基于单片机的音乐喷泉双喷泉功能实现

装订线毕业设计（论文）报告纸摘 要现在人们的生活富足了，开始追求精神生活了，很多家庭以及社区都注重景观的布置。作为人造景观产物的音乐喷泉，它把音乐和水柱的变换相结合，从而可以极大地使喷泉艺术更加丰富与多样。随着音乐，喷泉的高度随音乐而变化，LED灯随着音阶变化逐步点亮逐步熄灭，动感的音乐和水相融合，令观众陶醉其中。单片机价格低廉，性能稳定，以此来设计的音乐喷泉具有极高的社会及经济效益。本文简要介绍了以AT89C51系列单片机为主体的设计，辅以WIFI继电器、云辉蓝牙播放等模块加以改进。关于整个系统的硬件和软件设计，音乐喷泉双喷泉功能实现的方法以及调试过程，阐述了整个系统设计之总体架构。关键字：AT89C51；人造景观；单片机；音乐喷泉IABSTRACTNow peopleundefineds life is rich, began to pursue material and spiritual life, many families and communities pay attention to landscape layout. Music fountain as one of artificial landscape, it combines music and water, camp unique humanistic landscape, greatly changed the fountain art monotonous characteristics. Along with the music, the height of the fountain changes with the change of the music, and the LED lamp lights out gradually with the change of the sound scale. The dynamic music and the water blend together, which makes the audience intoxicated. Single chip microcomputer is cheap and stable in performance. The music fountain designed by this method has high social and economic benefits. In this paper, a single chip microcomputer of AT89C51 series is used as the main body, and the WIFI relay and bluetooth playing module are used to improve it. The hardware and software design of the whole system,the method of realizing the function of the double fountain of music fountain and the debugging process.The overall structure design of the whole system is introduced.Key words: AT89C51; artificial Landscape; single Chip Microcomputer; Music FountainIV目 录1 绪论11.1本课题研究的主要内容12 音乐喷泉双喷泉功能的总体设计22.1控制系统的总体设计22.2系统总体结构图33 音乐喷泉双喷泉功能的硬件电路设计43.1控制系统43.2信号采集43.2.1音频放大模块概述43.2.2采样53.3单片机电路63.3.1单片机概述63.3.2单片机的选用73.3.3时钟电路的设计83.4模拟数字转换电路83.4.1AD芯片概述83.4.2芯片与单片机的链接93.5喷泉电机电路设计103.5.1电机电路总体设计104 音乐喷泉双喷泉功能的软件及程序设计134.1整体流程图134.2水泵软件设计134.3灯光模组144.4ADC0832模块程序设计145 音乐喷泉双喷泉功能实现的方法以及调试过程165.1实验仿真165.2硬件电路焊接175.2.1准备材料175.2.2焊接注意事项185.3硬件调试18总 结19致 谢21参考文献20附 录211 绪论1.1 本课题研究的主要内容音乐喷泉是技术与艺术联系的产物。水柱的高低错落与8个LED彩灯的变幻巧妙结合给人以极大地视听大享受。不同高度的水柱结合和转化，并根据不断变化的灯光的美丽的光芒，以此形成了一个奇妙景观。该设计采用了一种简单、稳定的AT89C51单片机。在这种设计中用这种单片机可以实现音乐之播放、水泵之控制、彩灯之变化。该芯片性能以及稳定性极佳，芯片设计的结构非常明了简单，芯片的使用非常容易上手，此芯片售价低廉可使成本大大降低。本设计辅以WIFI继电器、蓝牙播放模块加以改进，使音乐喷泉设计的实用性更强，操作更加方便。本设计选用了ESP8266-5V-WiFi继电器，云辉MP3蓝牙音频模块无损解码板。设计控制的核心是AT89C51。这个MCU包含具有128个字节的RAM、 4K字节的闪存。输入和输出端口总计32个，2个定时器以及5个中断。依据采集到的详细的数据信息把相关信号输出到8个炫彩彩灯、音乐扬声器、水泵水量的控制。此论文设计的单片机一共由两方面组成，一方面是硬件的研究，另一方面就是软件的研究。在硬件的研究中分为了AD转换模块的研究及设计、灯组和水泵模组的研究及其设计同时还有电路控制方面的研究及其设计。在此次毕业设计中软件方面的研究设计主要有主程序的编写以及子程序和采集转换程序的编写。此设计所用的编程语言均为51系列的C语言。2 音乐喷泉双喷泉功能的总体设计2.1 控制系统的总体设计音乐通过输入端口传送到AD转换芯片进行转换，把转换得到的数字信号传送到单片机进行处理。水泵以及8个一组的LED灯组分别和各自的输出端点相连接，通过单片机控制实现各自功能的实现，从而完成乐曲管控喷泉的水柱高低。系统的总体框图如图2-1所示。图2-1 控制系统总体框图音乐可以通过外部装置进行播放，如VCD、DVD以及蓝牙等或者它可以通过计算机来发挥。喷泉的启动与停止都和音乐的有无有关。当施加上音乐时就是音乐信号，此时单片机感受到了音乐信号便通过了转换器输出信号到单片机。单片机控制LED彩灯的照明状态。此次毕业设计设计了一种可以实现水柱高低变换以及灯光模组的8个灯的点亮状态。音调的决定是由物体震动的频率所决定下来的，从而我们选用了单个单片微机用来控制声音的不同频率从而产生不同信号音调的输出。2.2 系统总体结构图图2-2 系统总体结构图本毕业设计采用了一个6V的电源分别为单片机系统和水泵供电，从而稳定了整个系统的稳定性并且极大地延长了其使用年限，提高整个系统的使用价值。本设计就双喷泉功能的实现展开电路设计，有以下几大部分组成，分别是：51单片机部分、水泵设计部分、灯光以及音乐播放部分组成。 3 音乐喷泉双喷泉功能的硬件电路设计3.1 控制系统控制系统的总体结构见图3-1。图3-1 控制系统总体结构框图3.2 信号采集3.2.1 音频放大模块概述本毕业设计采用了市场上销量极好的 LM386模块，这种模块是一款低电量消耗的，同时它的电压增益可以根据创作者本身所需的量度来进行调节从而满足设计者所需。LM386放大器电路由三个阶段组成，分别是：第一级 差分放大电路此电路有4个放大管，Ts和T6作为T的有效载荷，T2：J3和L信号从管底输入Tz管双端输入。镜像电流源作为有源负载。第二级 共发射极放大电路默认标号为T1的放大器管，用来增大负载系数。第三级 PNP型管用于反相输入的引脚是引脚2，用于同相输入的引脚是引脚3。此模块是一个OTL单电源供电的电路。输出电容连接输出端以及输出的负载。发射极连接了T2与R1的输出端口从而形成了反馈路径同时又和R6形成了反馈网络，从而把电压增益变得及其稳固。示意图如图3-2和3-3所示。图3-2 LM386内部电路原理图图 3-3 音乐信号放大采集电路图该模拟信号由一个高频脉冲采样，以及对应于该脉冲的相应的模拟信号的振幅中取出，得到连续的离散脉冲图案。对于输入的初始的信号，需要对其进行脉冲表示，以此来获得模拟的信号表示。计算机只识别数字信号，对于输入的模拟信号需要通过AD芯片进行转化，只有转化过的信号才可以被计算机采纳，然后进行数据处理。以上便是信号采样原理。为了使我们的结果更加精准，我们应当遵循采样定理所定的采样频率，以此我们在对连续音乐采样时才可以确保其重建后的模拟信号的准确性与完整度。现实生活中，一般使用频率的2倍的最高频率。主要是为了避免混叠失真。例如我们所选取的音频频率为40-5000Hz之间，采样频率为10kz。3.3 单片机电路3.3.1 单片机概述单芯片微型计算机是指计算机CPU、数据存储、指令存储、定时器和输入/输出接口电路、中断控制器、模拟数字转换器、数字模拟转换器、调制解调器等，它们被集成在一个芯片上。 MCS51是Intel MCU系列的通用称号。 它有40个引脚，其功能如下：40脚是为正极，此引脚需要接入电源为正5v；20脚是Vss接地线；19脚接外部晶振；18脚接外部晶振；39到32脚为双向输入输出口，对应于P0.0到P0.7，可以发送地址数据。能够调用8只TTL管；1到8脚为P1.0到P1.7是准I/O口，52与其不一样，52可以调用4只TTL管；21到28脚是准I/O口，这些端口可以发送地址和操作4个TTL管。在单芯片微型计算机的P2.0到P2.7端口；其10到17引脚为P3.0到P3.7，这些端口具有内部上拉电阻和具有第二个功能的8位双向I/O端口。9针是复位输入。电平为高时端口才可以有效；31脚是选择信号输入线；29脚为外部输出作用，当电平为低的时候此端口才会生效；30脚是输出锁存作用，电平为高的时候端口才可以打开生效。见图3-4 MCS51 单片机引脚。图3-4 51单片机引脚3.3.2 单片机的选用C51单片机是 RISC内置闪存微控制器。芯片上的闪 存连接到用户的产品。用户可以随时对它进行修改以及更新，有很大的灵活度，更加贴近用户的实际操作，实实在在方便客户的设计。单片微控制器RISC架构处理速度极快，允许复杂的指令，时钟周期只需要一个周期既可以执行，就可以实现每个兆赫兹指令执行可以实现1个百万条定点指令每秒处理的速度。 89C51单片机的工作电压为2.7到6.0V，可以优化功耗。此类型单片机被大量适用于工业工程管理，计算机外设以及家电通信等行业。因为微控制器品种不单一，在选取微控制器时，应根据真实设计要求买取相匹配的微控制器。譬如，我们设计的产品只需要嵌入式微机的定时器的功能的时候，可以选用89C1051系。不选用52系的原因是因为同等条件下，52系价位比较高，性价比比较低。当然，假如设计空间要求十分高，那么，微控制器的选择也必需合乎程序空间的要求。下面我们来比较89C51和89C52：表3-1 51和52的比较版本数据存储器程序存储器定时器中断51系列128B4KB2552系列256B8KB38在本毕业设计中，我们选择价格低廉，实用性广泛的单片机来完成课题设计。音乐喷泉适用于住宅、社区以及酒店大厅的景观布置。其控制系统之设计尤为重要，是本课题研究的重要方面。3.3.3 时钟电路的设计51单片机内含有高增益反相放大器以此来形成振荡器。XTAL1在这里作为放大器的输入，XTAL2作为放大器的输出。12MHz的晶振并联于两个20uF的电容上以此就构成了性能稳定，构造简略的自激振荡器。如图3-5：图 3-5 时钟电路的设计3.4 模拟数字转换电路3.4.1 AD芯片概述该芯片有如下特征：（1）体积小；（2）兼容性强；（3）性价比高；（4）8位分辨率；（5）双通道A/D转换；（6）电平兼容TTL / CMOS；（7）5V供电；（8）执行任务的频率250KHZ，转换任务的时间32S；（9）耗能仅为15mw；（10）8P双列直插式。3.4.2 芯片与单片机的链接如图3-6所示，芯片接口说明如下：（1）CS_ 低电平使能；（2）CH0为模拟输入端，输入通道号为0；（3）CH1为模拟输入端，输入通道号为1；（4）GND代表0电位，其端口为接地端；（5）DI代表信号输入，选择控制；（6）DO代表信号输出，转换输出；（7）CLK代表时钟输入；（8）vcc/ref表示电源电压输入。图 3-6 AD芯片内部引脚图3-7 芯片与单片机的接口电路单片机的ALE信号消息传送给AD芯片后，ALE消息就成为了AD芯片的时钟信号。此时单片机采用12兆赫兹的时钟频率。ALE等于2兆赫兹，而且之后由 四 个被分割，它是500 KHz 的 作为 ADC0832的时钟频率。使用 P2 .7 决定A / D转换的开始和读取换算后的数字量。ALE和START相连。经由 NOR门由 P2.7和 WR信号提供的信号是由 P0.2-至P0.0供给的3比特通道地址传到 AD芯片中。以此用来锁存所选通道的数量。 转换后，信号EOC将被用作查询信号。具体的接口电路示于图3-7。3.5 喷泉电机电路设计3.5.1 电机电路总体设计图3-8 电机电路设计图本设计的两个电机电路的设计主要有三极管控制部分以及电机滤波稳压部分组成，如图3-8所示。电机分别并联一个瓷片电容，此设计选用的瓷片电容的容量是0.1uF ,组成电机的旁路口电容。电机的正极连接三极管的集电极，发射极连Vcc，基极和1K的电阻串联连入单片机的P3.7和P2.0口，以此来达成一个电子开关的作用。3.5.2 电机电路设计分析三极管作用：图3-9 PNP型三极管原理图以及实物图市面上常见的三极管的类型大致有9012、s8550、9013、s8050等几种型号，其中前两者是PNP型，这两种PNP型三极管可以调用。后两者是NPN型三极管，可以调换使用。本设计中的电路中的三极管选用的是PNP型的，在此电路的主要的作用就是开关作用。如图3-9，PNP型三极管原理图及其实物图，使三极管平滑的一面对着本人，所示引脚自上至下别为ebc。两种类型原理图的电流方向指向有一下两种：PNP三极管指向里面，NPN指向外面。三极管为一种电流放大元件，含有三极，分别是代码表示为C的集电极，代码表示为B的基极，代码表示为E的发射极。三极管主要有以下几种作用：（1）电流放大如图3-8所示，基极电流用Ib表示，是从三极管B（基极）流到C（集电极）的电流。发射极的电流有代码表示为Ie。Ib与Ie流向集电极，因此用箭头在发射极处表示电流的流出方向，并且以此来判断三极管类型。Ic(集电极电流)受Ib(基极电流)的管制，ib中的一个小变化将导致ic中的一个大变化。这个变化满足特定函数关系。Ic变化量是Ib变化量倍，为电流放大之倍数。基极和发射极间加入一个小小的变化，这就导致Ib的变化，进而放大Ib变化，从而引起Ic巨变。若Ic流过特定电阻R后，由欧姆定律可算电压。这样咱们就可以增大电压信号了。（2）偏置电路放大电路在特定实际应用中需要结合特定偏置电路。这样可以使集电极产生一些电流，当Ib减小时Ic相应的也要减小，反之Ic相应增大。（3）开关作用如图3-8所示，因为受到电阻 R12以及R13的限制（R12和R13是固定值）Ic的数值不会继续增大，会有一个限值。当Ib的增大，不需要使Ic持续增大的时候，就成了饱和态的三极管。在饱和状态里面，Uce就会很小，就可以等同于开关断开。当Ib=0时，三极管进入截止态，Uin约等于Uce,就等同于开关闭合；若只在截止以及饱态工作，就可以当做电子开关来使用，从而能够达成喷泉水柱的变换。（4）所连结负载的工作状态如图3-8所示，如果将R12和 R13分别当做灯泡，那么当Ib=0时，Ic=0，灯泡就会灭。假定Ib比较大时进入饱和，等同于开关闭合，灯泡点亮。如果Ib从0开始逐渐增加，则在晶体管未饱和之前，灯泡的亮度就会增加。瓷片电容作用：直流电机产生一种形如脉冲信号的电气噪音，如果不去减弱或者消除此种电气噪音会干扰水泵电机电平的稳定性，最坏的情况可能会突破电平峰值，进而破坏水泵电机之正常运作，破坏了整个设计之稳定性。因此本设计要在电机加入旁路电容以此来消除电气噪音。直流电动机产生的大部分电气噪声都是由刷子引起的。它是由电刷和换向器触点的开口产生的。电容可以把电压尖峰消除掉。本设计是把瓷片电容直接并联在了电机旁边，从而保障电机以及系统的稳固运转。4 音乐喷泉双喷泉功能的软件及程序设计4.1 整体流程图图4-1 整体流程图由图4-1可知，音乐喷泉双喷泉系统模块的软件设计主要分为三大部分，分别是AD信号转换程序、彩灯控制程序、水泵控制程序。本设计最主要的部分在于AD芯片信号转换以及转换后的信号怎么控制彩灯以及水泵的工作。4.2 水泵软件设计单相潜水泵结构明了，本钱低，支配便利。本设计用51单片机来控制的单相潜水泵，其输出端口P2.0、P3.7经过三极管Q1和Q2的控制并与俩水泵相连。当P2.0端口输出的电平0时，三极管进入饱和区，喷泉电机停转。反之，当P2.0输出的电平为高电平时，三极管进入截止区，潜水泵运转。由此可以得到喷泉水柱变化。4.3 灯光模组本设计的8个彩色LED灯都是连接在单片机的P0口上，如图4-2所示8个彩灯与单片机连接图。图4-2 单片机与灯光模组的连接4.4 ADC0832模块程序设计表4-1 通道转换表MUX AddressChannel #SGL/DIFODD/SIGN0100+_01_+10+11+图4-3 工作时序与通道选择图AD模块转换数据的原理见图4-3以及表4-1。（1）在a/d转换过程中，cs使能量端低，并保持到转换完成。时钟脉冲从CLK进入，DO/DI就要设置成为输入功能。（2）起始信号设置第一个脉冲信号要把DI置为高，第二和第三个脉冲信号下沉时要设置DI输入2bit数据，开启选择功能。如表4.1所示，当SGL和奇数数据分别为1和0时，CH0被设置为单通道转换。当SGL和ODD数据分别为1时，CH1被设置为单通道转换。当此SGL和ODD数据分别为0时，就要把 CH0设置成IN+,CH1设置成IN-。 当此SGL和ODD数据分别为0和1时，就要把CH0设置成IN-, CH1 设置成IN+。（3）在下沉到第三个脉冲信号之后，do/di端需要读取和转换数据。（4）在下沉到第四个脉冲信号的时候，DO最高位为DATA7。（5）每个信号在第四个脉冲信号消失后，就会输出下一个位的数据。数据的输出一直到第十一个脉冲信号的数据为DATA0时，此时AD芯片才把1Byt的信号转换完成。转换结束以后要把转换的8byte的数据输出。（6）最后把CS置1，AD芯片转换结束，而后进行数据处理。5 音乐喷泉双喷泉功能实现的方法以及调试过程5.1 实验仿真本设计选用了Keil uVision4来进行程序的编写与编译，选用Proteus 8 Professional来进行电路的仿真。代码调试图见附录B，电路调试图见附录D。Proteus的明显特点如下：（1）在同类的仿真产品里面，Proteus具备很大优势。（2）Proteus有模拟和数字电路仿真，单片机和外层电路仿真功用。（3）随着软件技术的提高，现在最新版本可以仿真大多单片机的型号。（4）支撑很多的存储器以及外围设施。由于其他条件的原因，本设计的仿真局部无法完成。步骤描述如下：第一步：点击Proteus 8 Professional，开启其界面。第二部：点击ISIS图标进入绘图界面，点击File新建一个工程。第三步：根据电路图添加所需组件并正确连接。本设计所需元件有：AT89C51、LED灯、ADC0832、LM386、扬声器等。第四步：点击单片机芯片，加入仿真文件。第五步： 运行仿真，并根据运转状况调节源代码。5.2 硬件电路焊接5.2.1 准备材料本毕业设计电路设计所用的材料清单详见表5-1。表 5-1 电路设计材料清单名称规格标号数量电容110uFC1, C32电容220C2, C42电容3104C5, C7, C93电容4220uFC6, C82发光二极管LED0D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D88喇叭喇叭8wLS11电机5-10VM11三极管9012Q11电阻1KR1至 R88电阻10KR91可调电位器10KR101电阻4.7R111电阻1KR121按键SWS11电源开关电源开关SW11AD采集芯片ADC0832U11单片机单片机U21功放芯片LM386U31晶振12MY115.2.2 焊接注意事项焊接注意事项如下：（1）各成分的焊接顺序是：从小元器件到大元器件。（2）严格遵照在PCB上由狭缝所显示的标的目的，从而使芯片、所述基座、所述印刷电路板对应于所述间隙。（3）焊点要焊实焊劳，避免虚焊造成接触不良。（4）容量较大的圆形电容时, 正极是引脚较长的。（5）单片机芯片焊接的时候注意引脚是否完全插入。（6）电位器焊接时要注意其焊接的标的目的, 它的旋钮对应于pcb的凸方向。（7）在焊接电阻的时候，我们需要多少就取出多少，并及时标注阻值，以便之后的焊接工作。（8）安装相同规格后，安装另一个规范，并设法使电阻相一致的水平。焊接后，把长引脚用斜口钳剪掉。（9）当焊接集成电路，首先检查如果所使用的模型和销位置满足要求。当焊接，第一焊接沿着脚的相对侧上的两个销来定位它们，然后从顶部焊接到底部从左至右。（10）关于引脚过长的元器件，焊接工作结束以后，把长出的引脚剪短。（11）焊接完成后要查看各条焊线以及焊点，检查是否有短路和开路。（12）焊接导线的时候要注意焊点要完全焊住铜线，避免绝缘体引起断路。（13）全部焊接完成以后，最好用专用的清洁剂清洗电路板，把多余的铁屑清除掉，免得惹起电路的短路，构成元器件损坏。（14）焊点锡时，锡不应过多。在焊点处焊锡成为锥形时就是一个好的焊点。5.3 硬件调试 在检测过程中，把整个设计通电检测，发现了部分模块不可以正常工作。用万用表检测各个模块，发现了大量错误。模块引脚存在虚焊造成接触不良，单片机引脚连接错误，各个引脚间跳线的焊接很乱，对后期的检查带来了很大的不便。该设计的硬件电路主要特点：电路的所运用的元器件均为市面上的一般元器件，功能稳固，价钱廉价；焊接使用的散件较多，所要连接的引脚也非常多，要合理规划跳线连接，优化电路。 在检测初期，电路存在很大的问题。通过查阅资料，把电路连接进行改正，电路已经运行良好。总 结通过本次毕设的设计，发现了自身还存在很大的不足。不过， 经过这次毕业设计的锻炼，我自己不但把大学以来所学习的知识进行了一次复习、整理、回顾和巩固，而且也学到了不少新的知识，它极大地提高了我的动手能力和自主学习能力,树立了对知识运用之信心。坚信会对之后的学习生涯、工作生涯有着非常大的协助，使自己充分体会到了设计过程中的喜悦。在整个设计以及硬件制作中，我一方面收集资料，深入学习C51单片机的知识； 其次，有必要购买相应电路的元件，并在仿真软件上绘制原理图。按照硬件电路设计原理图正确焊接。通过51单片机专用的烧录板把程序烧录到单片机里面。最后进行调测，发现并解决问题。在设计中，考虑不全面。总的来说，我学到了许多我在课本中无法学到的知识。同时，我也运用了独立完成任务的能力，以及解决问题的方法和问题。问题的分析能力。在整个设计过程中，我看到了自己在理解专业知识方面的缺点，以及很多知识，没有完全掌握。在整个设计过程中，我学到了很多我在课堂上学不到的知识。这是我在这个设计中获得的最大收获和财富，我从中受益匪浅。因此，无论做什么事情，都要掌握扎实基础，这样自己才会有底气。参考文献1李升.单片机原理与接口技术.北京:北京大学出版社，2011：11-20.2戴娟.倪瑛.张琪.单片机技术与应用.北京：高等教育出版社，2017：1-15.3李华.胡汉才喷泉设计设备手册.北京：高等教育出版社，2006:20-23.4刘美玲.邓荣.数字电子技术基础.北京：清华大学出版社，2017：14-16.5李汉.基于单片机的单相电动机调速方法及其实现.广州航海高等专科学校学报,2004-12(24).6张均.廖建波.小型音乐喷泉控制系统设计，江西农业大学学报,2015-4(8).7吴金戌.沈庆阳.单片机实践与应用.北京：清华大学出版社，2002：10-12.致 谢经过几个月的拼搏，结业设计论文终于敲定了。 首先我要由衷地感激我的导师严成成。 本毕业设计论文从开始选题到写作完成，到处都可以透露出严成成老师的心血。 如果缺少严成成导师的指导，我将无法完成毕业设计论文。 严成成导师的指导对我有很大的帮助，我也受益匪浅。另外，我要感谢电气工程学院物联网应用技术专业的所有老师。感谢所有老师为此毕业设计提供的很多