小型音乐喷泉控制系统设计

本科毕业设计

题目小型音乐喷泉限制系统设计

院系机械学院

专业.机械设计制造与其自动化

姓名

学号

学习年限2013年10月至2017年6月

指导老师职称

申请学位

2017年5月23日

小型音乐喷泉限制系统设计

学生姓名：指导老师:

摘要喷泉作为一项美丽的建筑艺术与人文景观，以水设景的方式在中外历史上

都很有特点，在人类历史上留下了光辉的印记。好的喷泉就仿佛是一个精致的艺术

品一样，它的价值不仅仅在于欣赏，还有颇高的令人宠爱的好用价值。本次设计的

内容主要是用单片机制作一个声控喷泉，对象为直流机限制的一个水泵，最终实现

喷泉的喷水高度按音调凹凸进行同步的变更。这里接受模数信号转换、程序限制信

号输出、PWM变频调速等方法，提出了一种较为先进的音乐喷泉设计方案和限制途

径。

关键词：音乐喷泉单片机直流机变频调速

Designofsmallmusicfountaincontrolsystem

Author'sName:Tutor:

ABSTRACT：Fountainasabeautifularchitecturalartandculturallandscape,

thewaythewaterinthehistoryofChineseandforeignhistoryarevery

characteristic,inthehistoryofmankindleftagloriousmark.Agood

fountainislikeafineartwork,itsvalueisnotjustwatch,therearequite

highpracticalvalue.Themaincontentofthisdesignistouseasingle-chip

productionofavoicefountain,theobjectoftheDCmachinecontrolofa

pump,andultimatelytoachievethefountainofthewaterlevelbythepitch

levelofsynchronizationchanges.Heretheuseofanalogsignalconversion,

programcontrolsignaloutput,PWMfrequencycontrolandothermethods,put

forwardamoreadvancedmusicfountaindesignandcontrolmethods.

KEYWORDS：musicfountainSCMDCmachineFrequency

目录

1引言...................................................................0

1.1本课题的探讨背景.................................................0

1.2本课题的探讨意义.................................................1

1.3音乐喷泉在生活中的诸多作用......................................1

1.4本课题的基本内容.................................................2

2总体设计方案..........................................................2

2.1方案比较.........................................................2

2.2单片机的特点与应用...............................................3

2.3音乐喷泉限制系统整体设计........................................5

2.4系统框图.........................................................6

3音乐喷泉限制系统硬件设计..............................................7

3.1音乐信号的采集...................................................7

3.2单片机电路.......................................................9

3.3A/D转换电路....................................................10

3.4潜水泵调速硬件方案设计.........................................12

3.5灯光硬件方案设计................................................14

3.6元件清单.........................................................14

4喷泉限制系统软件设计.................................................16

4.1喷池数据.........................................................16

4.2主程序框图......................................................17

4.3限制潜水泵软件设计模块.........................................18

4.4歌曲存储模块....................................................19

4.5灯光限制模块....................................................22

4.6系统试验仿真....................................................23

总结与致谢...............................................................25

参考文献.................................................................26

附录28

1引言

1.1本课题的探讨背景

音乐喷泉作为人文景观中一项不行多得的建筑艺术，这条靓丽的风景线在中外

历史上都享誉盛名。上世纪八十年头以前.，喷泉只作为一个技术细微环节被排水和

美化专业施工人员所运用，从构思，设计，生产，测试，到最终的工程安装没有形

成规模。只有在展览厅和公园等公共建筑可以看到一些小喷泉，产品设计水平相对

简洁，效果是单一的。上世纪八十年头起，社会的进步风气起先上升，国民经济取

得了肯定的复原和发展，人民生活水平和科学技术水平均有明显改善与提高。一些

城市的相关部门对于喷泉提出了推陈出新的要求，他们的目的是希望将新型的音乐

喷泉应用到城市建设、城市改造的过程中，还包括喷泉的景观设置和文艺空气的设

计与制造方面。对建筑、园艺、水利科学院、高等教化探讨所等机构来说，他们获

得了一个机遇，在综合了土木工程、供排水系统等一些工科技能后，再加上当时先

进的单片机技术以与机电限制理论，依据学术理论变更特定量达到限制电磁阀和直

流电机调速的目的，设计并制造了一批与之前全然不同的喷泉设备，营造了全新的

景观效果，收到良好的社会和社会反应。同期，部分具有加工喷泉设备专业实力的

工人和具有独到眼光的投资人合伙建厂或者成立研发公司，这些工厂以与公司的发

展推动了我国喷泉行业的进步，为喷泉的行业的发展供应了中坚力气，奠定了坚实

的基础。其次十世纪90年头以后，社会风气推动思想解放，各界人士的观念都发

生了天翻地覆的变更，在物侦生活渐渐得到满意的社会背景卜，他们起先留意精神

生活，对高品质的文化氛围和优雅的生活环境有了需求。就是因为这样，有市场就

会有商品，有商品就会有更好的商品，与此同理，喷泉行业亦取得了巨大的发展。

喷泉已经不单是公园、花园和广场的专属品，起先延长到人们的各种社会活动中。

就在这一时期，研发和制造喷泉的工作室和工厂顺应潮流萌芽生长，以至于壮大起

来。喷泉设计人员把现代工业的各种相关技术都应用到了喷泉中，把喷泉行业的技

术水平推上了一个新高度，为人们供应视觉震撼的同时也为应用领域开拓了广袤的

领土，人人都起先留意这一特殊的人文景观。中国建筑金属结构协会给水排水设备

分会在2001成立了水景喷泉专业委员会，这一组织有效的调配了各种资源，统筹

支配了发展规划路途，以促进喷泉行业健康有序快速发展为宗旨，希望通过供应各

种服务满意人们的精神追求。在一般高校的建筑专业，园林专业也设置了水景，喷

泉等相关课程，这一举措为喷泉行业的发展供应了学问和人才储备，初衷自然是希

望喷泉行业有更好的发展。自此以后，喷泉产业在人们的希望中进入又好又快发展

的新阶段。

时代在发展，社会在进步，这一切都归结于人的进步，思想的进步，追求的进

步，对健康优雅环境的要求让他们对喷泉情有独钟，特殊是喷泉在城市和社区环境

建设中的作用是无可取代的。于是以高新科技为支撑的各种新型水景在我国纷纷涌

现，音乐喷泉是其中最具代表性的一例，以它悠扬的曲调，动感的节奏，缤纷的花

样，多变的色调折服了观众的心。程序限制喷泉的方式已经成为喷泉艺术呈现的新

的主流形式，现代限制技术与传统人工喷泉的完备结合，通过单片机程序令喷泉水

姿呈现不一样的变更。接受单片机限制技术，通过单片机限制电路以与初始化程序,

完全可以实现喷泉与光的协同限制，形成精美绝伦的活水景观。

1.2本课题的探讨意义

假如把喷泉看做艺术，那么在现代社会的住宅小区和酒店大厅都应当有它的身

影，营造优雅静美灵动的环境的同时增加空气湿度，不单有利于身体健康还能放松

心情。我信任，很多人都有一个同样的疑问：喷泉的关键是什么，我认为是限制系

统。仿照大型喷泉的系统做个小型喷泉，像它一样限制核心接受单片机，可以限制

水泵的电机达到调整水流的目的，彩灯同样可以用单片机限制。限制系统的核心运

用单片机，留意是考虑到它的物理应用特性。比如体积小、集成度高、抗干扰实力

强、工作环境要求不高、价钱便宜、牢靠性高等都是运用优点。在现代社会探讨小

型喷泉的限制系统不但可以带来经济效益还会收获相应的社会效益。在运用成熟水

平制作音乐喷泉的国际背景下，生产厂家为消费者供应了包括系统设计和设备安装

等专业服务。智能化、集成化、多元化已经成为了音乐喷泉发展的主流方向，同时

这一发展方向也对喷泉限制系统的设计者也提出了全然不同的要求，这对工程师来

说既是挑战又是机遇。

本课题探讨的小型音乐喷泉限制系统就是以单片机为核心的，不但可以推广喷

泉在国内的应用，凸显其在美化环境中的作用，还可以有力的推动喷泉限制技术的

发展C对我个人而言，探讨本课题，可以加深我对单片机技术、数控技术和机电一

体化系统的理解，便利学问应用。复习C语言课程，自学protei99SE软件并运用

该软件绘制电路原理图。通过解决设计过程中遇到的各种各样的问题，获得更多的

学问以提升自己的专业实力。

1.3音乐喷泉在生活中的诸多作用

音乐喷泉作为人文景观中一项不行多得的建筑艺术，这条靓丽的风景线在中外

历史上都享誉盛名。音乐喷泉被誉为一项流淌的艺术，音乐喷泉那精美绝伦艺术体

验给人以无限的享受。伴随经济发展的科学技术取得了巨大进步，与此同时，景观

在生活中被越来越多的人关注与憧憬，在现代都市生活的园林景观设计中，水的灵

动已然令其成为了不行缺少的组成部分，音乐喷泉便是其中最为重要的景观，因此

无论是在公园景观布局、城市环境规划与水景制造还是在小区风景的设计中，音乐

喷泉的应用必不行少，其设计与效果更是至关重要的。为了使水灵动起来，音乐喷

泉特殊接受了现代循环系统的设计构想，这样做不仅避开了水池里的水变成死水或

者臭水，在肯定程度上节约了本就匮乏的水资源，达到提高水利用率的目的。音乐

喷泉花姿百态栩栩如生，有很高的欣赏价值。音乐喷泉能够利用水和音乐做出与其

壮丽的声效景观，形随音动，能够表现出很多姿态，形成活泼而又绚烂的景观，是

夜晚的主题。特殊留意，水是生命之源，增加空气湿度来改善生活环境的方法也是

音乐喷泉最重要的作用。

1.4本课题的基本内容

基本任务：设计一个音乐喷泉，限制核心运用ST89C51单片机，对喷水高度的

限制是要实现的目标，要达到这一目标，可以调整水泵的水流量，由基础学问可以

知道只有调整水泵电动机的转速才能完成这一基础任务。那么调整电机转速就成为

我们关注的焦点了。限制系统最核心的部分接受的是程序限制的方法，通过编写精

确合适的程序并将其输入单片机内，外部信号由单片机获得并经程序处理最终输出

预定的数据来限制三极管工作，通过变更加在电机两端的电压进而实现限制水泵转

速的预期目标。输入音频信号，通过A/D转换程序处理等将输出信号作用到三极管

的基极最终限制电机，水流量的变换会呈现出水姿凹凸变更的情形。各个彩灯分别

与单片机的T/0引脚相连，内部程序可以达到每种音调的状态组合的效果。这次设

计方案最惊艳的地方在于是否有音频的输入来确定喷泉启停状态。LED灯也会显示

出一系列变换表示音乐的运行状态。

2总体设计方案

2.1方案比较

方案一：基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉限制系统

优点：在同类的音乐喷泉中该限制系统的采样结果是完全有实力干脆反映音乐

信号强度的，采集音乐信号和该信号后续的处理都是由喷泉的限制器等协作工作来

完成的，这个方法的采样周期是0・1秒。这次系统中补偿方法接受的是限制输出前

馈补偿方式，而这里前馈限制的时间长度可以系统设置的“前馈”时间得到确定。

运用这种时间补偿方式的目的就是要消退音乐与喷泉动作的时间差，因为这种方式

能够满意音乐喷泉前馈补偿限制的需求，实现喷泉动作随音乐的和谐律动。

缺点：系统条件的限制较为苛刻，各硬件组件耍求精密度高，对系统设计者实

力的要求也颇为严格，实施起来比较困难。

方案二：基于全数字集成电路音乐喷泉限制器

这个设计方案接受既能音控又能程控的两用限制器，而且音控、程控可用开关

手动切换。程控时，电位器能够起到的作用是调整速度；音控时，输入音乐的音量

便能干脆限制彩灯，限制思路是以音乐音量的大小来确定彩灯打开组数的多少，音

量越大彩灯亮的组数越多。整个限制系统电路的设计相对简洁，应用普遍广泛，项

目的可行性论证比较牢靠。但是，实现的效果有限，无法达到较高的要求。

方案三：基于单片机的音乐喷泉限制系统

以单片机为核心的限制系统是小型音乐喷泉限制系统中用的最广泛而普遍的。

敏淀的编程设计，丰富的I/O端口，精确的限制单片机的这些特点能够简洁而又好

用的将音乐与喷泉的动作亲密而默契的协作起来。而且这类限制器性价比志向，体

积小，易于操控，简便可行。

经过比较发觉，方案三以单片机为核心的限制系统与本次设计的要求较为符合,

并且经济适用。我认为选取方案三作为这次设计方案较为合理。

2.2单片机的特点与应用

管控功能好、体积小、价钱低是单片机的主要特点。囚为单片机特有的良好的

管制功用和特别灵敏的嵌入质量，在智能仪表、机电一体化产品、家用电器等多个

范畴内在近些年来都获得了特别重要的地位。

2.2.1单片机与其特点

把一台完整的微型计算机浓缩在一个微小的芯片内，就可以把这个芯片叫做单

片机芯片。而单片机内部的主要零部件包括：CPU、RAM、ROM、定口寸器/计数器和多

种I/O口。简洁说，单片机就相当于个微型计算机，能够精确反映它的定义本质

的说法应当是微限制器。

设计单片机的初衷就是想把很多大体积的外围设备和管理中心CPU全部放置在

一个微小的芯片中，令计算机系统最小化，使其能够便利快捷的应用到困难而又要

求极高的限制部分去。

单片机最大的特点就是可以应用特定的程序完成特定的任务，在限制的极端条

件下运用较多，这是其他限制器无法比拟的特殊性。用户完全可以依据自己的限制

需求编写自己的单片机程序，这不仅是智能与效率的体现而且特别牢靠！

2.2.2单片机的应用

单片机独有的特点确定了它必定会受到社会青睐的结果，不论是在工业、民用

甚至事业部门都在发挥着无可替代的作用。也许把它归属为以下不同的应用层面：

表27单片机的应用领域

凭借限制功能好的特长单片机在仪器仪表中广泛运用，与不同传感器协

智能

作可测量不同的物理量。而且仪器仪表凭借单片机已经实现了数字化、

仪器仪

智能化、微型化，而且功能也越来越强大。例如，示波器就接受的单片

表

机。

工业限单片机能够按不同的须要组成不同的限制系统和数据采集系统。最常见

制的例子就是电梯的智能化限制。

很负责任的说，在H前的家电市场上，电器的限制部分绝大部分都接受

家电单片机限制。生活中我们常常运用的洗衣机、空调机、都有单片机的身

影，毫不夸张的说到处都有。

单片机发展到今日，通信接口已经在其上普与，能够和计算机进行实时

数据传输，它作为物质基础在算机网络和通信设备间起到了巨大的作用。

网络通

依照目前的发展状况看，通信设备大体上都做到了基于单片机的智能限

信

制，从固定电话，手机到日常生活中常常见到的移动电话，无线电对讲

机等。

医疗方在各种医疗设备中也普遍活跃着单片机单片机的身影，像医用呼吸机，

面监护仪，超声诊断设备与病床呼叫系统等等。

除了以上工作层面，单片机在办公，营销，移动通信、计算机外部设备等范围

内都在扮演着自己的角色。总而言之，单片机已然成为了限制领域的一个重要方向,

而且会越来越重要。

2.2.3单片机的选择

对于很多专业人士来讲，单片机的的选型是一件极其重要却又很费心思的一件

事情,如若能够获得合适的单片机型号，但就成原来讲，该系统就会节约很大一部分

花销，而且工作牢靠、稳定；如若没有获得合适的单片机型号，系统的运行肯定会出

现反常的现象，严峻的话甚至根本达不到功能预期,在成本方面也会造成一部分奢

侈。

不论是芯片个数还是芯片包含的功能数量都要略大于设计需求，芯片有的功能

尽量靠芯片执行不要接受外部设备替代。购买芯片的时候要买大厂的不买小厂的，

要买产品批量多的不买产品批量少的，尽量选用名牌不用不知名的牌子，在保证质

量的前提下尽量选择价钱低的。这是工程师选择单片机芯片时必需秉承的理念。

对单片机选型，必需考虑儿个因素：

(1)技术性:保证限制系统在肯定范围的技术指标下能够牢靠运行；

(2)好用性:依据厂家以往供货的产品数据分析，选用质量好，耐用的产品，以

保证单片机被应用到系统中之后能长期、牢靠的运行；

(3)可开发性：所选用的单片机必须要有类似程序编辑、仿真调试等可以开发的

手段。

下面我们来比较89C51和89C52：

表2-2AT89C51和AT89c52单片机的比较

数据存储器程序存储器定时器中断

51系列128B4KB25

52系列256B8KB38

通过数据比较与功能需求的分析，本课题中，选用51系列单片机，B|JAT89C51

单片机，完全能够满意设计预期功能的要求。

2.3音乐喷泉限制系统整体设计

A\D

转换模块

图2T系统设计构架

2.4系统框图

就像大家都知道的一样，全部声音的产生源都是振动，声音中音调凹凸主要取

决于描述物体振动的频率，所以我们可以通过单片机来进行频率信号的限制输出，

这样多种音调就能够限制产生了；不同音调所持续的时间也须要限制，这一任务可

以利用单片机的计时系统来完成，简言之，就是实现节拍的限制与变换。音调的流

转和节拍的变换都有章可循，那就是乐谱，依据乐谱排列章法加以变换表现的就是

乐曲的演奏功能。水泵的电动机限制电路和彩灯限制电路要留意，令他们分别与单

片机上相应的输出点连接，每种音调都有和它相对应的一组输出点的开关状态组

合，这一限制就是通过9片机内的程序完成的，就是依据这个过程实现乐曲限制喷

泉的动作的。系统总体结构图如图2-1所示。

图2-2系统总体框图

用于喷泉限制的音乐只要能够输入到限制系统就可以了，用像VCD、DVD一样的

外部设备或者通过计算机干脆播放限制音乐的效果都是一样的。喷泉的启动或停止

状态是通过有没有音乐信号的输入限制的。假如音乐播放时，先将音乐信号放大，

再通过一系列变换，作用到电机上，通过变更水压力来使喷头喷出的水柱达到起伏

的效果，与音乐协作，水随曲动，相互辉映。音乐喷泉的单片机限制系统功能齐全,

包含捕获音乐、启动喷泉、彩灯，喷泉和彩灯的状态通过程序限制输出的信号变换,

所达到的效果包括停止喷泉、彩灯闪和肯定时间内按乐谱曲调为准则的彩灯变换。

3音乐喷泉限制系统硬件设计

3.1音乐信号的采集

按前文所述，此次课题的设计方案拟接受外部音源的音乐喷泉限制系统，要想

利用音乐信号的特征限制此系统首先要面临的一个重大问题就是如何有效的采集

音乐信号。由我们学过的基础学问就可以知道，信号放大和A/D转换这两个相对

独立又紧密连接的过程可以解决采集音乐信号的问题。

3.1.1音频放大电路的设计

音频放大对于这个系统必不行少，因为播放音乐的音源信号的幅度相对来说比

较微弱，为了能够有效全面的利用音乐信号，只有放大原来的音乐信号才能避开系

统对微弱信号的漏采，之后再将信号送入A/D转换器。在这里选择LM386芯片作

为设计音频放大电路的核心。LM386芯片在电子应用中有着不行替代的作用，这都

是由它的特点确定的，功耗低、工作电压范围较宽为412V、所需外围元件少，所

以在相关领域的中应用与其普遍。LM386芯片的内部结构功能包括输入级、电压增

益和电流驱动级。从图3-1可以看出，LM386接受双列8脚封装结构；物理特性

也颇受青睐工作电压范围为ri2V,静态电流4.nA,最大输出功率660矶，最大电

压增益46dB,增益带宽300kHz,谐波失真只有0.2%。

1—GAINGAIN—8

2-IN-BYPASS—7

3—IN+VS-6

4-GNDVOUT—c

图3-1LM386封装形式与引脚定义

图3-2是本次设计接受的音频放大电路，可以看出该电路的详细细微环节。在

LM386芯片的1脚和8脚之间串接一个10微法的电容，如此便能使放大电路的

增益能达到最大值，200倍数(46dB)o前面是放大电路的核心部分，此外图中还

包括对音频放大电路的外围电路进行设计的内容，电路中电容Cl、C6的作用同为

隔直流，电位器P1可以帮你达到想对音量的大小有肯定限制的权利，降低旁边电

路高频噪音，提升输出音质的水平是元件R2、C5所要做的事情。去耦电容C3既

能蓄能还能把旁路产生的高频噪声最小化。

图3-2音乐信号采集放大

3.1.2采样定理

模拟信号经过A/D变换转换为数字信号的过程被称为采样。奈奎斯特发觉了模

拟信号与数字信号之间联系的桥梁，我们称之为采样定理。它作为连续信号离散化

的基本依据反映的是采样频率与信号频谱之间的关系。通常状况下，连续信号又被

称为模拟量信号，离散信号与数字量信号是相同的。采样定理的详细内容描述为“当

对一个模拟(连续)信号进行离散化时，必需满意采样频率fs大于或等于被采样

信号的最高频率fm的2倍，只要这样才能通过志向的低通滤波器，从变换后的样

本值序列信号中精确地复原出原始模拟信号"，此处fm为香农频率。

如图3-2所示,在本次设计中，被放大的音乐信号通过A/D转换变为数字信号,

并以其形式被输送到计算机，这便完成了音乐信号的采样。

3.2单片机电路

采集的数字量音乐信号最终要输入到单片机，并依据输入的信号经过一系列变

换来调整1/。口的输出可平，进而限制水泵和彩灯。前面已经提到，本次设计单片

机主芯片选用AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个低功耗，高性能的51内核的

CMOS8位单片机，片内含4K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有

128字节的RAM,32个I/O口，还包括定时器，计数器，振荡电路等，完全可以满

意我们的设计要求。最重要的是其运用简便价格低廉。

J_

P1.0VCC

P1.1PO.O

3

P1.2P0.1

匚P1.3P0.2

5_

P1.4P0.3

6

P1.5P0.4

7

8-P1.6P0.5

1p1i.77rMU.OA

9

RST_P0.7

1inU------

(RXD)P3.0EA/VPP

111

(TXDJP3.1ALE/PROG

12

(INT0)P3.2PSEN

1J______(INTDP3.3P2.7

I1T4______

15~(TO)P3.4P2.6

16------(T1)P3.5P2.5

(WR)P3.6P2.4

(RD)P3.7P2.3

1QO

19~XTAL2P22

20~XTAL1P2.1

GNDP2.0

图3-3AT89C51芯片

时钟电路的设计

AT89C51芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。XTAL1是反相放

大器的输入端，XTAL2为输出端。输入端与输出端跨接晶振与两个电容就可以构成

稳定的自激振荡器，如图3-4所示。

其中，电容C2也有着不行取代的作用，它作为旁路电容，可以把该信号的中

高频噪声连接到地，减弱系统噪声。而晶振所起的作用就是为限制系统供应最基本

却乂很重要的时钟信号，所以在单片机系统中晶振已经成为不行或缺的一部分。晶

振与单片机内部的电路连接并协作，可以产生单片机运行时所必需的时钟频率，可

以这样形容，假如晶振能够供应足够高的时钟频率，那么单片机的运行速度也随之

足够快。晶振可以供应稳定、精确的单频振荡，是因为一种特殊的晶体（能把电能

和机械能相互转化）在共振的状态下工作的缘由。

连接电

机电路

图3-4自激振荡器

3.3A/D转换电路

经过放大电路的音频信号是音乐喷泉是否有动作的决策者，对喷泉限制系统有

着肯定的限制权，单片机要依据音乐信号对喷泉进行限制，所以，音乐信号应当被

输入到单片机来运用。但是，单片机无法对模拟量信号进行识别并运用，为了完成

这一任务，特地在此加入了A/D转换电路，它的作用就是将放大的模拟量信号转换

为数字量信号输入到单片机，以供限制喷泉动作与灯光闪耀。

本次设计中，AD转爽电路的主芯片接受ADC0832oADC0832芯片主要有这些特

征：8位辨别率、双通道A/D转换芯片，兼容性好，体积小，性价比高，有实力满

意一般的模拟量转换要求。所以，在业内ADC0832吸引了多数人的眼球，被广泛接

受。连接图如图3-5。该芯片转换时间是32〃s,与其他同类产品相比较快，数据误

差小，转换速度快，稳定性强等都是其长相。此外，独立的芯片使能输入也使它的

应用变得快捷、便利、有效。

ADC0832芯片的接口说明如表3-1所示。

表3T表C0832各引脚说明表

接口说明

CS片选使能，低电平芯片使能

CHO模拟输入通道0,或作为IN+/-运用

CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-运用

GND芯片参考。电位（地）

DI数据信号输入，选择通道限制

DO数据信号输出，转换数据输出

CLK芯片时钟输入

Vcc/REF电源输入与参考电压输入（复用）

3.3.1ADC0832与单片机89C51的连接

音乐信号是音乐喷泉的限制量。单片机是喷泉限制系统的核心，但是必需以音

乐信号作为依据，才能发出动作指令，并旦不能识别模拟量信号。而A/D转换电路

可以把模拟量信号转换为单片机可识别的数字量信号。所以，把这两部分结合起来

就可以构成限制系统的输入部分，详细接口电路如图3-5所示。

ADC0832的时钟信号用单片机AT89C51的P1.2限制输入。用P1.0限制A/D转

换的启动，用P1.3限制A/D转换器转换结束后数字量的读取与选择通道。

3.3.2输入电路

在这里，输入电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测的装置。

简而言之，这里仅用音频接收装置将收到的音频信号送入音频放大电路即可（如图

3-2）,而后音频放大信号经AD转换将信号输入单片机就可以了。因为有了这一系

列传输与变换，音乐已经不单纯的拥有背景音乐这一个身份了，它也可以用来限制

整个喷泉是否有动作产生，由此可以说，音乐喷泉最基本的要求已经达到了。

与LM386

输出端相接VCC

18

CSVCC

27

CHOCLK

T6

CHIDO

4

GNDDI

U2

1

P1.0

—ADC0832T单

TPl.I片

PL2

4机

Pl.3

图3-5ADC0832与AT89C51连接图

3.4潜水泵调速硬件方案设计

在本次的设计方案中所选用的水泵型号较小，其内的电动机是直流电动机。所

以，要完成对水压的调整，只要对直流电动机的转速调整就可以了。

目前，行业内对直流电动机的调速方案接受最多的就是变压调速的原理。在变

压调速前提下，调速方案又包括可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。而

这两种变压调速方案又各有千秋，各自表现出自己的优劣。但是，总的来说PWM调

速表现的更好一些。P棚调速系统的开关频率较高，可获得平稳的直流电流,低速特

性好，稳速精度高，调速范围宽;响应快速,动态抗干扰实力强;主电路损耗小，装置

效率高。所以，此处接受变压调速中的直流PWM调速系统，硬件电路图结构也比较

简洁，如图3-6所示。其中，电容起到稳压作用。

这里接受的变压调速原理是通过对半导体开关器件的导通和关断进行限制，使

单片机的输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲。在这个电路中通过单片

机来实现脉宽调制，用软件限制的方式起作用，可以这样理解，软件的延时循环程

序可以变更单片机端口二进制位输出逻辑状态进而产生脉宽调制信号，在程序内设

置不同的延时时间能够得到不同的占空比（输出的PWM中，高电平保持的时间与该

PWM的时钟周期的时间之比）。

单片机接口P3.7VCC

图3-6电机电路图

图3-7彩灯的连接图

3.5灯光硬件方案设计

灯光在音乐喷泉之中的运用尤为重要，在夜里，动人心魄的旋律，百变起伏的

水姿形态，再加以绚烂夺目的灯光效果，会使喷泉的效果最大化，不仅可以成为一

道亮丽的风景吸引人们的眼球，还可以给人们带来3D式的感官效果，心随律动，

眼随水动，绚丽的灯光照亮你的世界，给人以不一样的震撼。所以灯光的选择就显

得更加重要了。

本次设计方案接受LED水下低压彩灯作为闪光彩灯运用。该灯被广袤喷泉设计

者普遍运用，产品机构合理，密封和防护方面都很好，而且色调较为明丽。连接电

路如图3-7所示，其中弓阻的作用是限流，爱护。

3.6元件清单

选择运用的元器件列表如3-2所示。

元件名称元件标号数量

lOuf电容Cl,C32

20pf电容C2,C42

104pf电容C5,C7,C93

220uf电容C6,C82

发光二极DI,D2,D3,D4,

LED8

管D5,D6,D7,D8

喇叭LSI1

电机Ml1

9012三极管QI1

RI,R2,R3,R4,

IK电阻8

R5,R6,R7,R8

10K电阻R91

可调电位

10KRIO1

器

4.7Q电阻Rll1

IK电阻R121

SW按键SI1

电源开关SW11

AD采集芯

ADC0832UI1

片

AT89C51单片机U21

LM386功放芯片U31

12M晶振Y11

表3-2硬件选择表

4喷泉限制系统软件设计

限制程序接受模块化结构，即不同的功能通过单块程序完成，程序中全部用到

的常数或数组都用DATA或DB伪指令定义与命名，以易于程序修改、调试和升级。

4.1喷池数据

喷池数据就是用来对喷泉池内的水泵和彩灯等进行启停限制的限制量数据。一

组特定的喷池数据，就可以确定喷泉和彩灯的一组相对应的变更形态。我们也可以

把组喷池数据叫做花样数据。对一个已经确定结构的喷池，我们可以编写出很多花

样数据，是喷池内呈现出不同的变更形态。

本次设计中喷池接受图4T所示的样例，并简要说明花样数据的编排方法。假

设希望外圈喷头连续喷水，水下LED灯按频谱分析不断亮灭变更。在这期间，中心

喷头是否喷水与水柱凹凸始终连续变更。假如要完成设计预期，该喷池只要1个输

出寄存器就可以了，其各位限制LED灯定义如下：

87654321

以上各位若为1时相应的彩灯亮，为0时不亮，则彩灯数据应为：

00000011B

00001111B

00111111B

11111111B

11111100B

11110000B

11000000B

00000000B

若该花样数据定义为HYSJ01则数据定义如下：

DB03H,OFH,3FH,OFFII,OFCH,OFOII,0C0II,00IL

每次将花样数据输出时都是顺次取一列输出的，且可循环取用。明显这样的花

样数据可以编不少，还可将两个以上的数据搭配起来，组成新的更困难一些的花样

数据。

1S.Tcn，krD灯

图4-1喷头布局例

4.2主程序框图

音乐起先，喷泉启动，其流程图如图4-2所示。音频信号经初始化即放大电路

放大后，被输入到A/D转换模块，将模拟量信号转换为数字量信号。单片机读取转

换结果并保存，经内部程序处理后将结果以电平的形式输出。执行完后又返回到A/D

转换之前再次执行，循环下去。也就是奏曲每停一次（大多数乐曲奏曲中间不会停），

下次再奏曲就重新起先执行程序，即多个乐曲依次轮番循环运用编制好的数据。

图4-2主程序框图

4.3限制潜水泵软件设计模块

前面已经提到，本次设计中我们运用脉宽调制调速系统来对水泵转速进行调整。

脉宽调制(PWM,PulseWidthModulation)是种仿照管制方脉冲宽度调制,它的

本质是运用微处理器的数字输出来对模拟电路进行管理的一种特别有效的技术，普

遍运用于测量、通信、功率限制与变换等很多与生活休戚相关的领域中。

4.3.1潜水泵开关调速的原理

从以前学过的学问中我们可以知道，直流电动机的转速可以通过变更加在它两

端的电压得到变更。PWM调速限制的原理就是按固定频率来接通和断开加在电动机

两端的电源，与此同时，依据须要变更一个周期内接通和断开电源的时间比(占空

比）来变更直流电机电枢上电压的〃占空比〃。简洁形容就是用时间的占空比变更电

压的占空比。这样平均电压也就随之变更了，那么电机的转速也就间接得到了限制。

只须要知道，当电机通日时其速度增加，电机断电时其速度减低。假如我们依据肯

定的规律变更通、断电的时间，那么电机转速也就在限制范围内了。不行忽视的是

接受PWM技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统均无冲击，启动功耗小、运

行稳。

4.3.2潜水泵开关调速的软件设计

单相潜水泵接受单片机AT89c51限制，单片机的输出端口P3.7经变阻器与三极

管的基极连接。经A/D转换输入单片机的数字量信号经过PWM调压程序处理，由P3.7

端口输出电平信号。PWM调压程序限制输出电平的凹凸，依据三极管的工作特性进

而限制电动机两端电压，达到调速的目的。

三极管的工作特性：三极管顾名思义有三个极，分别为放射极（E）、基极（B）、

集电极（C）。简洁点说基极的电流大小干脆限钿着集电极电流的大小，由于是倍

数关系可以起到信号放大的作用。三极管在电路中主要起到电流、电压放大和转变

相位的作用，由于它是非线性元器件，在坐标图上可以划成三个区域，既截止区域、

工作区域、饱和区域。截止状态是指在基极没有电压或没有足够的偏置电流，集电

极输出电流几乎为零，就像一个开关没有施加限制电压被断开一样。工作状态是指

随着基极电流的增加，三极管进入近似于线性的工作区域，此时集电极电流的输出

电流为基极电流的8倍，lb东B=Ic。饱和状态是当基极电流增加到一点程度，集电

极电流增加缓慢或不再增加即此三极管已经达到饱和，三级管就是利用这个特性来

限制电路的通断。

此处随接受PWM调速，但是，其还有不行避开的缺点：有污染电网的谐波产生;

PWM波会令电机、电缆额外发热；电机轴的寿命可能会随着共模电压的产生而降低。

4.4歌曲存储模块

4.4.1音频脉冲的产生

假如要利用数字量形式的音频信号转换成为音频脉冲，我们要做的就是求出随

意一个音频的周期（"频率），然后再取这个周期的一半，简洁说就是求半周期

的时间。每到半周期时间，就把1/（）反相，重复执行这一过程。而在这个过程中，

半周期的时间可以通过计时器得到。那么这个频率对应的脉冲便能在I/O引脚上获

得了。在单片机的内部就有定时器，令定时器工作在计数器模式(M0DE1)下，假

如利用变更计数值THO与TLO便可以产生不同频率的方法来制造不相同的音阶。比

如，音频频率是523Hz,它的周期T是1/523也就是1912ns,所以只须要让计数

器计时956us/lus即956,每次计数956次时把I/O反相,那么中音DO(523Hz)

就得到了。

表4TC调各音符频率与计数值T的比照表

音符频率Hz简谱码(T音符频率Hz简谱码(T

值)值)

低1D026263628#4FA#74064860

mon27763731中5S078464898

低2RE29463835#5S0#83164934

#2RE#31163928中6LA88064968

低3M33064021#693264994

低4FA34964103中7SI98865030

#4FA#37064185高1D0104665058

低5S039264260#1DO#110965085

#5S0#41564331高2RE117565110

低6LA44064400#2RE#124565134

#646664463高3M131865157

低7SI49464524高4FA139765178

中1D052364580#4FA#148065198

#1DO#55464633高5so156865217

中2RE58764684#5S0#166165235

#2RE#62264732高6LA176065252

中3M65964777#6186565268

中4FA69864820高7sl196765283

这里用一个字节表示一个音符，音符的凹凸可以通过对应字节的高4位表示,

音符的节拍就用该字符的低4位表示，表4-2列出来了节拍和节拍码一一对应的状

况。若1拍的时间是0.4秒，那么1/4拍的时间便是0.1秒，要求得节拍对应的时

间通过设定延迟时间的方法就好了。比如说，若1/4拍的时间是DELAY,则1拍对

应的节拍时间就是4DELAY。因此，假如1/4拍的DELAY时间清晰了，依照简洁的数

学原理，其他的结拍时间便是它的倍数，表3-3所列的是1/4和1/8拍的时间设定。

4.4.2音乐程序

依据表4-1所列的音符与T值计数的对应关系建立T值表的依次，假如T值表

建立在TABLE1处，就可以把构成发音符的计数值放在TABLE中了；简谱码（参照

表4-4）是字符的高4位，节拍（参照表4-2）是字符的低4位，如此便可将音符

与节拍码放在限制程序的“TABLE”处了。

表4-2节拍与节拍码的比照表

节拍码节拍数节拍码节拍数

11/4拍11/8拍

22/4拍21/4拍

33/4拍33/8拍

41拍41/2拍

51又1/4拍55/8拍

61又1/2拍63/4拍

82拍81拍

A2又1/2拍A1又1/4拍

C3拍C1又1/2拍

F3又3/4拍

表4-3各调1/4节拍的时间设定表

曲调值DELAY曲调值DELAY

调4/4125毫秒调4/462毫秒

调3/4187毫秒调3/494毫秒

调2/4250毫秒调2/4125毫秒

表4-4简谱对应的简谱码、T值表

简谱发音T值简谱码简谱发音简谱码T值

5低音6426016中音964968

6低音6440027中音A65030

7低音6452431高音B65058

1中音6458042高音C65110

2中音6468453高音D65157

3中音6477764高音E65178

4中音6482075高音F65217

5中音648988高音0

4.5灯光限制模块

如图3-4所示，单片机1/（）接口P0.0到P0.7分别经电阻与二极管负极连接额,

组成彩灯限制电路。由硬件电路图可以看出二极管正极与电源相连，依据二极管的

性质可知，假如单片机输出端P0.1〜P0.7中随意一个输出低电平常，与之相连接

的二极管就会接通发光，正极高电位，负极低电位符合二极管的导通条件，相反当

单片机输出端输出高电平常，二极管中没有电流通过，熄灭。

这里实行的是离散傅立叶变换的快速算法（简称FFT）,提取信号频谱是它颇

为得意的一个应用方向，而且这种方法在频谱分析方面常常用到，效果很是明显。

所以，这里希望通过FFT算法限制频谱彩灯。

放大的音频信号经过ADC采样之后，模拟量信号就变成了数字信号。当然，这

一过程也必需满意一些特定的要求，那便是采样定理，它要求采样频率必须要大于

信号频率的两倍。模拟量信号经过采样得到的数字信号，按频率抽取算法，做FFT

变换（快速傅里叶变换）。假设N个采样点，通过FFT之后，就可以获得这N个点

的FFT后果。假如采样的频率是Fs,有N个采样点数，经过快速傅里叶变换以后，

随意一点n（n值从1起）体现的频率公式表达是：Fn=（n-l）*Fs/N；这一点的模值

比N/2就得到了关于对应频率下的信号的幅度（假如直流信号就比N）。这里涉与

到的详细过程都是由单片机内编制的程序限制完成，在输出端口输出对应的电平信

号，限制LED灯的亮灭。

4.6系统试验仿真

系统仿真（systemsimulation）,顾名思义，就是希望依据系统剖析的目标，

在剖析系统各个部分特点与其彼此关系的基本层面上，建设一个能够形容系统构造

或动作过程的、且拥备合理的逻辑关系或数量关系的仿照实体的模型，用它来进行

试验和定量分析，目的是为了拥有各种信息为做出恰当正确的决策所服务。

系统仿真在系统设计方面的作用是巨大的：