(jià)格非常低廉。故系統(tǒng)的主控制器采用此方法。

3、輸入電路

輸入信號(hào)電路的框圖如圖3所示。左右兩路立體聲信號(hào)經(jīng)混合后送限幅放大電路放大，這樣即使是極弱的樂曲信號(hào)也能有足夠強(qiáng)度信號(hào)輸出。整流濾波電路用以將信號(hào)轉(zhuǎn)為單向信號(hào)。電壓比較器用以將大于基準(zhǔn)電壓的單向信號(hào)變換成低電平有效的奏曲信號(hào)由之端輸出。通過調(diào)整基準(zhǔn)電壓，可使電路既不受干擾的影響又靈敏度最大。

4、潛水泵調(diào)速硬件方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用可控硅調(diào)相的方法控制噴泉水泵的轉(zhuǎn)速。電路如圖4所示，由單片機(jī)的I/O口輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整噴泉的輸出高度。選用單相可控硅BT169控制220V的雙向交流電[2]。交流通過二極管1N4007（耐壓值1000V）組成的整流橋后變?yōu)?00Hz脈動(dòng)的直流，由單片機(jī)P0.4依據(jù)音樂采樣結(jié)果輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的通斷，以達(dá)到調(diào)相的目的。

采用這種方法關(guān)鍵要保證矩形波與100Hz脈動(dòng)直流保持同相，由A/D采樣的結(jié)果決定100Hz脈動(dòng)直流的每一個(gè)周期有多長時(shí)間是導(dǎo)通的。所以將100Hz脈動(dòng)直流分壓后作為單片機(jī)內(nèi)部比較器的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端接一個(gè)由5V分來的固定電壓[3]。當(dāng)比較器的輸出結(jié)果發(fā)生變化時(shí)，由定時(shí)器定一段時(shí)間，這樣就找到了每個(gè)周期的起點(diǎn)，然后再根據(jù)A/D采樣決定不等的延時(shí)來輸出矩形波導(dǎo)通可控硅。A/D采樣結(jié)果大，每個(gè)周期的延時(shí)短，可控硅導(dǎo)通的時(shí)間長，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速快，反之亦然。

5、燈光硬件方案設(shè)計(jì)

使用LED水下低壓彩燈。LED-水下彩燈系列除廣泛使用于噴泉，瀑布水下照明外，還可用于假山，橋梁等投光照明。本次設(shè)計(jì)采用水下照明和閃光彩燈，水下照明采用LED水下低壓彩燈兩個(gè)，閃光彩燈采用不同顏色的發(fā)光二極管，本設(shè)計(jì)采用的彩燈連接如圖5所示。

四、音樂噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有用到的常數(shù)或數(shù)組都用EQU或DATA或DB偽指令定義與命名，以使程序易于修改、調(diào)試和升級(jí)。

主程序框圖如圖6所示。程序重新設(shè)置后，進(jìn)入0000H開始的主程序。單片機(jī)控制開關(guān)決定是否測試輸出通道；樂曲是否演奏決定了噴池是否有動(dòng)作；拔碼開關(guān)的設(shè)定值決定了延時(shí)多少倍的0.1s時(shí)間，即噴池動(dòng)作改變的時(shí)間間隔：奏曲每停一次(大多數(shù)樂曲奏曲中間不會(huì)停)，下次再奏曲就換一組花樣數(shù)據(jù)，若用完了最后一組，以后就從頭再取。也就是多個(gè)樂曲依次輪流循環(huán)使用編制好的噴池花樣數(shù)據(jù)。

五、仿真結(jié)果

利用COOL EDIT軟件對音樂文件取一段音頻信號(hào)，曲往事如風(fēng)的波形圖如圖7所示。經(jīng)過系統(tǒng)處理后理論上可以得到的數(shù)字信號(hào)如圖8所示。利用計(jì)算機(jī)軟件Proteus對單片機(jī)控制系統(tǒng)做仿真，經(jīng)過系統(tǒng)仿真后得到的仿真結(jié)果如圖9所示，仿真結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。

六、結(jié)論

本文嘗試借助計(jì)算機(jī)軟件Proteus對單片機(jī)控制系統(tǒng)做了仿真探討。利用COOL EDIT軟件對音樂文件取了一段音頻信號(hào)，并對其進(jìn)行了轉(zhuǎn)換來做為本系統(tǒng)的輸入信號(hào)。本設(shè)計(jì)首先著重分析了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸送給噴泉的控制開關(guān)，分析結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)得到了一定程度上的吻合，其次通過設(shè)計(jì)和調(diào)試，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。