倪軍遠(yuǎn)

(煙臺機(jī)電工業(yè)學(xué)校，山東 煙臺 265205)

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基于AT89C51型單片機(jī)的小型音樂噴泉的設(shè)計(jì)

倪軍遠(yuǎn)

(煙臺機(jī)電工業(yè)學(xué)校，山東 煙臺 265205)

摘要：小型音樂噴泉因小巧而炫麗多彩被廣泛應(yīng)用到室內(nèi)很多場所。AT89C51型單片機(jī)成本低，工作可靠，具有豐富的接口資源和指令功能，越來越多被應(yīng)用到微型控制電路，本文根據(jù)大型音樂噴泉的工作原理和控制方法，確定了適合AT89C51型單片機(jī)控制的設(shè)計(jì)方案，來實(shí)現(xiàn)小型音樂噴泉的聲、光、水完美控制。

關(guān)鍵詞：小型噴泉；AT89C51；單片機(jī)控制

我們?nèi)粘Ｉ钪械囊魳穱娙歉鶕?jù)音樂節(jié)奏來實(shí)現(xiàn)噴泉的噴水頻率和水柱的高度變化，使水柱高度的變化及頻率的變化與樂曲的節(jié)奏同步。水泵調(diào)節(jié)噴泉管路中的水流，而水泵是由三相異步電動機(jī)驅(qū)動的，所以，只要對三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就可以控制管路中的流量。當(dāng)給三相異步電動機(jī)通入工頻電源時(shí)，則轉(zhuǎn)速是不變化的；當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速采用變頻器控制時(shí)，可以使管路中的流量發(fā)生柔性變化，這樣噴泉運(yùn)行時(shí)變化就更靈活。

1小型音樂噴泉控制機(jī)構(gòu)硬件方案

1.1控制機(jī)構(gòu)硬件總方案

小型音樂噴泉控制機(jī)構(gòu)由音樂輸入系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2音樂信號識別

本文采用的是外部音源的小型噴泉系統(tǒng)，完成對模擬音樂信號的采集，才能對音樂信號進(jìn)行特征識別。對于音樂信號的采集分為二個(gè)方面，一是音頻放大，二是A/D轉(zhuǎn)換。

1.2.1音頻放大的實(shí)現(xiàn)

我們采用的外部音源信號一般不能直接采用，因?yàn)槠浞纫话爿^弱，這需要我們要對外部原信號進(jìn)行放大處理，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采用。通常使用LM386芯片實(shí)現(xiàn)音頻放大，其具有功耗低，工作電壓范圍寬，所需外圍元件少等特點(diǎn)，在電子設(shè)備的音頻放大電路中應(yīng)用廣泛。如圖2所示，LM386采用雙列8腳封裝結(jié)構(gòu)，它的工作電壓范圍為4～12 V，靜態(tài)電流4 mA，最大輸出功率660 mW，最大電壓增益46 dB，增益帶寬300 kHz，諧波失真0.2%[1]。

圖2　功放模塊和音頻輸入模塊

1.2.2采樣定理

對于音樂信號的采樣，在對其信號進(jìn)行放大處理后，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號采集進(jìn)控制器進(jìn)行識別。采樣定理的描述為“對一個(gè)模擬信號進(jìn)行離散化時(shí)，只要滿足采樣頻率fs 大于或等于被采樣信號的最高頻率fm的2倍，就可以通過理想的低通濾波器，從樣本值序列信號中無失真地恢復(fù)出原始模擬信號”，這里的fm稱為香農(nóng)頻率，這個(gè)采樣定理又稱為香農(nóng)采樣定理。對連續(xù)的音樂信號進(jìn)行采樣時(shí)，為了使采樣后的樣本序列能夠包含足夠的信息以使其能夠較正確地重現(xiàn)原來的模擬信號，在采樣時(shí)應(yīng)當(dāng)使采樣頻率滿足采樣定理的要求。

1.3單片機(jī)電路

AT89C51是一種帶4 k字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。單片機(jī)通過采集音樂信號來調(diào)節(jié)I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。

1.4A/D轉(zhuǎn)換電路

由于單片機(jī)不能直接處理交流模擬量，所以先采用全橋整流、濾波，使電壓的交流模擬量轉(zhuǎn)為直流信號，然后采用ADC電路。AD芯片為ADC0832，能適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換。如圖3所示。

圖3　ADC0832

1.4.1音頻輸入電路

輸入電路是指對檢測到的樂曲信號以電平、脈沖或數(shù)字等形式傳至單片機(jī)的電路。樂曲信號經(jīng)混合后進(jìn)入限幅放大，使弱的樂曲信號強(qiáng)度變大，整流濾波電路將信號轉(zhuǎn)為單向信號，電壓比較器將大于基準(zhǔn)電壓的單向信號變換成低電平有效的樂曲信號輸出，可以通過調(diào)整基準(zhǔn)電壓，使電路不受干擾的影響而靈敏度增大，通過樂曲來控制整個(gè)噴池的動作。

1.5潛水泵調(diào)速硬件方案設(shè)計(jì)

采用單相電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制噴泉水泵的轉(zhuǎn)速，電路如圖4所示，利用脈寬PWM法[2]，控制一個(gè)脈寬的變量，根據(jù)聲音不同，高電平的脈寬不一樣，控制著延時(shí)，由單片機(jī)的I/O口輸出矩形波，控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整噴泉的輸出高度。由單片機(jī)P20腳，根據(jù)樂曲采樣波型，控制硅的通斷，來達(dá)到最終調(diào)速目的。

圖4　電機(jī)電路圖

1.6燈光硬件方案設(shè)計(jì)

彩燈是為了渲染色彩增強(qiáng)節(jié)奏感而設(shè)計(jì)的。彩燈設(shè)計(jì)

采用音頻信號經(jīng)過單片機(jī)控制，對輸入的音樂信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，來控制發(fā)光二極管的亮和滅[3]。樂曲節(jié)奏越強(qiáng)，發(fā)光二極管同時(shí)亮的越多，同樣反之亮的越少。

彩燈硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　彩燈的連接

2噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1主程序流程圖

圖6　主程序流程圖

3結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了噴泉的水柱隨著音樂的高低起伏變化，就是說音樂高則水柱高，音樂低則水柱低，隨著音樂的不同，噴水的高低會不同，同時(shí)彩燈隨著音樂一起閃爍。由于時(shí)間、水平和經(jīng)驗(yàn)有限，在音樂處理等方面仍有不足之處，只能實(shí)現(xiàn)簡單的功能，有些地方并不完善，有待改善。

參考文獻(xiàn)

[1]李華，胡漢才.噴泉設(shè)計(jì)設(shè)備手冊[M].北京：高等教育出版社，2006：56-70.

[2]李漢.基于單片機(jī)的單相電動機(jī)調(diào)速方法及其實(shí)現(xiàn)[J].廣州航海高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2004,12(1)：38-40.

[3]吳仁華，祁大勇.大型廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù),2003(9):34-35.

Design of Miniature Music Fountain Based on AT89C51 Type SCM

Ni Junyuan

(YantaiMechanicalandElectronicsSchool,YantaiShandong265205,China)

Abstract:Miniature music fountain is widely applied in many indoor places for its small and dazzle beautiful and colorful. The AT89C51 type single chip microcomputer is applied to the micro control circuit widely, which has the characters of low cost, reliable work, rich interface resources and the instruction function. Based on the working principle and the control method of large music fountain, the article determines the suitable design scheme for the type of AT89C51 single-chip microcomputer to achieve a perfect control on the sound, light and water of small music fountain.

Key words:miniature music fountain; AT89C51; SCM control

收稿日期：2016-01-27

作者簡介：倪軍遠(yuǎn)(1979- )，男，山東莒縣人，大學(xué)本科，從事電氣自動化教學(xué)研究。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0010- 02

中圖分類號：TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A