【《基于单片机的音乐喷泉控制系统设计》7200字（论文）】

基于单片机的音乐喷泉控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u14537摘要 619102第1章绪论 851921.1本文研究的背景及意义 8235101.2国内外的发展现状 8270001.3本文设计内容 924028第2章系统的总体设计 1026302.1系统的总体方案 1010222.2系统的工作原理 1017612.3系统的设计要求 1010051第3章系统硬件的设计 1280453.1硬件系统整体电路 12221813.2单片机最小系统的设计 12129933.2.1AT89C51单片机 13157213.2.2时钟电路 16305223.2.3复位电路 16317523.3采集电路的设计 17203953.4显示模块的设计 18298263.5灯光硬件的设计 20128683.6音乐模块的设计 2125534第4章系统软件的设计 22199044.1编程软件的介绍 2262334.2主程序设计 22212174.3系统仿真测试 23306594.4系统仿真结果 2524926第5章结论 3023222参考文献 3120329附录一 32PAGE\*Arabic9摘要随着绿色观念和社会经济的发展，音乐喷泉是近年来成为城市休闲娱乐一道亮丽的风景线。它集于声、光、色、形于一体，展现出独有的魅力和现代化信息技术。本论文设计一款以AT89C51单片机为控制核心的音乐喷泉控制系统,该系统利用滑动变阻器作为模拟采集装置对外部音乐攻放强度进行采集，通过LMO16L型模数转换器数字化处理，转换后的数字量传输到LED液晶屏幕上，根据分贝数值的大小，灯光颜色进行不断变化，电机转动喷泉工作，给人们带来休闲娱乐的环境氛围。关键词：音乐喷泉、AT89C51单片机、控制系统、模数转换器ABSTRACTWiththedevelopmentofgreenconceptandsocialeconomy,musicfountainhasbecomeabeautifullandscapeforurbanleisureandentertainmentinrecentyears.Itintegratessound,light,colorandform,showingitsuniquecharmandmoderninformationtechnology.ThispaperdesignsamusicfountaincontrolsystembasedonAT89C51MCU,Thesystemuseslidingrheostatasanalogacquisitiondevicetoacquirethatattackandreleaseintensityofexternalmusic,WiththedigitalprocessingofLMO16Lanalog-to-digitalconverter,theconverteddigitalquantityistransmittedtotheLEDLCDscreen.Accordingtothedecibelvalue,thelightcolorchangesconstantly,andthemotorrotatesthefountaintowork,whichbringspeoplearecreationalenvironment.Keywords:musicfountain,AT89C51singlechipmicrocomputer,controlsystem,analog-to-digitalconverter第1章绪论1.1本文研究的背景及意义音乐喷泉如今成为城市快节奏生活中独特的风景,它对空气不仅有净化作用，还有利于营造美好的氛围。伴随着科学技术迅猛的发展，集于动人的音乐、灯光的闪烁、喷泉的形状，结合人脑的智慧一体，以音乐声音、视觉形象、颜色变换三种置入人心的效果。这个时代，很多人民广场、公园内，营销中心门口外可以看到各种各样的喷泉，喷泉线条婀娜多姿，与彩灯的变换交相辉映，达到艺术的效果，给人带来听觉和视觉上的盛宴，让人们驻足观看，拍案叫绝。音乐喷泉在喷射的过程中通过系统的功能不断循环得到绿化使用，提高了水资源的利用率。同时，喷泉还有利于提高空气的湿度。社会不断的向前发展，人们的生活条件上了一个更高的台阶，同时景观设施有了更高的要求，现代化的景观园林设计中，水资源成为关键的一环，音乐喷泉对于景观设施来说是非常重要的。所以不论在人民公园设计中、都市建设中、还是小区规划中，音乐喷泉的设计和出现都会带来质的变化。音乐喷泉如今广泛应用到很多场合如公园，观光旅游区，开发中心门口，给人们生活带来了无限的乐趣和美观的视觉效果。渐渐地喷泉成为一种产业在发展，喷泉设计公司抓住人们的视野与好奇心，不断推广这个开发项目赢取大量的利润，从而给喷泉产业带来了更好的势头，同时也影响到其他产业的发展，如旅游业，房地产业等都会带来积极的一面。随着音乐喷泉规模不断扩大，城市的环境质量标准会不断提高，有利于文明城市的建设与发展。1.2国内外的发展现状音乐喷泉具有独特的魅力和观赏价值，常在广场上、宽阔的水面上、城市人民公园中等。喷泉的形、声、色三位一体相结合构成了一道靓丽自然景观，与城市的高楼建筑、花草树木交互融合，突出自然环境蓬勃的活力。给城市建筑带来了自然环境气息，同时提高了城市环境标准，为人们带来了舒适的休闲娱乐场合。人们在高质量的生活中逐渐对设计提出了很高的要求，渐渐音乐喷泉作为产业来进行发展。截止目前，国内呈现出百家音乐喷泉公司，国内相对势力比较出名的公司有REF_Ref16038\r\h[1]:北京东方鸣泉喷泉设备有限公司，北京中科水景科技有限公司，长沙喜马拉雅音乐喷泉有限公司等。这些公司接单于在全国甚至国外大型音乐喷泉的设计工作，从工程初期设计、制作流程、安装与调配提供健全的服务系统。伴随着国内高新技术的掌握，从现实应用状况了解到国内音乐喷泉公司生产设计与国外在水平和质量上差距在逐渐缩小。再完善好水型和灯光实时紧跟音乐这块就能保持很大的竞争力。新加坡圣淘沙观景区有一处音乐喷泉被誉为亚洲喷泉之最，它的设计效果是独具匠心的。它的整体选位是在宽阔且有斜坡的平台上，和圣淘沙车站前的音乐喷泉共同连接在一起。白天时有假山的瀑布和左右两侧喷泉群形成动静结合的意境，晚上呈现出美丽动听、绚丽多姿的画面。国内的音乐喷泉在音乐伴奏、强度、平衡性、音乐内容的表现等方面还有发展的空间。目前，国内外的音乐喷泉仅仅表演的歌曲内容有限，很大程度上由于音乐喷泉演奏程序复杂、开发和调试难度也较大。1.3本文设计内容本文设计出一款集于声光色三位一体的音乐喷泉系统。首先明确系统设计要能够实现的状态和预期目的，同时还要掌握系统各模块的功能要求后有着清晰的设计思路，最总设计出以单片机AT89C51为系统核心的总体方案。先对硬件系统各模块进行设计，主要有单片机的最小系统、采集单元模块、显示模块、灯光硬件等。其次掌握编程方法，用汇编语言对系统软件进行编程，绘制出相应的原理图，最后在Proteus软件上进行仿真出结果，从而达到本论文设计的要求。

第2章系统的总体设计2.1系统的总体方案系统设计总体结构包括单片机的最小系统，AD转换模块、音乐采集模块、显示模块等组成。各个模块的综合设计完成了整体设计流程，整体设计框图如下：图1系统结构总体框图2.2系统的工作原理本系统的设计过程是以单片机AT89C51为控制核心，工作过程是利用滑动变阻器作为模拟采集装置对外部音乐信号进行采集，AD0832转换器对采集到的信号进行数字量处理，通过单片机数据处理结果输送到LMO16L液晶显示屏，根据设置的四个频率段彩灯开始交替变化，电机转动音乐喷泉管开始喷水REF_Ref16110\r\h[2]。2.3系统的设计要求论文设计的音乐喷泉控制系统具有结构简单，性能比较稳定，便捷的用途，性价比高，使用范围广，同时还有一些功能和要求：整个控制系统都是基于单片机AT89C51为核心开展设计，能够明显看出整个系统的工作过程和实现音乐喷泉彩灯变化。（2）选择使用LMO16L显示屏来便于观察数据。（3）选用AD0832转换器对采集到的音乐信号转化为数字信号。（4）需要调整滑动变阻器作为模拟装置采集外部音乐的强度，改变滑动变阻器值就可以使LCD屏幕上的数值不断变化。（5）LCD显示屏上数据设置四个频段，0-65DB分段，亮红灯；65-130DB分段，亮黄灯；130-190DB分段，亮绿灯；190-255DB分段，亮蓝灯。每个频段都会对应彩灯的一种颜色。第3章系统硬件的设计3.1硬件系统整体电路系统的整体电路是以AT89C51为核心的单片机的最小系统、滑动变阻器以及ADC0832模数转换器构成的采集装置、LMO16L液晶显示、灯光硬件、水泵和电源供电所组成REF_Ref16182\r\h[3]。硬件系统电路如图2。图2硬件系统电路图3.2单片机最小系统的设计单片机的最小应用系统是指以单片机为配置核心处理信息的最小系统。单片机的最小系统主要有单片机、复位电路、晶振电路、输入与输出口REF_Ref16218\r\h[4]。显而易见的单片机是整个系统的大脑，能够完成对系统设计的条件及需求。单片机的最小系统如图3。图3单片机最小系统3.2.1AT89C51单片机本系统采用AT89C51单片机为核心来进行设计任务，它具有灵活性高、价格低廉、体格小，高质量、功效显著，应用性广等特点，同时它也具有带4K\t"/item/AT89C51/_blank"字节的FLASH\t"/item/AT89C51/_blank"存储器，低电压、性能高的CMOS8位的微处理器，能够完美契合51单片机适合于很多控制应用领域中。图4AT89C51实物图AT89C51的主要特性如表1所示：REF_Ref16260\r\h[5]表1AT89C51的主要特性AT89C51引脚如图5所示。图5AT89C51引脚图AT89C51引脚说明如表2所示。REF_Ref15061\r\h[6]表2AT89C51引脚说明3.2.2时钟电路时钟电路能够具有像时钟一样为单片机提供精准运动轨迹的振荡电路，如果单片机在缺少时钟环节下工作就会不同寻常。时钟电路相当于一个晶振电路，它具有接口简单，高性价比，使用广泛等鲜明的特点。它可以以稳定的速率和零误差的运行。因此在系统工作过程中不会存在时间上出现延迟的问题。时钟电路本自身无法直接对单片机控制，它能作为一个动态指令通过程序去运行单片机REF_Ref16430\r\h[7]。晶振电路如图6所示。图6系统晶振电路图3.2.3复位电路复位电路的作用就是可以使电路回到初始状态。它的操作过程与计算器有一定的相似之处，类似于计算器的清零按钮的发挥的功能一样，计算一次回到开始状态，重复进行计算。复位电路有两种操作方式：一是在电路在通电时进行手动复位的操作；二是基于程序与电路处于工作状态时选择自动进行操作REF_Ref16472\r\h[8]。本次对单片机系统的设计，采用了第二种自动复位方式去实现。系统复位电路如图7所示。图7系统复位电路图3.3采集电路的设计本系统的采集电路我选择的是ADC0832转换器和一个滑动变阻器组成。ADC0832是NS公司出品的串联接口的8位AD转换器，通过三线接口和单片机相连接。它具有耗功率低，体格小，性能高又价格低廉，适用范围广等突出的特点。ADC0832能够提供8位分辨率的模数转换芯片，它具有256级的最高分辨率，可以应对一般模拟量的转换要求。它具有以下功能特点：基准电压是5V；采用5V单电源进行供电；输入的模拟信号电压范围控制在0-5V；输入、输出电平和TTL与CMOS兼容REF_Ref16512\r\h[9]；具有两个输入通道根据需求进行选择；转换率高。ADC0832转换器引脚功能见下表3。当滑动变阻器采集到外部信号时，ADC0832转换器是对外部采集到的模拟信号作出数字化处理，处理数据通过单片机显示在LED屏幕上。音乐采集电路如图9。图9音乐采集电路图表3ADC0832转换器引脚功能3.4显示模块的设计当单片机接收到数字信号的处理，经过分析计算通过液晶显示屏更直观的展现出来。本系统采用LMO16L液晶显示屏显示出音频的强度，强度的大小改变彩灯颜色的变化。LMO16L电路如图10。图10LMO16L电路图LMO16L与其他传统显示模块相比，它具有体积小、重量轻、便于操作、功耗小、显示字迹清楚等独特的优点，可以显示多样的字体，包括数字、字母、符号等基本的数据。下面介绍下它自身的工作参数：REF_Ref16557\r\h[10]显示容量为216个字符芯片的工作电压范围是4.5-5.5V工作电流是2.0mA模块的最佳工作状态电压为5.0V字符的尺寸约为2.954.35mmLMO16L具有16个引脚，其引脚功能如表4所示。表4LMO16L引脚功能说明3.5灯光硬件的设计由于系统设计条件有一定的限制，频谱彩灯采用功率小、四种颜色不同的发光二极管。在本次灯光系统设计中，12个发光二极管的阴极分别单片机P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7端口连接，其中12个0.1K与发光二极管进行串联。了解到发光二极管的工作性能时，当二极管处于低电平时发光状态，反之停止状态REF_Ref16596\r\h[11]。灯光硬件电路如图11。图11灯光硬件电路3.6音乐模块的设计音乐模块的设计是基于采集到外部的音乐声响，根据不同的音乐声响改变音乐的风格。当音乐声响大的时候，说明音乐偏向爵士摇滚风格；当音乐声响低的时候，说明音乐风格偏向于轻柔缓和的风格；当处于两者中间时候，说明音乐风格偏向清亮欢快的风格。这种设计给音乐喷泉增添了不同风格的主旋律。图12音乐模块电路图第4章系统软件的设计4.1编程软件的介绍Keilc51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言编程软件系统，与其他汇编语言相比，C语言具有在工作性能上、结构梳理上、读取状态上、运行维护上独特的优点，便于学习和应用。Keil主要功能是能够提供宏汇编、C编译器、连接器、库管理和耐用性强的仿真调试器等构成一套功能强大的任务需求，但也需要一个稳定的开发环境状况，与这些功能共同组成于一体。在使用Keil软件编程时，需要WIN98、WIN2000、NT、WINXP等进行辅助的操作系统REF_Ref16678\r\h[12]REF_Ref15358\r\h。KeilC51软件编程时，它 有库函数作强大的支撑，同时还有全面功能的一套研发和调试的指导，有着整个Windows工作界面。最重要的是，看到汇编代码时一目了然，就可以亲身体验到Keil的优点所在。本次系统选用keilvision4版本，软件工作的页面如图13。图13Keilc51工作界面图4.2主程序设计软件设计部分包括两个方面组成;一方面是主程序的设计；另一方面是子程序的设计。程序初始化后，进入AT89C51的主函数,其中主函数进入一个循环状态，其流程图如图14。清楚的是，采用的是调压函数去调动模数转换函数，进行模数转换过程中，先对输入的启动位作业、然后选择输入的通道，最后进行数据的存读，数据需要进行两次的转换：一次是从高位移入数据，一次是从低位移入数据。当程序进行第二次读取时，可以检验下数据读取是否正确，数据读取有问题就回复到0，读取数据正确时就回到转换数据中REF_Ref16737\r\h[13]。本次主程序设计中，是由AD转换显示的数据大小去控制彩灯闪动的频率和彩灯闪烁的数目。图14主程序流程图AD转换器处理数字量结果越大，说明采集外部到音乐强度越大，对应彩灯也会在对应的频率段常亮一段时间。当不断调动滑动变阻器的值时，根据数字量输出数据的结果彩灯交替变化，音乐喷泉随着彩灯变化达到理想的动态展示结果。4.3系统仿真测试安装完软件Proteus7.8和KeiluVision4来共同完成系统的仿真。具体操作流程如下：打开下载完的KeiluVision4软件的界面，打开状态栏建一个工程并命名，按自己的设计思路分别完成各模块程序的编程，编程过程中要注意格式和字符正确，编程完对程序点击保存按钮，然后对程序进行检查和编译，显示中没有error，有warning出现时影响不大。编辑完生成一个能够执行的文件REF_Ref16822\r\h[14]。编译后出现的显示结果如下图15。图15编译后的结果完成好Keil软件的工作任务后，接下来打开Proteus7.8仿真软件，对设计的电路图进行检查与合理布局，检查到错误时及时进行处理，然后对设计的电路图保存，最后点击AT89C51单片机，显示出状态栏，把Keil中执行文件输入到单片机中，点击播放开始显示仿真结果REF_Ref16864\r\h[15]。输入执行文件如图16所示。图16输入执行文件图4.4系统仿真结果输入执行文件后，开始点击播放按钮进行系统仿真。用滑动变阻器作为模拟装置对攻放音乐的强度进行采集，经过ADC0832模数转换器的数字化处理，数字量最终显示到LCD液晶显示屏模块上，第一次调动滑动变阻器的值在显示屏上显示音乐强度为207DB时，彩灯显示为蓝色，喷泉处在喷水阶段。显示结果如图17所示。图17仿真结果(2）用滑动变阻器作为模拟装置对攻放音乐的强度进行采集，经过ADC0832模数转换器的数字化处理，数字量最终显示到LCD液晶显示屏模块上，第二次调动滑动变阻器的值在显示屏上显示音乐强度为131DB时，彩灯显示为绿色，喷泉处在喷水阶段。显示结果如图18所示。图18仿真结果(3)用滑动变阻器作为模拟装置对攻放音乐的强度进行采集，经过ADC0832模数转换器的数字化处理，数字量最终显示到LCD液晶显示屏模块上，第三次调动滑动变阻器的值在显示屏上显示音乐强度为69DB时，彩灯显示为黄色，喷泉处在喷水阶段。显示结果如图19所示。图19仿真结果（4）用滑动变阻器作为模拟装置对攻放音乐的强度进行采集，经过ADC0832模数转换器的数字化处理，数字量最终显示到LCD液晶显示屏模块上，第一次调动滑动变阻器的值在显示屏上显示音乐强度为57DB时，彩灯显示为红色，喷泉处在喷水阶段。显示结果如图20所示。图20仿真结果第5章结论音乐喷泉如今成为城市绿化环境，人们休闲娱乐的活动场所，从刚开始喷泉的单一形状，固定音乐到发展为多种类、花型交叉配合得完美无暇。音乐喷泉逐渐变成一项产业，具有巨大的发展前景。本文在设计前先保持一个清晰的思路，接下来了解到各模块的实现的功能及要求，提出系统总体设计的方案，对硬件各模块分别进行设计，包括AT89C51单片机系统、显示模块、采集模块，模数转换器、彩灯设计等，硬件设计完对软件程序编写，编译过后确保无错误出现通过Proteus仿真软件显示出结果，仿真结果符合设计思路，能够达到设计所需及功能，设计出一款结构比较简单、低功耗的音乐喷泉控制系统。它具有使用简单，应用广泛，外型结构优美的优点，充分体现出高性价比和耐用性的基本准则。整个系统选择单片机AT89C51为控制核心作为设计的开端，利用滑动变阻器作为模拟采集装置对外部音乐的强度进行信号采集，接受到的外部音乐攻防信号经过AD0832型模数转换器选择数字化地处理，处理后的模拟量经过单片机数据处理结果输送到LMO16L液晶显示屏，调节滑动变阻器的值去改变数字量，当滑动变阻器的值向上调动时，说明外部采集到音乐声响较大，与此相反采集到的音乐声响较小。依据设置频段的大小，彩灯进行不断变化，音乐喷泉开始喷水。当追求完美设计功能的同时，也需要注意到可以改善的方面：自身还要不断完善理论知识的学习，动手操作环节还需要不断磨练，在今后的空闲时间中，自己还要加强单片机及汇编程序这方面知识和逻辑的学习，多去锻炼和掌握技能，争取能够独立完成系统的设计。

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