基于單片機的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計

李 飛 張冬梅 常弘煜 蘇 言

沈陽工業(yè)大學(xué)遼陽分校，遼寧遼陽 111003

現(xiàn)如今的中國各個城市建設(shè)和市民物質(zhì)文化生活水平，伴隨著經(jīng)濟快速發(fā)展而大幅度地提高，水景噴泉，更確切地說音樂彩燈噴泉，作為城市美化環(huán)境的重要一個環(huán)節(jié)，越來越受到城市建設(shè)者的青睞。為了使控制更加簡單、可靠，適應(yīng)現(xiàn)代社會市場的需要，各類形式的彩燈噴泉也很常見，并逐步向商業(yè)性較強和觀賞性方向發(fā)展。其中音樂噴泉的控制也變得多姿多樣，如51單片機、可編程邏輯控制器、等都在音樂噴泉中有過較多的運用，當(dāng)然每種類型的控制方式都各具特色。本課題針對高等院校校園設(shè)計了觀賞型的小型“音樂彩燈噴泉系統(tǒng)”。

選用單片機作為此次音樂彩燈噴泉的控制器。

1 音樂噴泉研究現(xiàn)狀及趨勢

當(dāng)前計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，新型的音樂噴泉與計算機的交互式應(yīng)用也更加廣泛，音樂噴泉也越來越復(fù)雜，越來越完備，使得更多的控制電路需要計算機來完成。因此，使用計算機來控制音樂彩燈噴泉成為必然的趨勢。但至今一些小型噴泉工程還存在不少技術(shù)上的困難，大概表現(xiàn)為明顯的聲音與噴泉彩燈不能同步、控制部分滯后、成本昂貴等問題。

目前，我國的大型的音樂彩燈噴泉技術(shù)已逐漸成熟，并且向智能、分散、綜合、多樣的方向發(fā)展，于是對彩燈噴泉系統(tǒng)的設(shè)計也提出了更高的要求。但對于更多音樂彩燈噴泉小型的項目的研究較少。如何控制是彩燈噴泉的關(guān)鍵所在，其余部分基本和普通類型的噴泉大體上一致。音樂彩燈噴泉的控制系統(tǒng)可采用可編邏輯程序控制器 （PLC） 作為控制核心，也可以使用小型工控機作控制的核心。但是對于小型的音樂彩燈噴泉系統(tǒng)來說，最合適、便捷的應(yīng)是單片機作為控制的核心。適用于一般二三線城市的小廣場或者普通的居民小區(qū)的音樂彩燈噴泉，由于其控制的要求簡單，使用單片機完全可以滿足其要求而且因其成本較低則更普及化，是未來音樂噴泉的發(fā)展總趨勢。

2 總體方案設(shè)計

本次設(shè)計以STC12C5A60S2單片機作為智能控制系統(tǒng)的主要控制單元，輔之以適當(dāng)?shù)能浖陀布K來設(shè)計完成以單片機為核心的音樂彩燈噴泉控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)圖如圖1 所示。

本系統(tǒng)主要完成了軟件的編程和硬件的設(shè)計，硬件部分主要是由水泵電路、單片機和繼電器電路、彩燈電路、音樂功放電路等組成，軟件編程部分則通過匯編語言編程、流程圖及Protues軟件仿真來實現(xiàn)預(yù)期的效果，通過電路板焊接、元件組裝、軟硬件反復(fù)調(diào)試，實現(xiàn)小型音樂彩燈噴泉的基本功能，因而此系統(tǒng)具有成本低廉、體積較小、水型變化多樣、實用性較強、室內(nèi)外均可欣賞的特點。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的工作過程為：音樂信號響起，通過聲控傳感器采集信號、單片機彩燈控制電路和噴泉控制電路的作用，使噴頭隨音樂滾動的效果，便形成了音樂噴泉。

控制系統(tǒng)總體包括4部分模塊∶數(shù)據(jù)采集模塊、電路輸入輸出模塊、燈光電路模塊、噴泉模塊。噴泉的打開和關(guān)閉完全根據(jù)音樂的播放或暫停，根據(jù)傳感器檢測有無聲音的信號，來控制噴泉。

3.1 核心系統(tǒng)

主要由單片機實現(xiàn)整個系統(tǒng)的檢測與控制，由聲音監(jiān)測系統(tǒng)檢測音樂，當(dāng)音樂響起實現(xiàn)相應(yīng)的操作效果。

STC12C5A60S2系列的單片機是宏晶科技公司生產(chǎn)的單個的時鐘周期單片機。它是速度快、耗能低、抗干擾能力較強的新的一代51系列單片機，其指令代碼完全可以替代傳統(tǒng)的8051,但速度比原來快8～10倍。此單片機集成了MAX810專用的復(fù)位電路,兩路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器,針對于有電機控制的電路，干擾較強的場合。

3.2 電源系統(tǒng)

電源部分采用LRS-50型號，它是50W單組的對外輸出是閉合式的電源供應(yīng)設(shè)備，具有30mm低外觀設(shè)計，采用85～264（V）范圍內(nèi)的交流電壓輸入，提供3.3、5、12、15、24、36和48V輸出，效率高達90%，金屬外殼設(shè)計加強了散熱能力。

3.3 聲音檢測系統(tǒng)

最簡單的聲音傳感器作為該系統(tǒng)的主要部件，用以檢測音樂是否響起，同時向單片機傳送高低電平數(shù)據(jù)。

（1） 聲音模塊對環(huán)境聲音的強度最為敏感，一般用來檢測周圍的環(huán)境聲音強度；

（2） 傳感器在外接聲音強度達不到預(yù)先設(shè)定的值時，輸出端是高電平，當(dāng)外界聲音的強度遠大于設(shè)定值時，輸出端是低電平；

（3） 單片機直接可以與小板數(shù)字信號量的輸出連接，通過單片機來檢測高低電平，因而就能檢測到聲音有無。

3.4 彩燈系統(tǒng)

彩燈控制系統(tǒng)采用繼電器模塊控制，具有以下功能：

（1） 采用國家標準的優(yōu)質(zhì)電壓繼電器，常開接口最大負載：交流電壓為250V，電流為10A；直流電壓為30V，電流為10A;

（2） 采用貼片式光耦隔離板，驅(qū)動性能加強，穩(wěn)定性較好，接通電流為5mA；

（3） 繼電器觸發(fā)方式可以通過跳線的方式設(shè)置高電平或低電平；

（4） 采用容錯技術(shù)，即便在控制電路線斷開的情況下，模塊也不會動作；

（5） 電源的指示燈為綠色，繼電器狀態(tài)的指示燈為紅色；

（6） 接口處設(shè)計極具人性化，所有接口都可以能通過接線一方的端子來接線引出，非常方便。

3.5 噴泉系統(tǒng)

水泵通電之后電機轉(zhuǎn)動，通過葉輪的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一定的能量差值（即壓力差） ，在壓力差的帶動下，不斷將水壓入水泵的入水口，再從噴水口流出。利用電機轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的動能作用下，水可連續(xù)不斷地壓入、流出，形成較穩(wěn)定的流量。用單片機來控制噴泉的開啟與關(guān)閉，當(dāng)有音樂響起，單片機便會對噴泉發(fā)出開啟指令。

綜上，所設(shè)計的系統(tǒng)是一個集信號采集與處理的單片機控制系統(tǒng)，控制方式簡單，性能穩(wěn)定可靠，且具有安全保護裝置。

4 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)程序采用獨立模塊的框架，其中能用到的數(shù)組都使用定義和命名指針或偽指令的方式編程，有助于程序再次改善和仿真軟件的調(diào)試過程。

程序設(shè)置后，進入OOOOH開始的主程序，聲控傳感器測試決定是否輸出高低電平；音樂是否響起決定了噴泉是否有動作；延時程序的設(shè)定值決定了彩燈和噴泉動作多長時間，即噴泉改變動作的時間間隔：音樂頻率只要緩慢一次（多數(shù)音樂中間會有間歇停頓） ，同時聲控傳感器不斷的循環(huán)收集信號，下次音樂響起時就能使用其它的亮燈方式，如果用完了設(shè)定的最終亮燈的數(shù)據(jù)，之后就開始循環(huán)取數(shù)據(jù)，燈光模擬效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真效果圖

5 設(shè)計特色

（1） 多功能性。白天開啟白天模式，晚上開啟夜景模式。不同模式的燈控方式不同。

（2） 智能性。完全自動控制，無需人為操作，規(guī)定時間自動開啟。

（3） 安全性。電路均有短路保護機制，有效防止短路引起的電流過大等問題，同時交直流和高低電壓的轉(zhuǎn)換，降低了危險性。

（4） 經(jīng)濟性。采用固態(tài)繼電器，增加了開關(guān)的靈敏度，保證線路的安全性，提高了使用的周期，更加經(jīng)濟環(huán)保，保證音樂噴泉的時效性和電路的自動控制。

（5） 便捷性。單片機結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便，可以隨時更換程序?qū)崿F(xiàn)不同的表現(xiàn)方式，根據(jù)音樂的高低起伏，彩燈實現(xiàn)不同的閃亮方式。

（6） 觀賞性。采用LED水下低壓彩燈，在原有的結(jié)構(gòu)上進行密封防護和接線方面的改善，發(fā)出燈光色彩艷麗。

6 關(guān)鍵技術(shù)

（1） 采用聲控延時判斷，即傳感器接受聲音加延時程序，實現(xiàn)音樂和水柱的同步變化。

（2） 實現(xiàn)了交直流和高低電壓的轉(zhuǎn)換，降低了危險性。

（3） 使用時間繼電器，保證了音樂噴泉的時效性和電路的自動控制。

（4） 采用LED水下低壓彩燈，在原有的結(jié)構(gòu)上進行密封防護和接線方面的改善，發(fā)出燈光色彩艷麗。

（5） 根據(jù)音樂的高低起伏，彩燈實現(xiàn)了不同的閃亮方式。

7 結(jié)語

此次音樂彩燈噴泉系統(tǒng)采用的單片機是51系列單片機的升級版本，編程指令內(nèi)容都可兼容和替代51系列單片機，價格與51單片機相當(dāng)，速度卻是51的2～10倍，而且非常方便進行擴展。

最終的設(shè)計成果，音樂輸入由MP3提供，電源、放大、濾波等基礎(chǔ)電路在電路板上焊接，而單片機則放置在專用的單片機機座上，音頻輸出既可以使用市面上常見的擴聲器也可以通過音頻插孔連接到音箱。水泵分幾路進行循環(huán)工作，各路水柱的旁邊都安裝不同顏色的水下低壓彩燈，這樣做使得燈光效果更加迷人絢麗，最終通過精密設(shè)計和反復(fù)調(diào)試，達到了系統(tǒng)設(shè)計的要求。

[1] 李朝青.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[2] 魏偉, 王永清.51單片機C語言開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)案例詳解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]姜志海，劉連鑫.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013.