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本科畢業(yè)設計 題 目 小型音樂噴泉控制系統設計 院 系 機械學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 姓 名 學 號 學習年限 2013年10月 至 2017年6月 指導教師 職稱 申請學位 2017年 5月 23日 小型音樂噴泉控制系統設計 學生姓名： 指導教師： 摘 要 噴泉作為一項優(yōu)美的建筑藝術與人文景觀，以水設景的方式在中外歷史上都很有特點，在人類歷史上留下了光輝的印記。好的噴泉就仿佛是一個精美的藝術品一樣，它的價值不僅僅在于觀賞，還有頗高的令人喜愛的實用價值。本次設計的內容主要是用單片機制作一個聲控噴泉，對象為直流機控制的一個水泵，最終實現噴泉的噴水高度按音調高低進行同步的變化。這里采用模數信號轉換、程序控制信號輸出、PWM變頻調速等方法，提出了一種較為先進的音樂噴泉設計方案和控制途徑。 關鍵詞：音樂噴泉 單片機 直流機 變頻調速 Design of small music fountain control system Author’s Name: Tutor: ABSTRACT：Fountain as a beautiful architectural art and cultural landscape, the way the water in the history of Chinese and foreign history are very characteristic, in the history of mankind left a glorious mark. A good fountain is like a fine artwork, its value is not just watch, there are quite high practical value. The main content of this design is to use a single-chip production of a voice fountain, the object of the DC machine control of a pump, and ultimately to achieve the fountain of the water level by the pitch level of synchronization changes. Here the use of analog signal conversion, program control signal output, PWM frequency control and other methods, put forward a more advanced music fountain design and control methods. KEYWORDS：music fountain SCM DC machine Frequency 目 錄 1 引言 1 1.1 本課題的研究背景 1 1.2 本課題的研究意義 2 1.3 音樂噴泉在生活中的諸多作用 2 1.4 本課題的基本內容 3 2 總體設計方案 3 2.1 方案比較 3 2.2 單片機的特點及應用 4 2.3 音樂噴泉控制系統整體設計 6 2.4 系統框圖 6 3 音樂噴泉控制系統硬件設計 7 3.1 音樂信號的采集 7 3.2 單片機電路 9 3.3 A/D轉換電路 10 3.4 潛水泵調速硬件方案設計 12 3.5 燈光硬件方案設計 14 3.6 元件清單 14 4 噴泉控制系統軟件設計 15 4.1 噴池數據 15 4.2 主程序框圖 16 4.3 控制潛水泵軟件設計模塊 17 4.4 歌曲存儲模塊 18 4.5 燈光控制模塊 20 4.6 系統實驗仿真 21 總結與致謝 23 參考文獻 24 附 錄 26 1 引言 1.1 本課題的研究背景 音樂噴泉作為人文景觀中一項不可多得的建筑藝術，這條靚麗的風景線在中外歷史上都享譽盛名。上世紀八十年代以前，噴泉只作為一個技術細節(jié)被排水和美化專業(yè)施工人員所使用，從構思，設計，生產，測試，到最后的工程安裝沒有形成規(guī)模。只有在展覽廳和公園等公共建筑可以看到一些小噴泉，產品設計水平相對簡單，效果是單一的。上世紀八十年代起，社會的進步風氣開始上升，國民經濟取得了一定的恢復和發(fā)展，人民生活水平和科學技術水平均有明顯改善與提高。一些城市的相關部門對于噴泉提出了推陳出新的要求，他們的目的是希望將新型的音樂噴泉應用到城市建設、城市改造的過程中，還包括噴泉的景觀設置和文藝空氣的設計與制造方面。對建筑、園藝、水利科學院、高等教育研究所等機構來說，他們獲得了一個機遇，在綜合了土木工程、供排水系統等一些工科技能后，再加上當時先進的單片機技術以及機電控制理論，依據學術理論改變特定量達到控制電磁閥和直流電機調速的目的，設計并制造了一批與之前全然不同的噴泉設備，營造了全新的景觀效果，收到良好的社會和社會反應。同期，部分具有加工噴泉設備專業(yè)能力的工人和具有獨到眼光的投資人合伙建廠或者成立研發(fā)公司，這些工廠以及公司的發(fā)展推動了我國噴泉行業(yè)的進步，為噴泉的行業(yè)的發(fā)展提供了中堅力量，奠定了堅實的基礎。第二十世紀90年代以后，社會風氣推動思想解放，各界人士的觀念都發(fā)生了翻天覆地的變化，在物質生活逐漸得到滿足的社會背景下，他們開始注重精神生活，對高品質的文化氛圍和優(yōu)雅的生活環(huán)境有了需求。就是因為這樣，有市場就會有商品，有商品就會有更好的商品，與此同理，噴泉行業(yè)亦取得了巨大的發(fā)展。噴泉已經不單是公園、花園和廣場的專屬品，開始延伸到人們的各種社會活動中。就在這一時期，研發(fā)和制造噴泉的工作室和工廠順應潮流萌芽生長，以至于壯大起來。噴泉設計人員把現代工業(yè)的各種相關技術都應用到了噴泉中，把噴泉行業(yè)的技術水平推上了一個新高度，為人們提供視覺震撼的同時也為應用領域開辟了廣闊的領土，人人都開始注意這一特殊的人文景觀。中國建筑金屬結構協會給水排水設備分會在2001成立了水景噴泉專業(yè)委員會，這一組織有效的調配了各種資源，統籌安排了發(fā)展規(guī)劃路線，以促進噴泉行業(yè)健康有序快速發(fā)展為宗旨，希望通過提供各種服務滿足人們的精神追求。在普通高校的建筑專業(yè)，園林專業(yè)也設置了水景，噴泉等相關課程，這一舉措為噴泉行業(yè)的發(fā)展提供了知識和人才儲備，初衷自然是希望噴泉行業(yè)有更好的發(fā)展。自此以后，噴泉產業(yè)在人們的希冀中進入又好又快發(fā)展的新階段。 時代在發(fā)展，社會在進步，這一切都歸結于人的進步，思想的進步，追求的進步，對健康優(yōu)雅環(huán)境的要求讓他們對噴泉情有獨鐘，特別是噴泉在城市和社區(qū)環(huán)境建設中的作用是無可取代的。于是以高新科技為支撐的各種新型水景在我國紛紛涌現，音樂噴泉是其中最具代表性的一例，以它悠揚的曲調，動感的節(jié)奏，繽紛的花樣，多變的色彩征服了觀眾的心。程序控制噴泉的方式已經成為噴泉藝術呈現的新的主流形式，現代控制技術與傳統人工噴泉的完美結合，通過單片機程序令噴泉水姿呈現不一樣的變化。采用單片機控制技術，通過單片機控制電路以及初始化程序，完全可以實現噴泉與光的協同控制，形成美輪美奐的活水景觀。 1.2 本課題的研究意義 如果把噴泉看做藝術，那么在現代社會的住宅小區(qū)和酒店大廳都應該有它的身影，營造優(yōu)雅靜美靈動的環(huán)境的同時增加空氣濕度，不單有利于身體健康還能放松心情。我相信，很多人都有一個同樣的疑問：噴泉的關鍵是什么，我認為是控制系統。模仿大型噴泉的系統做個小型噴泉，像它一樣控制核心采用單片機，可以控制水泵的電機達到調節(jié)水流的目的，彩燈同樣可以用單片機控制?？刂葡到y的核心使用單片機，注意是考慮到它的物理應用特性。比如體積小、集成度高、抗干擾能力強、工作環(huán)境要求不高、價錢便宜、可靠性高等都是使用優(yōu)點。在現代社會研究小型噴泉的控制系統不但可以帶來經濟效益還會收獲相應的社會效益。在運用成熟水平制作音樂噴泉的國際背景下，生產廠家為消費者提供了包括系統設計和設備安裝等專業(yè)服務。智能化、集成化、多元化已經成為了音樂噴泉發(fā)展的主流方向，同時這一發(fā)展方向也對噴泉控制系統的設計者也提出了全然不同的要求，這對工程師來說既是挑戰(zhàn)又是機遇。 本課題研究的小型音樂噴泉控制系統就是以單片機為核心的，不但可以推廣噴泉在國內的應用，凸顯其在美化環(huán)境中的作用，還可以有力的推動噴泉控制技術的發(fā)展。對我個人而言，研究本課題，可以加深我對單片機技術、數控技術和機電一體化系統的理解，方便知識應用。復習C語言課程，自學protei99 SE軟件并使用該軟件繪制電路原理圖。通過解決設計過程中遇到的各式各樣的問題，獲得更多的知識以提升自己的專業(yè)能力。 1.3 音樂噴泉在生活中的諸多作用 音樂噴泉作為人文景觀中一項不可多得的建筑藝術，這條靚麗的風景線在中外歷史上都享譽盛名。音樂噴泉被譽為一項流動的藝術，音樂噴泉那美輪美奐藝術體驗給人以無限的享受。伴隨經濟發(fā)展的科學技術取得了巨大進步，與此同時，景觀在生活中被越來越多的人關注與向往，在現代都市生活的園林景觀設計中，水的靈動已然令其成為了不可缺少的組成部分，音樂噴泉便是其中最為重要的景觀，因此無論是在公園景觀布局、城市環(huán)境規(guī)劃及水景制造還是在小區(qū)風景的設計中，音樂噴泉的應用必不可少，其設計與效果更是至關重要的。為了使水靈動起來，音樂噴泉特別采用了現代循環(huán)系統的設計構想，這樣做不僅避免了水池里的水變成死水或者臭水，在一定程度上節(jié)約了本就匱乏的水資源，達到提高水利用率的目的。音樂噴泉花姿百態(tài)活靈活現，有很高的觀賞價值。音樂噴泉能夠利用水和音樂做出及其壯美的聲效景觀，形隨音動，能夠表現出很多姿態(tài)，形成活潑而又絢爛的景觀，是夜晚的主題。特別注意，水是生命之源，增加空氣濕度來改善生活環(huán)境的方法也是音樂噴泉最重要的作用。 1.4 本課題的基本內容 基本任務：設計一個音樂噴泉，控制核心使用ST89C51單片機，對噴水高度的控制是要實現的目標，要達到這一目標，可以調節(jié)水泵的水流量，由基礎知識可以知道只有調節(jié)水泵電動機的轉速才能完成這一基礎任務。那么調節(jié)電機轉速就成為我們關注的焦點了?？刂葡到y最核心的部分采用的是程序控制的辦法，通過編寫準確合適的程序并將其輸入單片機內，外部信號由單片機獲取并經程序處理最終輸出預定的數據來控制三極管工作，通過改變加在電機兩端的電壓進而實現控制水泵轉速的預期目標。輸入音頻信號，通過A/D轉換程序處理等將輸出信號作用到三極管的基極最終控制電機，水流量的變換會呈現出水姿高低變化的情形。各個彩燈分別與單片機的I/O引腳相連，內部程序可以達到每種音調的狀態(tài)組合的效果。這次設計方案最驚艷的地方在于是否有音頻的輸入來決定噴泉啟停狀態(tài)。LED燈也會顯示出一系列變換表示音樂的運行狀態(tài)。 2 總體設計方案 2.1 方案比較 方案一：基于硬件電路采樣的前饋補償音樂噴泉控制系統 優(yōu)點：在同類的音樂噴泉中該控制系統的采樣結果是完全有能力直接反映音樂信號強度的，采集音樂信號和該信號后續(xù)的處理都是由噴泉的控制器等配合工作來完成的，這個方法的采樣周期是0.1秒。這次系統中補償方法采用的是控制輸出前饋補償方式，而這里前饋控制的時間長度可以系統設置的“前饋”時間得到確定。使用這種時間補償方式的目的就是要消除音樂與噴泉動作的時間差，因為這種方式能夠滿足音樂噴泉前饋補償控制的需求，實現噴泉動作隨音樂的和諧律動。 缺點：系統條件的限制較為苛刻，各硬件組件要求精密度高，對系統設計者能力的要求也頗為嚴格，實施起來比較困難。 方案二：基于全數字集成電路音樂噴泉控制器 這個設計方案采用既能音控又能程控的兩用控制器，而且音控、程控可用開關手動切換。程控時，電位器能夠起到的作用是調節(jié)速度；音控時，輸入音樂的音量便能直接控制彩燈，控制思路是以音樂音量的大小來決定彩燈打開組數的多少，音量越大彩燈亮的組數越多。整個控制系統電路的設計相對簡單，應用普遍廣泛，項目的可行性論證比較可靠。但是，實現的效果有限，無法達到較高的要求。 方案三：基于單片機的音樂噴泉控制系統 以單片機為核心的控制系統是小型音樂噴泉控制系統中用的最廣泛而普遍的。靈活的編程設計，豐富的I/O端口，精確的控制單片機的這些特點能夠簡單而又實用的將音樂與噴泉的動作密切而默契的配合起來。而且這類控制器性價比理想，體積小，易于操控，簡便可行。 經過比較發(fā)現，方案三以單片機為核心的控制系統與本次設計的要求較為符合，并且經濟適用。我認為選取方案三作為這次設計方案較為合理。 2.2 單片機的特點及應用 管控功能好、體積小、價錢低是單片機的主要特點。因為單片機特有的良好的管制功用和非常靈敏的嵌入質量，在智能儀表、機電一體化產品、家用電器等多個范疇內在近些年來都獲得了非常重要的地位。 2.2.1 單片機及其特點 把一臺完整的微型計算機濃縮在一個微小的芯片內，就可以把這個芯片叫做單片機芯片。而單片機內部的主要零部件包括：CPU、RAM、ROM、定時器/計數器和多種I/O口。簡單說，單片機就相當于一個微型計算機，能夠準確反映它的定義本質的說法應該是微控制器。 設計單片機的初衷就是想把許多大體積的外圍設備和管理中心CPU全部放置在一個微小的芯片中，令計算機系統最小化，使其能夠方便快捷的應用到復雜而又要求極高的控制部分去。 單片機最大的特點就是可以應用特定的程序完成特定的任務，在控制的極端條件下使用較多，這是其他控制器無法比擬的特殊性。用戶完全可以根據自己的控制需求編寫自己的單片機程序，這不僅是智能與效率的體現而且非?？煽?！ 2.2.2 單片機的應用 單片機獨有的特點決定了它必然會受到社會青睞的結果，不論是在工業(yè)、民用甚至事業(yè)部門都在發(fā)揮著無可替代的作用。大概把它歸屬為以下不同的應用層面： 表2-1 單片機的應用領域 智能 儀器儀表 憑借控制功能好的長處單片機在儀器儀表中廣泛使用，與不同傳感器配合可測量不同的物理量。而且儀器儀表憑借單片機已經實現了數字化、智能化、微型化，而且功能也越來越強大。例如，示波器就采用的單片機。 工業(yè)控制 單片機能夠按不同的需要組成不同的控制系統和數據采集系統。最常見的例子就是電梯的智能化控制。 家電 很負責任的說，在目前的家電市場上，電器的控制部分絕大部分都采用單片機控制。生活中我們經常使用的洗衣機、空調機、都有單片機的身影，毫不夸張的說處處都有。 網絡通信 單片機發(fā)展到今天，通信接口已經在其上普及，能夠和計算機進行實時數據傳輸，它作為物質基礎在算機網絡和通信設備間起到了巨大的作用。依照目前的發(fā)展狀況看，通信設備大體上都做到了基于單片機的智能控制，從固定電話，手機到日常生活中經常見到的移動電話，無線電對講機等。 醫(yī)療方面 在各種醫(yī)療設備中也普遍活躍著單片機單片機的身影，像醫(yī)用呼吸機，監(jiān)護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。 除了以上工作層面，單片機在辦公，營銷，移動通信、計算機外部設備等范圍內都在扮演著自己的角色?？偠灾?，單片機已然成為了控制領域的一個重要方向，而且會越來越重要。 2.2.3 單片機的選擇 對于許多專業(yè)人士來講，單片機的的選型是一件極其重要卻又很費心思的一件事情,如若能夠獲得合適的單片機型號,但就成本來講，該系統就會節(jié)約很大一部分花銷,而且工作可靠、穩(wěn)定;如若沒有獲得合適的單片機型號,系統的運行一定會出現反常的現象，嚴重的話甚至根本達不到功能預期,在成本方面也會造成一部分浪費。 不論是芯片個數還是芯片包含的功能數量都要略大于設計需求，芯片有的功能盡量靠芯片執(zhí)行不要采用外部設備替代。購買芯片的時候要買大廠的不買小廠的，要買產品批量多的不買產品批量少的，盡量選用名牌不用不知名的牌子，在保證質量的前提下盡量選擇價錢低的。這是工程師選擇單片機芯片時必須秉承的理念。 對單片機選型,必須考慮幾個因素： (1)技術性:保證控制系統在一定范圍的技術指標下能夠可靠運行; (2)實用性:根據廠家以往供貨的產品數據分析，選用質量好，耐用的產品，以保證單片機被應用到系統中之后能長期、可靠的運行； (3)可開發(fā)性：所選用的單片機必須要有類似程序編輯、仿真調試等可以開發(fā)的手段。 下面我們來比較89C51和89C52： 表2-2 AT89C51和AT89C52單片機的比較 數據存儲器 程序存儲器 定時器 中斷 51系列 128B 4KB 2 5 52系列 256B 8KB 3 8 通過數據比較及功能需求的分析，本課題中，選用51系列單片機，即AT89C51單片機，完全能夠滿足設計預期功能的要求。 2.3 音樂噴泉控制系統整體設計 電路輸入/輸出模塊 采集模塊 單片機模塊 電源電路模塊 A\D 轉換模塊 圖2-1 系統設計構架 2.4 系統框圖 就像大家都知道的一樣，所有聲音的產生源都是震動，聲音中音調高低主要取決于描述物體振動的頻率，所以我們可以通過單片機來進行頻率信號的控制輸出，這樣多種音調就能夠控制產生了；不同音調所持續(xù)的時間也需要控制，這一任務可以利用單片機的計時系統來完成，簡言之，就是實現節(jié)拍的控制與變換。音調的流轉和節(jié)拍的變換都有章可循，那就是樂譜，根據樂譜排列章法加以變換表現的就是樂曲的演奏功能。水泵的電動機控制電路和彩燈控制電路要注意，令他們分別與單片機上相應的輸出點連接，每種音調都有和它相對應的一組輸出點的開關狀態(tài)組合，這一控制就是通過單片機內的程序完成的，就是按照這個過程實現樂曲控制噴泉的動作的。系統總體結構圖如圖2-1所示。 單片機 A/D轉換 功放 喇叭 頻譜彩燈顯示 驅動 水泵 電源 音頻 圖2-2 系統總體框圖 用于噴泉控制的音樂只要能夠輸入到控制系統就可以了，用像VCD、DVD一樣的外部設備或者通過計算機直接播放控制音樂的效果都是一樣的。噴泉的啟動或停止狀態(tài)是通過有沒有音樂信號的輸入控制的。如果音樂播放時，先將音樂信號放大，再通過一系列變換，作用到電機上，通過改變水壓力來使噴頭噴出的水柱達到起伏的效果，與音樂配合，水隨曲動，相互輝映。音樂噴泉的單片機控制系統功能齊全，包含捕獲音樂、啟動噴泉、彩燈，噴泉和彩燈的狀態(tài)通過程序控制輸出的信號變換，所達到的效果包括停止噴泉、彩燈閃和一定時間內按樂譜曲調為準則的彩燈變換。 3 音樂噴泉控制系統硬件設計 3.1 音樂信號的采集 按前文所述，此次課題的設計方案擬采用外部音源的音樂噴泉控制系統，要想利用音樂信號的特征控制此系統首先要面臨的一個重大問題就是如何有效的采集音樂信號。由我們學過的基礎知識就可以知道，信號放大和 A/D 轉換這兩個相對獨立又緊密銜接的過程可以解決采集音樂信號的問題。 3.1.1 音頻放大電路的設計 音頻放大對于這個系統必不可少，因為播放音樂的音源信號的幅度相對來說比較微弱，為了能夠有效全面的利用音樂信號，只有放大原來的音樂信號才能避免系統對微弱信號的漏采，之后再將信號送入A/D 轉換器。在這里選擇 LM386 芯片作為設計音頻放大電路的核心。LM386 芯片在電子應用中有著不可替代的作用，這都是由它的特點決定的，功耗低、工作電壓范圍較寬為 4~12V、所需外圍元件少，所以在相關領域的中應用及其普遍。LM386 芯片的內部結構功能包括輸入級、電壓增益和電流驅動級。從圖 3-1 可以看出，LM386 采用雙列 8 腳封裝結構；物理特性也頗受青睞工作電壓范圍為 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，諧波失真只有0.2%。 圖3-1 LM386 封裝形式及引腳定義 圖 3-2 是本次設計采用的音頻放大電路，可以看出該電路的具體細節(jié)。在 LM386 芯片的 1 腳和 8 腳之間串接一個 10 微法的電容，如此便能使放大電路的增益能達到最大值，200 倍數（46dB）。前面是放大電路的核心部分，此外圖中還包括對音頻放大電路的外圍電路進行設計的內容，電路中電容 C1、C6 的作用同為隔直流，電位器 P1 可以幫你達到想對音量的大小有絕對控制的權利，降低旁邊電路高頻噪音，提升輸出音質的水平是元件 R2、C5 所要做的事情。去耦電容 C3 既能蓄能還能把旁路產生的高頻噪聲最小化。 圖 3-2 音樂信號采集放大 3.1.2 采樣定理 模擬信號經過A/D變換轉換為數字信號的過程被稱為采樣。奈奎斯特發(fā)現了模擬信號與數字信號之間聯系的橋梁，我們稱之為采樣定理。它作為連續(xù)信號離散化的基本依據反映的是采樣頻率與信號頻譜之間的關系。通常情況下，連續(xù)信號又被稱為模擬量信號，離散信號與數字量信號是相同的。采樣定理的具體內容描述為“當對一個模擬（連續(xù)）信號進行離散化時，必須滿足采樣頻率fs 大于或等于被采樣信號的最高頻率fm的2 倍，只要這樣才能通過理想的低通濾波器，從變換后的樣本值序列信號中準確地恢復出原始模擬信號”，此處fm 為香農頻率。 如圖 3-2 所示，在本次設計中，被放大的音樂信號通過A/D轉換變?yōu)閿底中盘?，并以其形式被輸送到計算機，這便完成了音樂信號的采樣。 3.2 單片機電路 采集的數字量音樂信號最終要輸入到單片機，并根據輸入的信號經過一系列變換來調節(jié)I/O口的輸出電平，進而控制水泵和彩燈。前面已經提到，本次設計單片機主芯片選用AT89C51單片機。AT89C51單片機是一個低功耗，高性能的51內核的CMOS 8位單片機，片內含4K空間的可反復擦寫1000次的Flash只讀存儲器，具有128字節(jié)的RAM，32個I/O口，還包括定時器，計數器，振蕩電路等，完全可以滿足我們的設計要求。最重要的是其使用簡便價格低廉。 圖3-3 AT89C51芯片 時鐘電路的設計 AT89C51芯片內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。XTAL1是反相放大器的輸入端，XTAL2為輸出端。輸入端與輸出端跨接晶振及兩個電容就可以構成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖3-4所示。 其中，電容 C2 也有著不可取代的作用，它作為旁路電容，可以把該信號的中高頻噪聲連接到地，減弱系統噪聲。而晶振所起的作用就是為控制系統提供最基本卻又很重要的時鐘信號，所以在單片機系統中晶振已經成為不可或缺的一部分。晶振與單片機內部的電路連接并配合，可以產生單片機運行時所必須的時鐘頻率，可以這樣形容，如果晶振能夠提供足夠高的時鐘頻率，那么單片機的運行速度也隨之足夠快。晶振可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩，是因為一種特殊的晶體（能把電能和機械能相互轉化）在共振的狀態(tài)下工作的原因。 圖3-4 自激振蕩器 3.3 A/D轉換電路 經過放大電路的音頻信號是音樂噴泉是否有動作的決策者，對噴泉控制系統有著絕對的控制權，單片機要根據音樂信號對噴泉進行控制，所以，音樂信號應該被輸入到單片機來使用。但是，單片機無法對模擬量信號進行識別并使用，為了完成這一任務，特地在此加入了A/D轉換電路，它的作用就是將放大的模擬量信號轉換為數字量信號輸入到單片機，以供控制噴泉動作與燈光閃爍。 本次設計中，AD轉換電路的主芯片采納ADC0832。ADC0832芯片主要有這些特征：8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片，兼容性好，體積小，性價比高，有能力滿足一般的模擬量轉換要求。所以，在業(yè)內ADC0832吸引了無數人的眼球，被廣泛采用。連接圖如圖3-5。該芯片轉換時間是32s，與其他同類產品相比較快，數據誤差小，轉換速度快，穩(wěn)定性強等都是其長相。此外，獨立的芯片使能輸入也使它的應用變得快捷、方便、有效。 ADC0832芯片的接口說明如表3-1所示。 表3-1 ADC0832各引腳說明表 接口 說明 CS 片選使能，低電平芯片使能 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用 CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用 GND 芯片參考0 電位（地） DI 數據信號輸入，選擇通道控制 DO 數據信號輸出，轉換數據輸出 CLK 芯片時鐘輸入 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復用） 3.3.1 ADC0832與單片機89C51的連接 音樂信號是音樂噴泉的控制量。單片機是噴泉控制系統的核心，但是必須以音樂信號作為根據，才能發(fā)出動作指令，并且不能識別模擬量信號。而A/D轉換電路可以把模擬量信號轉換為單片機可識別的數字量信號。所以，把這兩部分結合起來就可以構成控制系統的輸入部分，具體接口電路如圖3-5所示。 ADC0832的時鐘信號用單片機AT89C51的P1.2控制輸入。用P1.0控制A/D轉換的啟動，用P1.3控制A/D轉換器轉換結束后數字量的讀取與選擇通道。 3.3.2 輸入電路 在這里，輸入電路是指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強弱等進行檢測的裝置。簡而言之，這里僅用音頻接收裝置將收到的音頻信號送入音頻放大電路即可（如圖3-2），而后音頻放大信號經AD轉換將信號輸入單片機就可以了。因為有了這一系列傳輸與變換，音樂已經不單純的擁有背景音樂這一個身份了，它也可以用來控制整個噴泉是否有動作產生，由此可以說，音樂噴泉最基本的要求已經達到了。 圖3-5 ADC0832與AT89C51連接圖 3.4 潛水泵調速硬件方案設計 在本次的設計方案中所選用的水泵型號較小，其內的電動機是直流電動機。所以，要完成對水壓的調節(jié)，只要對直流電動機的轉速調節(jié)就可以了。 目前，行業(yè)內對直流電動機的調速方案采用最多的就是變壓調速的原理。在變壓調速前提下，調速方案又包括可控整流式調速系統和直流PWM調速系統兩種。而這兩種變壓調速方案又各有千秋，各自表現出自己的優(yōu)劣。但是，總的來說PWM調速表現的更好一些。PWM調速系統的開關頻率較高,可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬;響應快速,動態(tài)抗干擾能力強;主電路損耗小,裝置效率高。所以，此處采用變壓調速中的直流PWM調速系統，硬件電路圖結構也比較簡單，如圖3-6所示。其中，電容起到穩(wěn)壓作用。 這里采用的變壓調速原理是通過對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使單片機的輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖。在這個電路中通過單片機來實現脈寬調制，用軟件控制的方式起作用，可以這樣理解，軟件的延時循環(huán)程序可以改變單片機端口二進制位輸出邏輯狀態(tài)進而產生脈寬調制信號，在程序內設置不同的延時時間能夠得到不同的占空比（輸出的PWM中，高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期的時間之比）。 圖3-6 電機電路圖 圖3-7 彩燈的連接圖 3.5 燈光硬件方案設計 燈光在音樂噴泉之中的使用尤為重要，在夜里，動人心魄的旋律，百變起伏的水姿形態(tài)，再加以絢爛奪目的燈光效果，會使噴泉的效果最大化，不僅可以成為一道亮麗的風景吸引人們的眼球，還可以給人們帶來3D式的感官效果，心隨律動，眼隨水動，絢麗的燈光照亮你的世界，給人以不一樣的震撼。所以燈光的選擇就顯得更加重要了。 本次設計方案采用LED水下低壓彩燈作為閃光彩燈使用。該燈被廣大噴泉設計者普遍使用，產品機構合理，密封和防護方面都很好，而且色彩較為艷麗。連接電路如圖3-7所示，其中電阻的作用是限流，保護。 3.6 元件清單 選擇使用的元器件列表如3-2所示。 元件名稱 元件標號 數量 10uf 電容 C1, C3 2 20pf 電容 C2, C4 2 104pf 電容 C5, C7, C9 3 220uf 電容 C6, C8 2 LED 發(fā)光二極管 D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 8 喇叭 LS1 1 電機 M1 1 9012 三極管 Q1 1 1K 電阻 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 8 10K 電阻 R9 1 10K 可調電位器 R10 1 4.7Ω 電阻 R11 1 1K 電阻 R12 1 SW 按鍵 S1 1 電源開關 SW1 1 ADC0832 AD采集芯片 U1 1 AT89C51 單片機 U2 1 LM386 功放芯片 U3 1 12M 晶振 Y1 1 表3-2 硬件選擇表 4 噴泉控制系統軟件設計 控制程序采用模塊化結構，即不同的功能通過單塊程序完成，程序中所有用到的常數或數組都用DATA或DB偽指令定義與命名，以易于程序修改、調試和升級。 4.1 噴池數據 噴池數據就是用來對噴泉池內的水泵和彩燈等進行啟?？刂频目刂屏繑祿Ｒ唤M特定的噴池數據，就可以決定噴泉和彩燈的一組相對應的變化形態(tài)。我們也可以把組噴池數據叫做花樣數據。對一個已經確定結構的噴池，我們可以編寫出很多花樣數據，是噴池內呈現出不同的變化形態(tài)。 本次設計中噴池采用圖4-1所示的樣例，并簡要說明花樣數據的編排方法。假設希望外圈噴頭連續(xù)噴水，水下LED燈按頻譜分析不斷亮滅變化。在這期間，中心噴頭是否噴水及水柱高低一直連續(xù)變化。如果要完成設計預期，該噴池只要1個輸出寄存器就可以了，其各位控制LED燈定義如下： 8 7 6 5 4 3 2 1 以上各位若為1時相應的彩燈亮，為0時不亮，則彩燈數據應為： 0000 0011B 0000 1111B 0011 1111B 1111 1111B 1111 1100B 1111 0000B 1100 0000B 0000 0000B 若該花樣數據定義為HYSJ01則數據定義如下： DB 03H，0FH，3FH，0FFH，0FCH，0FOH，0COH，00H。 每次將花樣數據輸出時都是順次取一列輸出的，且可循環(huán)取用。顯然這樣的花樣數據可以編不少，還可將兩個以上的數據搭配起來，組成新的更復雜一些的花樣數據。 1號LED燈 圖4-1噴頭布局例 4.2 主程序框圖 音樂開始，噴泉啟動，其流程圖如圖4-2所示。音頻信號經初始化即放大電路放大后，被輸入到A/D轉換模塊，將模擬量信號轉換為數字量信號。單片機讀取轉換結果并保存，經內部程序處理后將結果以電平的形式輸出。執(zhí)行完后又返回到A/D轉換之前再次執(zhí)行，循環(huán)下去。也就是奏曲每停一次(大多數樂曲奏曲中間不會停)，下次再奏曲就重新開始執(zhí)行程序，即多個樂曲依次輪流循環(huán)使用編制好的數據。 圖4-2 主程序框圖 4.3 控制潛水泵軟件設計模塊 前面已經提到，本次設計中我們使用脈寬調制調速系統來對水泵轉速進行調整。脈寬調制(PWM，Pulse Width Modulation)是一種模仿管制方脈沖寬度調制，它的本質是運用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行管理的一種十分有效的技術，普遍使用于測量、通信、功率控制與變換等很多與生活息息相關的領域中。 4.3.1 潛水泵開關調速的原理 從以前學過的知識中我們可以知道，直流電動機的轉速可以通過改變加在它兩端的電壓得到改變。PWM調速控制的原理就是按固定頻率來接通和斷開加在電動機兩端的電源，與此同時，根據需要改變一個周期內接通和斷開電源的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的"占空比"。簡單形容就是用時間的占空比改變電壓的占空比。這樣平均電壓也就隨之改變了，那么電機的轉速也就間接得到了控制。只需要知道，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。如果我們按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，那么電機轉速也就在控制范圍內了。不可忽略的是采用PWM技術構成的無級調速系統，啟停時對直流系統均無沖擊，啟動功耗小、運行穩(wěn)。 4.3.2 潛水泵開關調速的軟件設計 單相潛水泵采用單片機AT89C51控制，單片機的輸出端口P3.7經變阻器與三極管的基極連接。經A/D轉換輸入單片機的數字量信號經過PWM調壓程序處理，由P3.7端口輸出電平信號。PWM調壓程序控制輸出電平的高低，根據三極管的工作特性進而控制電動機兩端電壓，達到調速的目的。 三極管的工作特性：三極管顧名思義有三個極，分別為發(fā)射極（E）、基極（B）、集電極（C）。簡單點說基極的電流大小直接控制著集電極電流的大小，由于是倍數關系可以起到信號放大的作用。三極管在電路中主要起到電流、電壓放大和轉變相位的作用，由于它是非線性元器件，在坐標圖上可以劃成三個區(qū)域，既截止區(qū)域、工作區(qū)域、飽和區(qū)域。截止狀態(tài)是指在基極沒有電壓或沒有足夠的偏置電流，集電極輸出電流幾乎為零，就像一個開關沒有施加控制電壓被斷開一樣。工作狀態(tài)是指隨著基極電流的增加，三極管進入近似于線性的工作區(qū)域，此時集電極電流的輸出電流為基極電流的β倍，Ib*β=Ic。飽和狀態(tài)是當基極電流增加到一點程度，集電極電流增加緩慢或不再增加即此三極管已經達到飽和，三級管就是利用這個特性來控制電路的通斷。 此處隨采用PWM調速，但是，其還有不可避免的缺點：有污染電網的諧波產生；PWM波會令電機、電纜額外發(fā)熱；電機軸的壽命可能會隨著共模電壓的產生而降低。 4.4 歌曲存儲模塊 4.4.1 音頻脈沖的產生 如果要利用數字量形式的音頻信號轉換成為音頻脈沖，我們要做的就是求出任意一個 音頻的周期（1/頻率），然后再取這個周期的一半，簡單說就是求半周期的時間。每到半周期時間，就把I/O反相，重復執(zhí)行這一過程。而在這個過程中，半周期的時間可以通過計時器得到。那么這個頻率對應的脈沖便能在I/O引腳上獲取了。在單片機的內部就有定時器，令定時器工作在計數器模式（MODE1）下，如果利用改變計數值TH0及TL0便可以產生不同頻率的方法來制造不相同的音階。比如，音頻頻率是523Hz，它的周期T是1/523也就是1912μs，所以只需要讓計數器計時956μs/1μs即956，每次計數956次時把I/O反相，那么中音DO（523Hz）就得到了。 表4-1 C調各音符頻率與計數值T的對照表 音符 頻率Hz 簡譜碼(T值) 音符 頻率Hz 簡譜碼(T值) 低1DO 262 63628 #4FA# 740 64860 #DO# 277 63731 中5SO 784 64898 低2RE 294 63835 #5SO# 831 64934 #2RE# 311 63928 中6LA 880 64968 低3M 330 64021 #6 932 64994 低4FA 349 64103 中7SI 988 65030 #4FA# 370 64185 高1DO 1046 65058 低5SO 392 64260 #1DO# 1109 65085 #5SO# 415 64331 高2RE 1175 65110 低6LA 440 64400 #2RE# 1245 65134 #6 466 64463 高3M 1318 65157 低7SI 494 64524 高4FA 1397 65178 中1DO 523 64580 #4FA# 1480 65198 #1DO# 554 64633 高5SO 1568 65217 中2RE 587 64684 #5SO# 1661 65235 #2RE# 622 64732 高6LA 1760 65252 中3M 659 64777 #6 1865 65268 中4FA 698 64820 高7SI 1967 65283 這里用一個字節(jié)表示一個音符，音符的高低可以通過對應字節(jié)的高4位表示，音符的節(jié)拍就用該字符的低4位表示，表4-2列出來了節(jié)拍和節(jié)拍碼一一對應的狀況。若1拍的時間是0.4秒，那么1/4拍的時間便是0.1秒，要求得節(jié)拍對應的時間通過設定延遲時間的辦法就好了。比如說，若1/4拍的時間是DELAY，則1拍對應的節(jié)拍時間就是4DELAY。因此，如果1/4拍的DELAY時間清楚了，依照簡單的數學原理，其他的結拍時間便是它的倍數，表3-3所列的是1/4和1/8拍的時間設定。 4.4.2 音樂程序 按照表4-1所列的音符與T值計數的對應關系建立T值表的順序，如果T值表建立在TABLE1處，就可以把構成發(fā)音符的計數值放在TABLE中了；簡譜碼（參照表4-4）是字符的高4位，節(jié)拍（參照表4-2）是字符的低4位，如此便可將音符與節(jié)拍碼放在控制程序的“TABLE”處了。 表4-2 節(jié)拍與節(jié)拍碼的對照表 節(jié)拍碼 節(jié)拍數 節(jié)拍碼 節(jié)拍數 1 1/4拍 1 1/8拍 2 2/4拍 2 1/4拍 3 3/4拍 3 3/8拍 4 1拍 4 1/2拍 5 1又1/4拍 5 5/8拍 6 1又1/2拍 6 3/4拍 8 2拍 8 1拍 A 2又1/2拍 A 1又1/4拍 C 3拍 C 1又1/2拍 F 3又3/4拍 表4-3 各調1/4節(jié)拍的時間設定表 曲調值 DELAY 曲調值 DELAY 調4/4 125毫秒 調4/4 62毫秒 調3/4 187毫秒 調3/4 94毫秒 調2/4 250毫秒 調2/4 125毫秒 表4-4簡譜對應的簡譜碼、T值表 簡譜 發(fā)音 T值 簡譜碼 簡譜 發(fā)音 簡譜碼 T值 5 低音 64260 1 6 中音 9 64968 6 低音 64400 2 7 中音 A 65030 7 低音 64524 3 1 高音 B 65058 1 中音 64580 4 2 高音 C 65110 2 中音 64684 5 3 高音 D 65157 3 中音 64777 6 4 高音 E 65178 4 中音 64820 7 5 高音 F 65217 5 中音 64898 8 高音 0 4.5 燈光控制模塊 如圖3-4所示，單片機I/O接口P0.0到P0.7分別經電阻與二極管負極連接額，組成彩燈控制電路。由硬件電路圖可以看出二極管正極與電源相連，根據二極管的性質可知，如果單片機輸出端P0.1～P0.7中任意一個輸出低電平時，與之相連接的二極管就會接通發(fā)光，正極高電位，負極低電位符合二極管的導通條件，相反當單片機輸出端輸出高電平時，二極管中沒有電流通過，熄滅。 這里采取的是離散傅立葉變換的快速算法（簡稱FFT），提取信號頻譜是它頗為得意的一個應用方向，而且這種方法在頻譜分析方面經常用到，效果很是明顯。所以，這里希望通過FFT算法控制頻譜彩燈。 放大的音頻信號經過ADC采樣之后，模擬量信號就變成了數字信號。當然，這一過程也必須滿足一些特定的要求，那便是采樣定理，它要求采樣頻率必須要大于信號頻率的兩倍。模擬量信號經過采樣得到的數字信號，按頻率抽取算法，做FFT變換（快速傅里葉變換）。假設N個采樣點，通過FFT之后，就可以獲取這N個點的FFT后果。如果采樣的頻率是Fs，有N個采樣點數，經過快速傅里葉變換以后，任意一點n（n值從1起）體現的頻率公式表達是：Fn=(n-1)*Fs/N；這一點的模值比N/2就得到了關于對應頻率下的信號的幅度（如果直流信號就比N）。這里涉及到的具體過程都是由單片機內編制的程序控制完成，在輸出端口輸出對應的電平信號，控制LED燈的亮滅。 4.6 系統實驗仿真 系統仿真（system simulation），顧名思義，就是希望按照系統剖析的目標，在剖析系統各個部分特點及其彼此關系的基本層面上，建設一個能夠形容系統構造或動作過程的、且擁備合理的邏輯關系或數量關系的仿照實體的模型，用它來進行實驗和定量分析，目的是為了擁有各種信息為做出恰當正確的決策所服務。 系統仿真在系統設計方面的作用是巨大的：仿真就是實驗，可以系統地收集和積累各種利于完善該系統的信息；仿真模型可以簡單明了的預測、分析和評價以后會遇到的各種問題；分解問題，使復雜問題簡單化，便于分析；刺激思維，促進人腦設計構造更加合理優(yōu)化的相似方案。 近年來隨著計算機仿真技術的高速發(fā)展，單片機仿真技術也隨之取得了巨大提高。就現在看來，能夠用于單片機仿真的工具實在不勝列舉，雖然作用類似，但是它們的工作重心都不相同。一些主要測試軟件，比較注重驗證算法；另外一些用于硬件仿真的工具表現出的能力似乎有限，甚至于對有些較為復雜的硬件仿真已經束手無策。Proteus軟件在單片機CPU及其外部器件仿真方面表現出優(yōu)良能力，廣受好評。 Proteus仿真軟件的優(yōu)越特點主要有以下幾條： （1）面對單片機軟件仿真系統的標準它表現的盡善盡美，無一不足； （2）仿真能力及范圍寬泛，模電、數電、單片機及外圍電路都可以用其仿真； （3）目前支持的單片機類型范圍比較寬泛，主要有68000系列、51系列、AAVR系列等，在應用方面都相當普遍； （4）支持有效的存儲擴展及外圍設備的引入，能夠更加準確的模仿系統的具體工作。 本次設計方案使用Proteus來實現系統仿真，具體步驟描述如下： 第一步：安裝Proteus軟件，打開其繪制電路圖的界面。 第二步：按照之前所敘述的選用電路元件添加系統仿真所需的電器元件，依據設計的電路原理圖連接電路元件和芯片端口完成該電路圖。本設計所需元件有：AT89C51、LED燈、電動機、LM386、揚聲器、ADC0832等。 第三步：制作仿真文件，設置單片機屬性，將程序音頻信號等加入。 第四步：單擊繪圖界面的開始圖標，仿真執(zhí)行，音樂噴泉開始運行，根據運行狀態(tài)進行源代碼的調試。 總結與致謝 經過這次的畢業(yè)設計讓我學到了好多很扎實，很實用的東西。 對音樂噴泉有了一個充分的認識。我們都知道水是生命之源，與我們的生活息息相關，世間萬般物，水是最吸引人們注意力的。音樂噴泉，把水和音樂結合在了一起，讓我們不僅感受到了音樂的魅力，陶冶性情，更讓我們感受到了水的靈動，令人無限向往。音樂噴泉的發(fā)展也經歷了一個繁瑣又崎嶇的過程，但是最終還是受到了極大地好評，而且音樂噴泉已經漸漸扮演起了很重要的角色，融入了我們的生活，成為了我們生活中不可或缺的一部分。在2016年的20國集團峰會的文藝現場，大型的音樂噴泉作為晚會的開場，可以明白其中的意義。所以，我認為在將來，音樂噴泉依然會有其用武之地，其發(fā)展會越來越好。 本次設計我所做的是小型音樂噴泉的控制系統。在我的理解中，小型音樂噴泉造型優(yōu)美，并且具有控制簡單可靠，成本較低，經濟實用的特點。 對自我能力有了一個質的提升。加深了我對單片機技術、數控技術和機電一體化系統等知識的理解，方便以后再相關方面的應用。復習C語言課程，自學protei99 SE軟件并使用該軟件繪制電路原理圖。通過解決設計過程中遇到的各式各樣的問題，獲得更多的知識以提升自己的專業(yè)能力。 這次畢業(yè)設計的題目我能夠順利完成，這與 老師的幫助是分不開的，是她不辭辛苦悉心教導，若不是老師提出的許多有建設性的意見和指導，我相信我不會把這次的設計完成的這么漂亮。從設計方案的選擇，硬件電路的設計，軟件的設計，程序的編寫直到最后仿真系統的制作完成，每一階段的工作都受益于許老師的督促與指導。 另外，這次畢業(yè)設計的完成與我同學的熱心幫助也是分不開的，我們相互激勵，互幫互助，互相找問題，查閱資料，討論問題，解決問題，這一過程讓我們彼此的專業(yè)能力都有所提高，也令我們對自己，對彼此有了一個新的充分認識，我們收獲的不僅是知識還有友誼。 參考文獻 [1]李啟丙. 高精度多功能時間校驗儀的研究與設計[D]. 電子科技大學, 2009. 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