基于单片机的音乐喷泉系统设计

中文题目：基于单片机的音乐喷泉控制系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 外文题目：DESINGOFMUSICFOUNTAINCONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTER毕业设计（论文）共58页（其中：外文文献及译文15页）图纸1张完成日期2017年6月答辩日期2017年6月I摘要随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷泉以其独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。根据目前音乐喷泉的发展现状，本文将介绍一个以单片机为控制核心的小型音乐喷泉控制系统。本文设计的音乐喷泉控制系统是以STC89C52单片机为控制核心的。音乐信号通过功放芯片LM386进行放大，然后再由ADC0832芯片对音频信号进行模数转换，ADC0832芯片再把转换后数字信号传送给单片机，单片机根据接受到数字信号的强弱来对应地控制彩灯和喷泉的变化，从而实现了彩灯、喷泉水姿与音乐节奏的同步变化。经过硬件和软件的调试，最终实现了音乐喷泉的功能。关键词：音乐喷泉；单片机STC89C52；发光二极管；模数转换IIABSTRACTWiththeimprovementofpeople'slivingstandardandyearnforbuildinggreencity,musicfountainismoreandmorepopularforitsuniquecharmandspecialfunctionlargenumbersofmusicfountainisincreasinglybuilt.Accordingtothepresentsituationofmusicfountainnow,controlsystemofminitypemusicFountainbasedonSTC89C52SCMwasintroduced．ThisdesignofthemusicfountaincontrolsystemisSTC89C52microcontrollerasthecorecontrol.MusicsignalthroughtheamplifierchipLM386toenlarge,andthenbytheADC0832chipontheaudiosignalanalog-to-digitalconversion,ADC0832chipandthenconvertthedigitalsignaltothemicrocontroller,themicrocontrolleraccordingtothestrengthofthedigitalsignaltocontrolthecorrespondinglanternsandFountainchanges,inordertoachievethelantern,fountainwaterandmusicrhythmsynchronizedchanges.Afterhardwareandsoftwaredebugging,andultimatelytoachievethefunctionofthemusicfountain.KeyWords:musicfountain；STC89C52；led；Analog-to-dig目录1绪论.......................................................................................................................11.1音乐喷泉的发展现况........................................................................................11.2本课题研究的意义............................................................................................11.3本文主要内容.....................................................................................................22音乐喷泉系统的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ...................................................................................32.1研究内容及设计目标.........................................................................................32.2系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的选择.................................................................................................32.3单片机的选型.....................................................................................................42.4模数转换芯片的选型.........................................................................................52.5微型潜水泵的选型............................................................................................53音乐喷泉系统的硬件电路设计...........................................................................73.1AltiumDesigner软件的介绍.............................................................................73.2单片机电路........................................................................................................83.2.1STC89C52的概述...........................................................................................83.2.2单片机最小系统电路.....................................................................................93.3音乐信号的采集..............................................................................................103.3.1LM386芯片的概述.......................................................................................103.3.2采样定理的应用...........................................................................................123.4AD转换电路的设计........................................................................................133.4.1ADC0832芯片的概述...................................................................................133.4.2ADC0832与STC89C52的连接...................................................................143.4.3输入电路的设计...........................................................................................163.5潜水泵调速硬件方案设计...............................................................................173.6灯光硬件方案设计...........................................................................................183.7解决系统时间滞后硬件电路设计...................................................................204系统软件设计.....................................................................................................214.1keil软件介绍....................................................................................................214.2主程序流程图...................................................................................................224.3延迟程序的设计..............................................................................................234.4ADC0832数据读取的程序设计......................................................................234.5彩灯程序的设计..............................................................................................264.6潜水泵调压程序的设计..................................................................................285系统测试与结果分析..........................................................................................305.1软件仿真...........................................................................................................305.2实验验证...........................................................................................................306结论....................................................................................................................34致谢.......................................................................................................................35参考文献.................................................................................................................36附录A译文............................................................................................................37附录B外文文献....................................................................................................43附录C部分程序....................................................................................................52附录D系统原理图................................................................................................58辽宁工程技术大学毕业设计（论文）11绪论1.1音乐喷泉的发展现况音乐喷泉是高科技与自然的完美结合，充分体验了人们的智慧。世界各地的音乐喷泉体现美的方式也是不尽相同的。以下来举出三个例子来体验以下台湾台中亚哥花园的音乐喷泉、青岛世园会音乐喷泉以及新加坡圣淘沙旅游区的音乐喷泉的美好姿态。青岛世园会音乐喷泉，是中国最大的音乐喷泉，位于李沧区百果山森林公园内天水湖里，大型水舞秀是整个世园会核心园区景观之一，水舞秀的奥妙在于湖水下的数百个喷泉。这些喷泉均安装在一个长120米、宽90米的钢结构平台上，平台可以上下浮动升降，形成水舞 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 演的舞台。水舞秀是水与科技相结合的艺术，伴随或激昂或舒缓的音乐，水柱编织出了种种美妙图案，最高可达80余米。台湾台中的亚哥花园，有一个专为音乐喷泉表演的水舞剧场，以气势磅礴的苍穹为天幕，舞台建筑为意大利罗马式柱廊构成，圆形，用喷泉环绕，有600个喷头，配合着135种变化的灯光，组合成一种载歌载舞的美妙舞姿，水舞时，其形色声光的变化，令人目不暇接，叹为观止。新加坡圣淘沙旅游区的音乐喷泉的设计与效果也是值得参考的，喷泉公司将它布置在一个空旷而略有坡度的空间，面积很大，与圣淘沙车站前的长形喷水池共同组成为一个长达数百名的综合系列喷泉，音乐喷泉位于系列喷泉的顶端。舞台为一假山堆叠的西洋式半圆柱廊组成，共分3层。白天，假山瀑布及两侧的喷泉群与3层水池形成一处动静结合的较为文雅悠扬的水景园，入夜则有五光十色，优美动听的喷泉景观，整个舞台区域东西面阔近百米，南北深度约为40m,成为目前亚洲最大的音乐喷泉之一。表现出壮阔。绚丽的水景之美。随着科技发展，音乐喷泉控制设备与数控喷头都有了很大的发展。喷泉数控喷头已经不再局限于一维、二维亦或是三维，而更倾向于工程公司提供要求而相关技术人员研究开发设备这一模式。1.2本课题研究的意义音乐喷泉应用现代循环系统，能够使水灵动起来，避免了形成死水、臭水，可有效节约水资源，加强废水利用。音乐喷泉造型丰富，可观性强。音乐喷泉可形成壮观的声效景观，配合音乐更为动听，可以形成各种造型，活泼、壮观绚丽多彩的夜景景观，是夜晚欣赏的主题。段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计2音乐喷泉可以利用中水系统，同时音乐喷泉的水可以被绿化用水再次利用，因此能够达到节水的目的。此外，音乐喷泉还可以增加空气的湿度。音乐喷泉是流动的艺术，美轮美奂的音乐喷泉给人以无限的享受。随着社会的发展，人们生活水平不断的提高，提高了人们对景观设计的要求，在现代城市园林景观设计中，水是不可缺少的组成部分，音乐喷泉是十分重要的景点之一，因此不管在公园设计中、还是在城市 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 中、还是在小区设计中，音乐喷泉的设计与应用是至关重要的。1.3本文主要内容第一章：主要讲述了国内外音乐喷泉的发展现状以及其研究背景第二章：给出了系统总的设计方案，以及重要元器件的选型和论证第三章：给出了每个模块的硬件电路设计，如功放模块、彩灯显示模块等。第四章：系统的软件设计、如延迟程序、模数转换程序、调压程序等。第五章：实验验证，系统调试和分析。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）32音乐喷泉系统的设计方案2.1研究内容及设计目标如何设计一种单片机音乐喷泉系统，可以通过AD采集获取声音信号、并通过LED显示，喇叭播放，水泵输出。对该音乐喷泉系统进行整体功能分析，主要实现硬件和主要软件程序方面的设计，对其所选择的主要芯片作简单介绍，分模块来实现其各个部分的功能，做出相应的整体原理图，最后做出实物。通过设计一个以STC89C52单片机为核心的音乐喷泉可以实现声音的采集、音乐的播放、水泵的自动控制、彩灯的变化。是种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的音乐喷泉，具有一定的实用价值。2.2系统方案的选择音乐喷泉系统的设计总共有三个设计方案，分别是基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制系统、基于全数字集成电路音乐喷泉控制器、基于单片机的音乐喷泉控制系统。以下分别对比论证这三个设计方案的优劣，最终选择出一个最佳的系统设计方案。(1)方案一：基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制系统此方案的优点是新型音乐喷泉控制方法的采样结果可以直接反馈音乐强度，并由喷泉控制器与上位机配合工作来实现数据的采集与处理，该方法0.1秒采样一次数据。当利用前馈补偿方式控制输出时，前馈控制时间完全可以由设置的“前馈”时间确定。故可满足实际音乐喷泉前馈控制的需要。可是由于硬件条件的限制以及能力要求比较高，实施较困难[1]。(2)方案二：基于全数字集成电路音乐喷泉控制器此方案分为音控、程控两组的音乐喷泉控制器。控制三组不同的颜色的彩灯，五台不同喷泉造型的水泵。音控、程控可用开关手动切换。程控的速度可用电位器调节。音控时，输入音乐的音量直接控制彩灯，音乐音量小则彩灯打开的组数少，音量大则彩灯打开的组数多。整个电路设计简单，通用，基于工程背景，具有可行性[2]。(3)方案三：基于单片机的音乐喷泉控制系统采用以MCS-51系列单片机STC89C52为控制核心，它自带8K的FLASH程序存储器，它的核心处理单元为8位。数据处理主要是对声音信号进行AD采集，并进行逻辑判断，根据数据的具体情况输出到LED灯控制和喇叭播放、水泵控制。整个单片机应用系统的设段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计4计分为硬件电路设计和软件编程设计两大部分；其中硬件电路设计包括声音采集电路，LED灯电路、水泵电路，单片机控制电路。软件设计部分包括系统主程序，声音信号采集子程序，LED灯控制子程序和输出驱动水泵子程序，均采用51系列C语言编程实现。利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，能够简单而又实用的将乐曲控制喷泉的动作而且以STC89C52为核心的嵌入式控制器，具有性价比高，体积小，易于操作等优点，因此本设计采用该方案，该系统框图如图2-1所示。喇叭功放AD转换电源频谱彩灯显示单片机驱动水泵图2-1系统总体结构框图Fig.2-1Overallblockdiagramofthesystem由图2-1系统框图可知，该系统是由四个模块组成，分别为模数转换模块，功放模块，喷水模块，以及频谱彩灯显示模块，各个模块相互协调，互为一体，从而完成整个所需的工作流程。2.3单片机的选型AT89C52、STC89C52单片机都是实验室非常用的单片机，它们是一种高性能、低损耗、有CMOS八位微处理器。AT89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容，而且能使系统具有许多新的功能，功能强、灵活性高而且价格低廉[3]。AT89C52可组成真正的单片机的最小应用系统，增加系统的可靠性，缩小系统的体积，降低了系统的成本。程序的长度只要不超过8K，四个I/O口能全部提供给用户。系统在运行中需要存放的中间变量比较少，可以不必再扩充外部RAM。而采用STC89C52单片机，其内部有8KB单元的程序存储器(ROM)。并且具有三个定时器，完全可以满足音乐喷泉系统系统设计的功能，辽宁工程技术大学毕业设计（论文）5并且STC89C52芯片价格低廉，实惠。综合比较上述的两款单片机芯片，因此在本次音乐喷泉系统设计中选用STC89C52单片机。2.4模数转换芯片的选型ADC0832和ADC0809都是模数转换最常用的芯片，ADC0832是NS(NationalSemiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用[4]。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。ADC0809与ADC0832不同的是，它具有8个数据转换通道，且其为并行接口，但是这也导致其外围电路比较复杂，价格也贵，导致其性价比不高，并且ADC0832完全能满足系统要求，故在本研究的音乐喷泉系统中模数转换芯片选用ADC0832。2.5微型潜水泵的选型微型潜水泵大概有四种选型，它们分别是交流微型水泵、有刷直流水泵、无刷直流水泵（电机式）、无刷直流水泵（磁力驱动隔离式)。下面分别对其简单介绍比较。交流水泵的换向是通过市电的50HZ的频率变化的，其转速很低，交流水泵里面没有电子元器件，可以耐高温，同样的扬程交流水泵的体积和功率是直流无刷水泵的5-10倍。但是本研究的系统使用的是直流电，故其不适合在本系统中使用。有刷直流水泵在工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成，只要电机转动碳刷就会产生磨损，电脑水泵运行到一定的时候，碳刷磨损间隙变大，声音也会随之增大，连续运行几百小时之后碳刷就不能起到换向的作用了。无刷电机式直流水泵采用无刷直流电机加上叶轮之后组成的。电机的轴与叶轮连在一起，水泵的定子和转子之间是有间隙的，使用时间长了水会渗透进入电机里增加了电机烧坏的可能，故在本系统中使用该水泵不大适合。无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。优点：寿命段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计6长，噪音低可达35dB以下，可用于热水循环。电机的定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，可以水下安装而且完全防水，水泵的轴心采用高性能陶瓷轴，精度高，抗震性好。综上所述，故在音乐喷泉系统的潜水泵选用无刷电机式直流水泵。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）73音乐喷泉系统的硬件电路设计3.1AltiumDesigner软件的介绍AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。其主要功能有原理图设计、印刷电路板设计、FPGA的开发、嵌入式开发、3DPCB设计等，其工作界面如图3-1所示。图3-1AltiumDesigner的工作界面Fig.3-1AltiumDesigner'sworkinterface段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计83.2单片机电路单片机要采集音乐信号，并据此调节I/O口的输出来控制水泵和彩灯。主芯片选用STC89C52单片机。STC89C52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8K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，1个看门狗定时器，3个16位可编程定时器，具有ISP功能，能够满足设计要求[5]。使用简单且价格非常低廉。故系统的主控制器采用此方案。3.2.1STC89C52的概述STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52为增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.。工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz用户应用程序空间为8K字节片上集成512字节RAM通用I/O口（32个），复位后为：P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。SP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片具有EEPROM功能共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级），PDIP封装。STC89C52芯片引脚图如下图3-2所示[6]。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）9图3-2STC89C52芯片引脚图Fig.3-2STC89C52chippindiagram3.2.2单片机最小系统电路单片机最小应用系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统。MCS-51系列单片机最小应用系统一般包括单片机、电源电路、复位电路、晶振电路和输入输出接口。其中单片机是核心部件，能够自动完成用户赋予它的任务。单片机要想正常工作，就必须为其提供能量，即为片内的晶体管或场效应管提供能源，使其能工作在相应的状态。单片机是一种时序电路，必须为其提供脉冲信号，所以需要晶振电路。单片机在启动运行的时候，都需要先复位，使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初试状态，并从这个状态开始工作。STC89C52最小系统系统如下图3-3所示。其由单一的+5V供电，晶振在1.2MHZ到12MHZ之间，串行通信时多选择11.0592MHZ,在这里晶振取12M，C2、C4振荡电容一般取值10-30pF，在这里取20pF，上电自动复位电路，C1为电解电容，分正负极。C1选10uF或22uF，在这里C1取10uF，R9取10KΩ。段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计10图3-3STC89C52最小系统硬件电路Fig.3-3STC89C52minimumsystemhardwarecircuit3.3音乐信号的采集前文已经简单介绍过，本次的研究针对的是采用外部音源输入的喷泉系统，因此在对音乐信号进行特征识别前首先要完成对模拟音乐信号的采集。音乐信号的采集主要包括音频放大和A/D转换两个过程，下面分别对此进行分析。3.3.1LM386芯片的概述由于外部音源信号的幅度一般较弱，因此必须要对原信号进行放大处理后才能送入A/D转换器。LM386是美国国家半导体公司（NS）推出的系列功率放大集成电路的一种，是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。因此本研究选择了LM386芯片设计音频放大电路。LM386内部电路原理图如图3-4所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益[7]。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(INT0)P3.212(INT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U2单片机Y112MC220C420VCCGNDR910KC110uFVCCS1辽宁工程技术大学毕业设计（论文）11图3-4LM386内部电路原理图Fig.3-4LM386internalcircuitschematicLM386的外形和引脚的排列如下图3-5所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。图3-5LM386封装形式及引脚定义Fig.3-5LM386packageformandpindefinition第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益[8]。段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计12在LM386的管脚上，提供了两种典型放大电路的设计方案。一种是在LM386的1脚和8脚之间不接其他元件，此时放大电路的增益仅由内部电阻R5~R7决定，为20倍数（26dB），这种方式外部电路元件最少，也最为经济。另一种通过在1脚和8脚之间串接不同的阻容元件，改变放大电路的交流反馈量，从而改变放大电路的闭环增益。音乐信号的放大采集如图3-6所示。外部音源（声卡、CD机等）的模拟音乐信号分左、右声道分别进入放大电路，经过信号放大后，得到幅值放大后的音频信号。在LM386的1脚和8脚之间串接一个10uF的电容C3，使内部电阻R6被交流旁路,放大电路的增益能达到最大值，200倍数（46dB）。再对音频放大电路的外围电路进行设计，电路中电容C5、C6作为隔直电容，电位器P1用于调节音量的大小,元件R10、C5有助于旁路高频噪音和改善输出的音质。电容C6作为去耦电容，一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。电容C7则是作为旁路电容，将信号的中高频噪音旁路到地。经过放大电路的音频信号就送入A/D转换器进行采样,这里A/D转换器要设置为双极性，即能接收负信号[9]。GAIN1IN-2IN+3GND4VOUT5VS6BYPASS7GAIN8U3LM386123P1Header3C510410KR10GNDC310uFVCCC6220uFLS1喇叭C7104R114.7图3-6音乐信号采集放大电路Fig.3-6Musicsignalacquisitionamplifiercircuit3.3.2采样定理的应用采样定理，又称香农采样定律、奈奎斯特采样定律，是信息论，特别是通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论.E.T.Whittaker（1915年发表的统计理论），克劳德·香农与HarryNyquist都对它作出了重要贡献。另外V.A.Kotelnikov也对这个定理做了重要贡献。采样是将一个信号（即时间或空间上的连续函数）转换成一个数值序列（即时间或空间上的离散函数）。采样得到的离散信号经保持器后，得到的是阶梯信号，即具有零阶保持器的特性。如果信号是带限的，并且采样频率高于信号最高频率的一倍，那么原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。带限信号变换的快慢受到它的最高频率分量的限制，辽宁工程技术大学毕业设计（论文）13也就是说它的离散时刻采样表现信号细节的能力是非常有限的。采样定理是指如果信号带宽小于奈奎斯特频率（即采样频率的二分之一），那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号。高于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。大多数应用都要求避免混叠，混叠问题的严重程度与这些混叠频率分量的相对强度有关。通俗来说采样是指用一较高频率的开关脉冲对模拟信号进行取样，取出脉冲到来时刻所对应的模拟信号的幅度，这样就可以得到一连串幅度变化的离散脉冲。用这些离散脉冲序列代替原来时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。在本研究中心也即如图3-6所示，在对音乐信号进行放大处理后，就要通过A/D转换将模拟信号采集进计算机，这就是音乐信号的采样。我们在对一个连续的音乐信号进行采样时，为了使采样后的样本序列能够包含足够的信息以使其能够较正确地重现原来的模拟信号，在采样时应当使采样频率满足采样定理的要求。采样定理的描述为“对一个模拟信号进行离散化时，只要满足采样频率fs大于或等于被采样信号的最高频率fm的2倍，就可以通过理想的低通滤波器，从样本值序列信号中无失真地恢复出原始模拟信号”，这里的fm称为香农频率，这个采样定理又称为香农采样定理。实际应用中为了较好的防止频谱混叠失真，采样频率一般要稍大于信号最高频率的2倍。比如人的声音信号的频段如果在300Hz~3400Hz内，就要将A/D转换器的采样频率选定为8kHz，才能满足香农采样定理的要求。3.4AD转换电路的设计3.4.1ADC0832芯片的概述ADC0832是NS(NationalSemiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择[10]。1.功能特点（1）8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；（2）5V单电源供电；（3）输入模拟信号电压范围为0～5V；（4）输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计14（5）在250KHZ时钟频率时，转换时间为32us；（6）具有两个可供选择的模拟输入通道；（7）功耗低，15mW。2.外部引脚及其说明ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图3-7所示。各引脚说明如下：（1）CS——片选端，低电平有效。（2）CH0，CH1——两路模拟信号输入端。（3）DI——两路模拟输入选择输入端。（4）DO——模数转换结果串行输出端。（5）CLK——串行时钟输入端。（6）Vcc/REF——正电源端和基准电压输入端。（7）GND——电源地。图3-7ADC0832的引脚图Fig.3-7ADC0832pindiagram3.4.2ADC0832与STC89C52的连接ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用[11]。在本电路中，如图3-8所示，把D0端和DI端并联跟单片机的P1.3端相连接，片选端CS与单片机的P1.0端相连，模拟信号输入端CH0与LM386的输出端VOUT相连，串行时钟输入端CLK与单片机的P1.2端相连。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）15P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(INT0)P3.212(INT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U2单片机Y112MC220C420GNDR910KC110uFVCCP00P01P02P03P04P05P06P07S1CS1CH02CH13GND4DI5DO6CLK7VCC8U1ADC0832GNDVCC图3-8ADC0832与STC89C52连接电路图Fig.3-8ADC0832andSTC89C52connectioncircuitdiagram其中当ADC0832未工作时CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，此电路中CS与单片机的P1.0CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲到来之前DI端必须是高电平，表示启动位。在第2、3个时钟脉冲到来之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表3-1所示。表3-1ADC0832配置位Tab.3-1ADC0832ConfigurationBits输入形式配置位选择通道CH0CH1CHOCH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+如表3-1所示，当配置位2位数据为1、0时，只对CH0进行单通道转换。当配置2位数据为1、1时，只对CH1进行单通道转换。当配置2位数据为0、0时，将CH0作为段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计16正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当配置2位数据为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。到第3个时钟脉冲到来之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个时钟脉冲开始由DO端输出转换数据最高位D7，随后每一个脉冲DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据D0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。如图3-9为ADC0832时序图。图3-9ADC0832时序图Fig.3-9ADC0832timingdiagram3.4.3输入电路的设计在本研究中，输入电路是指能对音乐启动、停止、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将检测到的信号以电平、脉冲或数字形式送至单片机的电路。为了简单说明和计算，在这里仅介绍能反映乐曲启停的奏曲信号电路。因为有了它，音乐已不再仅是背景音乐，音乐此时已用来控制整个喷池的动作与否，从而使其达到了音乐喷泉的最基本要求。音乐信号输入电路的原理框图如图3-10所示。左右两路立体声信号混合信号由手机音乐提供，其被送入限幅放大电路放大，这样即使是极弱的音乐信号也能有足够强度信号输出。整流滤波电路用以将信号转为单向信号。电压比较器用以将大于基准电压的单向信号变换成低电平有效的奏曲信号由之端输出。通过调整基准电压，可使电路既不受干扰的影响又灵敏度最大。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1712V电源输出限幅放大整流滤波电压比较图3-10音乐信号输入电路的原理框图Fig.3-10blockdiagramofthemusicsignalinputcircuit音频输入电路如图3-11所示，其中header3接安卓手机，手机对其进行输入乐曲，LM386芯片用于放大限幅，后续电路用于整流滤波，LS1为喇叭，用于向外播放限幅放大且滤波后的音乐信号。GAIN1IN-2IN+3GND4VOUT5VS6BYPASS7GAIN8U3LM386123P1Header3C510410KR10GNDC310uFVCCC6220uFLS1喇叭C7104R114.7图3-11音频输入电路Fig.3-11Audioinputcircuit3.5潜水泵调速硬件方案设计方案一：采用变频器，调速方便、容易，只要控制口电流范围为4到20毫安就可以，精度高，缺点价格偏贵。方案二：采用步进电机调速电路，这样会增加电路复杂性，控制精度偏低，优点是价格偏低。本系统成本问题必须考虑，控制精度要求不是很高，步进电机调速电路就可以满足要求。在本音乐喷泉系统中，采用可控硅调相的方法控制喷泉水泵的转速。如电路图3-12所示，由单片机的I/O口输出矩形波，通过光耦控制可控硅的导通角，进而控制水泵电机的转速，调整喷泉的输出高度。依据音乐采样结果控制单片机P1.2端的输出矩形波，从而控制可控硅的通断，以达到调相的目的。段学亮：基于单片机的音乐喷泉控制系统设计18P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(INT0)P3.212(INT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U2单片机M1Q19012VCCGNDR121KC9104图3-12潜水泵连接图Fig.3-12submersiblepumpconnectiondiagram采用这种方法关键要保证矩形波与100Hz脉动直流保持同相，由AD采样的结果决定100Hz脉动直流的每一个周期有多长时间是导通的。所以将100Hz脉动直流分压后作为单片机内部比较器的一个输入端，另一个输入端接一个由5V分来的固定电压。当比较器的输出结果发生变化时，由定时器定一段时间，这样就找到了每个周期的起点，然后再根据AD采样决定不等的延时来输出矩形波导通可控硅。AD采样结果大，每个周期的延时短，可控硅导通的时间长，水泵电机转速快，反之亦然。3.6灯光硬件方案设计方案一：使用小功率，不同颜色的发光二极管。方案二：使用LED水下低压彩灯。LED-水下彩灯系列除广泛使用于喷泉，瀑布水下照明外，还可用于假山，桥梁等投光照明。水下彩灯均采用著名荷兰菲利蒲公司产品，产品结构合理，色彩鲜艳，并进一步改进了其密封、防护和接线方式，广泛适合于各种喷泉。由于实验条件有限，本次设计采用小功率，频谱彩灯采用不同颜色的发光二极管。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）193.6.1发光二极管工作原理它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(INT0)P3.212(INT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U2单片机VCCP00P01P02P03P04P05P06P07D8LED0D7LED0D6LED0D5LED0D4LED0D3LED0D2LED0D1LED0R11KR21KR31KR41KR51