【《基于单片机的音乐播放和喷泉水柱控制系统设计》8700字（论文）】

基于单片机的音乐播放和喷泉水柱控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u12519基于单片机的音乐播放和喷泉水柱控制系统设计 1185831绪论 1186681.1选题的目的和意义 1178401.2国内外研究现状 267301.2.1研究现状分析 2120891.2.2国内外研究现状 276522系统整体设计 3226382.1主要设计依据 3103362.2系统整体设计思路 4164602.3音乐喷泉工作原理 435653系统硬件设计 578813.1主控模块设计 543933.1.1主控芯片介绍 6216643.1.2最小系统电路设计 6241073.2音频模块设计 768233.2.1flash存储器 769213.2.2D类功放器件 7299093.2.3音频模块展示 785213.2.4音频电路设计 8200553.3LED模块设计 8205103.4水泵驱动模块设计 939413.4.1水泵的选型 995783.4.2水泵驱动电机 10170843.4.3水泵驱动电路设计 10316974系统软件设计 11204534.1主控系统软件设计 11323554.2音频采集程序设计 12145104.3灯光控制软件设计 1298995系统测试 13316235.1系统电路板 13395.2系统测试及分析 1424616设计总结 1511316.1设计成果展示 15304366.2设计的收获 15157466.3设计中存在的不足 1631607参考文献 171绪论1.1选题的目的和意义近年来，随着社会公共基础设施日益完善，人们对大自然的关注逐渐转向这个作为娱乐休闲产业的主流项目。为了使人们的身心健康、工作质量和生活品质得到更大的提升，城市生态环境在不断进行改善。音乐喷泉景观纷纷出现在各大广场、公园及户外演出等露天环境中，它的出现给人们带来视觉美感上的享受，在改善城市与周围环境方面更是发挥了重要作用，还能够有效的降低PM2.5含量。为了提升人们的生活品质与促进身心健康，创造出的音乐喷泉是灯光与音乐结合，喷出节奏性且具有较高观赏性的水柱效果。21世纪初，比较完善发展的大中型音乐喷泉深受人们的喜爱，导致小型音乐喷泉的设计很少出现。目前来看，建造过程中需要的控制系统极其复杂，付出的时间、精力比较多，成本也偏高，只能临场观赏，不能移动。因此，我认为创新设计一款室内桌面小型音乐喷泉系统具有很大意义。桌面小型音乐喷泉将替代大型广场式的音乐喷泉系统引入室内，放在办公桌上可供人随时欣赏，是一种小巧灵便、随音源或指定音源发生动态变化的室内观赏品[5]。它是结合喷泉与音乐于一体，以音乐节奏不断变化的形式用喷泉展现出来，最终实现声、光、水、形组合成的音乐喷泉。酒店厅堂、办公室等场所常常可以观赏到这种小型音乐喷泉，一个美妙的艺术品能够给人带来身心愉悦和对环境的美化效果。本文探讨的是基于STM32F103C8T6单片机的音乐喷泉系统，控制系统是以单片机为核心，结合音乐系统，驱动喷泉喷头的水柱变化。整体来看是将小型的室内音乐喷泉，代替大型户外型喷泉展现出来，可放在室内当成观赏品，且小型的音乐喷泉采用的元器件少、成本偏低、所占面积较小，适合放在室内观赏，且方便推广。经过本次课题的研究，对从前单片机技术的学习有更深的了解，培养自己发现、提出并解决问题的能力，从而获取新知识，提高设计报告的撰写能力，同时提升自己的创新意识。1.2国内外研究现状1.2.1研究现状分析社会科技大力发展，提高了人们的生活水平，城市建设过程中喷泉起了重要作用。音乐喷泉、跳跳泉等高新技术的新型水景工程相继出现，音乐喷泉是由单片机程序，控制喷泉形状变化，这是一种新的艺术喷泉。据我所知，我国的大型音乐喷泉得到广泛发展，中科院自动化所已经对音乐信号计算机处理系统进行研究，延时与频谱处理采集到的音乐信号，主控机进行延时处理从音乐信号中采集的模拟信号，实现音乐与喷泉同时工作。市场上大部分使用的是可编程与变频控制的音乐喷泉，来自昆明理工大学自动化系研究出的全自动音乐喷泉，还有一些较高的要求，比如操作与维护方面不能缺乏专业基础知识等。1.2.2国内外研究现状音乐喷泉这一概念最早是由德国发明家奥图皮士特在1930年首次提出，餐馆、百货商店等是他初始建造小型喷泉的地方，经过后来不断改善与发展，音乐喷泉的设计与结构已趋向成熟化发展。音乐喷泉表演在西柏林1952年举办的一场工业展览会中，受到一个美国人的关注，并将它带回纽约，放置于电台音乐会堂。在充分准备后，1953年音乐喷泉于美国首次上演。这场音乐喷泉表演现场观看人数多达100多万人，之后音乐喷泉经过根德皮斯特域加以改善后将其推向全世界，音乐喷泉成本经过长时间改造后被大幅度降低，电脑控制逐渐应用于音乐喷泉领域，音乐喷泉表演也更加多彩壮观。西方式喷泉在18世纪时期传入中国。改革开放以后，我国水景工程迅速发展。后来我国为了适应喷泉过程建设的需要，更是为了打破国内喷泉技术依赖进口的局面，全国各地喷泉设计公司、喷泉设备公司相继成立。近几年出现的音乐喷泉，是结合音乐欣赏和喷泉水景的产物，它的出现使喷泉艺术单调的局面发生了很大改变。并且音乐喷泉有着极高的观赏价值，发展成为一种娱乐产业，它的身影出现国内各大城市。音乐喷泉是一种独特的人工景观，不但给人们带来视觉上的享受，还能激励人的心智，深受广大人民的喜爱。国内外喷泉的发展历史悠久。20世纪80年代前，在园林造景、排水等建筑中喷泉起到辅助作用，尚未从设计、制作到工程安装形成规模，在公园等见到的小喷泉设计也比较粗放简单。20世纪80年代后，国民经济不断发展，提高了人们的生活水平，城市建设中一些园林主管部门在建设和改造过程中，对美化环境和营造文化氛围的基础上又提出了新要求，一些专门研究建筑与水利的设计院、研究所等，结合土建结构实现变量控制，设计出喷泉与水景。取得社会一些反响和良好的社会效应后，出现了很多喷泉设备厂及相关公司加速了喷泉的发展。20世纪90年代后，社会经济快速发展，人们追求更高质量的文化生活与更加注重身边的工作环境，喷泉行业随市场需求不断发展。喷泉不仅出现在公园、广场等场所，出现在各种社会活动场所。为了响应市场需求，越来越多的喷泉设备厂家与设计公司应运而生，为喷泉市场开拓广阔的应用空间，喷泉行业快速发展。现在的一些中专和大学的建筑与园林专业开设的喷泉课程，提供丰富的知识储备与人才，促进喷泉行业的蓬勃发展。2系统整体设计2.1主要设计依据近年来城市建设过程中，公共基础设施不断完善，城市管理者力求建造一个集科技创新与生态文明于一体的优质生活环境。PLC逻辑编辑控制系统音乐喷泉是目前市场上出现最多的，但造价较高，且流量需求大，基本上只为商家专门定制设计。既不利于在城市建设过程中对环境美化作用，也满足不了人们对音乐喷泉欣赏性高的需求。在智能科技发展迅速的背景下，人们对美的要求及精神文化的重视程度日益提升，于是设计一款操作简便的小型音乐喷泉，可以提高人们的生活品质，促进身心健康，美化周围环境，推动社会经济发展。本文针对目前的大型音乐喷泉现状，设计一种基于STM32单片机的小型室内音乐喷泉，进行简单论述设计过程。把一个大型的户外展览品浓缩成小规模的工艺展品，以缩小版的形式实现大型音乐喷泉景观的恢弘之美。创造这种操作简便的音乐喷泉系统，将会对提高城市建设的发展水平具有深远影响，对推动音乐喷泉系统的发展具有重要意义。2.2系统整体设计思路系统整体设计可分为软、硬件两个部分，本系统是以STM32单片机为主控系统，将喷泉控制模块、音频播放模块、灯光控制模块连接至单片机，由单片机实现对整个控制系统进行检测与实现控制，通过音频采集系统检测音乐信号，喷泉随着音乐的节奏变化实现相应的动态变化。STM32单片机内部通过A/D转换对音乐控制模块电路的作用，使水柱喷水随音乐的变化而变化，喷泉水柱的形状随音乐节奏不断发生改变，形成音乐喷泉。本系统均采用的电子器件均低功耗节能，力求做到安全性、便捷性、节能环保相统一，符合城市建设需求、人们物质精神文化及生活水平的发展理念。本系统设计智能系统是以STM32F103C8T6单片机作为主控单元，加上相应的软、硬件模块设计，实现以STM32单片机为核心的音乐喷泉控制系统。由软件编程和硬件设计两部分组成，软件部分分为设定LED灯组的闪亮形式及水泵的喷水方式，硬件设计主要是电路设计。根据其电路与功能特点，本系统主要分为四个模块部分：信号采集模块：开始预处理输入的音频信号，为后面单片机进行数据采集提供便利，主要的是放大和滤波的作用。数字信号处理模块：音频模拟信号在单片机内部进行A/D转换，获得数字信号后，送入音频播放模块，并根据信号强度变化，来确定LED灯组的闪烁方式及水泵的变化形式。音乐播放模块：当今音源多样、音频设备越来越丰富，本系统有音频输入端设置，外部提供音频输入，由电脑等音频播放设备提供音源。驱动模块：主要由一个场效应管构成，以单片机发送的信号为控制源，主要是为水泵提供驱动。2.3音乐喷泉工作原理许多喷泉设备大多安装在天然泉池或人工建造的泉池中，人们可以尽情欣赏喷泉优美的水姿。喷泉的工作原理属于物理范畴，大直径管道的水流流向小直径管道，水流速则会发生一定的变化，最后冲向空中的其他方向。水泵是决定大直径管道中水流速度的重要因素，小直径管道中的水流速，是动量转化速度与原速度的和。因此，根据动量守恒求出口速度，需要建立一个微元方程，水流理想状态下做抛物线运动。音乐喷泉系统与喷泉的工作原理相差无几。音乐喷泉是在程序控制喷泉的基础上加入音乐元素，使音乐、灯光及喷泉形状同步变化。工作原理是：连接电机的水泵控制水柱变化，使其转速稳定不变，变频器调节电源的频率运用单片机内部ADC模数转换代替，控制电机转速。改变水泵供水的压力需要通过改变电机的转速，水柱随之发生相应的变化。2.4系统整体框架设计系统工作过程:由音源提供音乐信号，在单片机内部进行A/D转换，从而实现对电机电路的控制作用，使喷头水柱喷水随着音乐起伏变化产生相应的效果，便形成音乐喷泉。控制系统总体包括四个部分模块:信号采集模块、数字信号处理模块、音乐播放模块、驱动模块。控制系统的总体结构如图1所示。音乐的播放由电脑端下载播放，同时实现单片机对喷泉的控制。由单片机采集到的音乐信号，经过AD转换，音乐模块获取声音，进而控制喷泉的启停。由单片机实现对整个控制电路的作用，最终实现音乐喷泉。图1系统总体结构框图3系统硬件设计3.1主控模块设计该控制系统通过将设定好的程序存入单片机内，对输入的音频信号进行转换等处理，然后将转换后的数字信号输出到音乐播放模块播放。因此单片机在音乐喷泉控制上的具体应用有：1）实现控制功能：单片机采集音频信号将所有模拟信号转换成数字信号，由操控员设定好要播放的曲目后，单片机便会根据音乐的音量、音调和频率这一信息，在所选的音频进行播放后控制喷泉的高低、大小及形状的变化；2）实现同步播放：同步播放是为了保证喷泉水柱喷射与音乐的同步工作[6]。3.1.1主控芯片介绍主控芯片如图2所示，STM32F103C8T6，是一种中等容量增强型的单片机，内部含有的微控制器USB有32位基于ARM核心自带有64K或128K字节闪存的功能，两个ADC转换，七个定时器和九个通信接口等。拥有ARM32位内核的CPU，可提供闪存存储器，时钟、复位等，低功耗及12位模数转换器转换等多种功能。内部接受外部输入的音频信号，将模拟信号转换成数字信号，再送入音频播放模块进行音乐播放。图2STM32F103主控芯片3.1.2最小系统电路设计最小系统电路设计如图3所示，由STM32核心板、晶振、复位电路以及退耦电容等部分组成。STM32核心板：STM32单片机有丰富的I/O口引脚，用到的引脚有PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB12、PB13、PB14、PB15，节约电路的设计成本。单片机采集音频信号，实现对水泵与彩灯的控制需要对I/O口的输出进行调节，单片机功能丰富，能够满足音乐喷泉系统设计。晶振电路：在STM32上的OSC_IN、OSC_OUT外接晶振模块，形成晶振电路，可构成自激振荡器，并产生时钟脉冲信号，作用于单片机。复位电路：在最小系统中，复位电路处于稳态时，退耦电容起到隔离5V电压的作用，提供稳定电压，保证单片机稳定工作。右侧复位按键处于弹起状态，下面部分不产生电压差，则按键和电容C1以下部分的电位均与GND相等(为0V电压),0V电压是正常工作状态下电压。图3最小系统电路设计3.2音频模块设计音频模块设计由内含flash存储器、D类功放及USB音频下载接口的开发板，及扬声器、按键开关等组成。该模块的功能主要是进行数字信号的采集、读取、存储从而实现音乐播放。3.2.1flash存储器由于音乐喷泉要实现音频播放,需要用到的是32Mbitflash存储芯片先进行歌词的存储，再由D类功放芯片来实现音乐播放。flash存储器结合RAM与ROM的优点，能够实现电子编程，将采集到的数据快速读取，防止数据会因断电而导致丢失的情况。3.2.2D类功放器件D类功放器件是指D类音频功率放大器。扬声器的驱动需要通过对开关单元ON/OFF的控制，同时具备体积小、效率高等特点。功放管处理的脉冲频率大过音频信号许多，需要脉冲前后沿保持良好状态，且频率准确性与时钟信号的抖动，会导致复原后信号与原信号不同而失真。实现高保真的前提是要考虑到许多数字音箱保真一样的因素，实现过滤、放大的功能，保证音乐播放出更好的音质。3.2.3音频模块展示音频播放模块如图4所示。音频模块上有多个详细的引脚介绍，flash存储芯片、D类功放芯片以及USB音频文件下载接口等。音频文件通过USB下载口下载，flash储存芯片进行存储歌曲，再经过D类功放的放大过滤作用，最后实现音乐播放功能。图4音频播放模块3.2.4音频电路设计音频电路设计如图5所示。音频电路设计过程为：按键开关可以进行曲目的按键播放，K1、K2、K3分别与音频模块上的IO0、IO1、IO2引脚相连，为按键触发播放乐曲；扬声器正极连接音乐模块SPK+,负极连接SPK-，外接的两个电阻可以进行滤波，使播放的音乐音质无杂音播放。IO独立模式（按键独立控制），8首曲目受IO0—IO7独立控制，指定的曲目IO触发释放，当前曲目播放完后停止；播放时可重新触发，下一首曲目播放，播放结束则停止；若一直触发，则循环播放，最后若停止重新触发，则音乐播放完毕，喷泉停止。图5音频电路设计3.3LED模块设计此模块电路LED灯组使用的是LED彩灯，电路设计如图6所示。为了实现音乐喷泉整体色彩效果，增添了灯光控制电路设计[8]。本系统设计采用一组LED灯组，一组有6个LED灯，等音乐播放可呈现出绚丽多彩的灯光效果。LED1、LED2、LED3、LED4、LED5、LED6与排阻上的2、3、4、5、6、7相连，排阻另一端引脚1接地，再与STM32核心板上的PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5相连，排阻可实现分压，这组排阻起到限流、保护电路的作用，保证LED电路正常工作。图6LED电路设计3.4水泵驱动模块设计3.4.1水泵的选型如图7所示，本系统采用的是微型水泵，这是一个具有抽水口和进水口，能够完成一进一出的进出水功能，排水口形成较大的输出压力的前提是进水口处要持续形成负压或真空，能够进行水柱喷水的效果。水泵工作过程是：由单片机控制系统将采集到的音频信号进行A/D转换，进而控制音乐播放的同时，电机开始驱动水泵喷水。微型水泵需要满足功耗低、体积小及噪音低等需求，常使用于水处理与工业控制，市场上广泛应用与喷雾等用途。 图7微型水泵3.4.2水泵驱动电机水泵驱动电机图8所示。本设计系统水泵在通电条件下电机转动，通过触发开关驱动下，转动产生的压力差，水在压力差带动下不断压入水泵抽水口，从喷水口流出。利用电机转动所产生的动能作用，水能够持续的压入与流出，形成的水流量比较稳定。喷泉的开启和关闭由单片机控制，音乐播放时，单片机会向喷泉发出开启的指令[9]。在触发开关的驱动下，音频播放与喷泉同时工作。图8水泵驱动3.4.3水泵驱动电路设计水泵驱动电路设计如图9所示。电机驱动模块引脚1正极连接+5V电源，引脚2负极接地，IN1、IN2、IN3、IN4分别对应连接STM32核心板上的引脚PB12、PB13、PB14、PB15，进行主控部分的连接；引脚M、A对应连接抽水机的正负极，实现单片机对电机控制系统的作用，进而实现对抽水机的控制，达到音乐与喷泉同步的效果。图9水泵驱动电路设计4系统软件设计4.1主控系统软件设计图10主控系统软件设计如图10所示，音频信号经过放大、滤波后需要对其进行A/D转换，STM32F103C8T6单片机内部自带有A/D转换功能。本次设计的小型音乐喷泉系统A/D转换单元使用STM32F103C8T6内嵌的模拟/数字转换器(ADC)，能够实现扫描转换，在扫描状态下，可以自动进行转换的是被选定的一组模拟输入。首先进行I/O口与ADC寄存器初始化，PWM函数初始化，由中断启动控制，在ADC寄存器内部进行A/D转换，转换成功则读取到转换值，直接输出PWM函数，反之返回重新转换，这便主控系统的软件设计部分。4.2音频采集程序设计图11音频采集设计如图11音频采集模块在STM32单片机内部进行音频信号的采集与转换，单片机接收到音频信号后单片机主控制器开始初始化，将采集到的模拟信号，转换成数字信号输出，驱动电机控制彩灯及喷泉水柱的变化。我们设定将采集到的模拟值最大值为60，则彩灯低电平点亮，期间延时器每隔1秒进行延时处理，需要将采集到的模拟信号，经A/D转换成数字信号输出。A/D转换器将采集到的音频信号进行转换，转换成数字信号以实现对水泵和灯光的同步控制。4.3灯光控制软件设计图12灯光控制设计如图12所示，启动音乐开关控制模式，在单片机获取到音频信号后，通过A/D转换端口读取音频信号的模拟最大值进行转换，喷泉以红灯组的闪烁形式呈现。设无值LED喷泉b>=模拟最大值/6，则红灯1点亮，反之红灯1熄灭；设无值LED喷泉b>=模拟最大值*2/6，则红灯2点亮，反之红灯2熄灭；设无值LED喷泉b>=模拟最大值*3/6，则红灯3点亮，反之红灯3熄灭；设无值LED喷泉b>=模拟最大值*4/6，则红灯4点亮，反之红灯4熄灭；设无值LED喷泉b>=模拟最大值*5/6，则红灯5点亮，反之红灯5熄灭；设无值LED喷泉b>=模拟最大值*6/6，则红灯6点亮，反之红灯6熄灭；最后以仿真的形式展现喷泉的效果。5系统测试5.1系统电路板如图13所示，焊好的电路板用相关的线进行连接后，实现音乐喷泉效果。电机驱动模块水泵驱动音频播放模块彩灯组STM32核心板电机驱动模块水泵驱动音频播放模块彩灯组STM32核心板图13系统电路板（成品）5.2系统测试及分析图14音乐喷泉测试结果如图14所示，音乐喷泉控制系统测试，由电脑端（USB)供电，数据线链接电脑端口与STM32单片机，单片机接收到音频信号开始工作，单片机正常工作后会看见彩灯也在工作，然后由音频模块中提前存入的歌曲导入，再按下音频模块旁边的开关按钮，根据需要本系统设置的有三个开关按钮，按下第一个开关按键为第一首歌，按下第二个开关按键为第二首歌，按下最后一个开关按键为第三首歌，如果水泵能喷出水并且是随着音乐播放的旋律发生相应的变化，则音乐喷泉系统测试结果是没有问题的，这种方法简便又实用，即节省了器件的大量损耗，还能达到音乐喷泉的效果。6设计总结6.1设计成果展示图15音乐喷泉系统成品展示如图15所示，本系统采用STM32F103C8T6单片机芯片作为主控核心，该单片机芯片内部性能较51单片机高，方便扩展使用。系统设计还可以简单地通过修改程序，来改变水泵的喷水方式及LED灯组的闪烁效果。最终设计结果由电脑提供音频输入，在PCB板上焊接，单片机放置在适宜的单片机座上，音频模块、电机驱动模块连接音频模块与水泵，水泵有抽水口与出水口，单片机旁边连接6个LED小灯。音频输出可以通过音频插孔或者自带的扩声器，输入外接音箱。条件允许情况下建议音频输入输出均采用专用设备，会使系统音质更好，可配合灯光和水柱绚丽多彩的效果。6.2设计的收获通过完成这次的毕业设计，在这次设计中发现我们所学的知识实在有限，好在能够请教老师，在指导老师的指导与帮助下完成本设计。在系统设计中，运用单片机控制实现了音乐播放和喷泉水柱；运用仿真软件设计出了控制系统的控制电路程序；运用linkboy4.2软件实现了喷泉灯光和各控制附件的装配测试图，验证了制造安装的可行性、方便性[9]。在指导老师的悉心指导下，我得到很多支持和帮助。不仅提高了我的动手实践操作能力，与指导老师之间的沟通交流能力，更加充分意识到专业的重要性。经过本次系统设计较为艰难的制作过程，最终还是实现了音乐喷泉系统所要求实现的基本功能。这次系统设计，收获了许多东西，实际的是对单片机的基础设备进行了更深入的学习与调试操作，进一步将课堂专业知识与实际应用结合到一起，学会了结合专业知识与实际生活的基本应用。除却所学的知识外，在老师指导下，一方面加深了师生之间的交流默契程度，另一方面也加快了个人完成项目的速度。无论对提高自己的能力还是在与他人之间的交流知识都很有帮助，交流真的很重要!最后我想感谢老师的指导和帮助，让我以完成系统设计的方式来检测自己的专业知识与动手，虽然意识到自己平时学到的知识有限，但是在往后的生活里我会更加用心对待每一件事，毕业设计是一次非常有意义的实际操作，也考验了我的独立思考与动手能力。6.3设计中存在的不足经过整个设计与焊接等硬件制作中，不乏存在一定的缺陷，离预期的目标还有点距离。设计中可能考虑到问题不够全面，比如单片机无法直接驱动水泵喷水，则需要加一个数字开关（电机驱动）提供驱动；对音频信号的采集程序难度较大，则采用ADC转换了解决这一问题；由于使用1W/瓦8R/欧的扬声器，音频播放声音小，水柱跳动的弧度不够大，还待进一步改善。总之，在整个设计制作过程中，我学到许多课外的专业知识，同时提升了独立思考和动手实践的能力，对存在问题的分析能力及解决问题的方法。整个设计过程中，深刻意识到自己缺乏一些对专业知识的领会，许多领域还需待我去深入学习与挖掘。在发现这些不足后，极力完善系统设计中存在的一些问题，但是万事不能达到十全十美，希望在以后的生活中遇见问题或者困难，我依然会以不屈不挠、积极乐观的心态从容面对。参考文献[1]韩国荣,石志孝.音乐喷泉的工作原理及控制[J].演艺科技,2018(08):60-62.[2]周峰.基于单片机的音乐喷泉系统的设计[J].内江科技,2013,34(11):77-78.[3]王志远,刘宣宇.基于单片机输出PWM波控制的音乐喷泉系统设计[J].国外电子测量技术,2018,37(04):113-117.[4]朱翔远.喷泉发展史：起源、演变和展望[D].西安建筑科技大学,2008.[5]王彤.基于51单片