岳 睿

（1.無錫市環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，江蘇 無錫 214153；2.無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

前言

目前農(nóng)村養(yǎng)老院場景單調(diào)，荷塘沉寂，也缺乏生機，很多老年人患上抑郁癥，假如能設(shè)計一種音樂噴泉，水花變化大，又有音樂聲，就能滿足很多農(nóng)村養(yǎng)老院老年人的養(yǎng)老需要。噴泉概念最早由德國人提出。經(jīng)過多年的發(fā)展，音樂噴泉的設(shè)計進步不大，尤其缺少一種質(zhì)優(yōu)價廉音樂噴泉。音樂噴泉可以同水幕電影、激光表演和舞臺表演相結(jié)合，產(chǎn)生美妙絕倫的藝術(shù)效果。音樂噴泉是近幾年來出現(xiàn)的一種園林建筑與音樂欣賞相結(jié)合的產(chǎn)物，變化萬千，引人入勝。噴泉是人工環(huán)境中觀賞價值最高、最富有生命力的理想景觀之一。其規(guī)模可大可小，射程可高可低，噴出的水，大者如珠，細者如霧。如能設(shè)計出壁泉、涌泉、霧泉、管流、溪流、瀑布、水簾、跌水、水濤、漩渦等就更能怡情娛人。這些年計算機無論是軟件還是硬件技術(shù)都在迅猛發(fā)展，新型噴泉與計算機的聯(lián)系越來越密切。音控噴泉也越來越復(fù)雜，越來越精密。因此系統(tǒng)中越來越多的控制部分離不開計算機。這使得計算機控制音控噴泉無疑成為必然趨勢。但噴泉工程仍存在一些技術(shù)難題。主要表現(xiàn)為明顯的水聲滯后效應(yīng)等視音不同步、控制滯后、成本昂貴等問題。對于如今廣泛研究音樂噴泉的熱潮，單片機成為當代控制簡單可靠且能夠適應(yīng)市場需求。所以本文設(shè)計以單片機AT89C51作為核心芯片進行音樂噴泉的設(shè)計。

1.總體設(shè)計方案

1.1 設(shè)計目的

作為一種人造環(huán)境工程項目，音樂噴泉將音樂的美和噴泉有機地結(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感受。眾多的采用不同控制器來實現(xiàn)音樂噴泉的方法中，究竟怎么樣實現(xiàn)才能達到最優(yōu)的控制以及給人最美的觀賞效果？目前在諸多音樂噴泉控制系統(tǒng)中，不管是采用繼電器控制或電磁閥對音樂噴泉進行控制（開關(guān)及噴泉揚程控制），由于無法對電動機或其他控制閥進行調(diào)速，所以這些方式都存在反應(yīng)速度慢的弱點。因此，本設(shè)計的重點在于音樂與噴泉的同步實時問題，在控制系統(tǒng)中采用了變頻調(diào)速，通過變頻器來控制電動機，從而達到快速反應(yīng)的目的。音樂噴泉就是要求在音樂的伴隨下，噴泉的高度、燈光的強度、色彩以及噴泉的造型隨音樂的音量而變化，通過對各種不同的音樂進行選擇播放，以及對不同音頻信號的采集、轉(zhuǎn)化等處理后，利用編制程序來實現(xiàn)對音樂噴泉的實時控制。

1.2 設(shè)計思路

音樂噴泉的控制系統(tǒng)，要求具備如下功能：（1）樂曲播放；（2）水型與樂曲同步；（3）水型的演示的控制；（4）彩色燈光的控制；（5）強制停止功能。如何能簡便地實現(xiàn)音樂噴泉的以上功能及經(jīng)濟實用角度等方面，選擇單片機控制系統(tǒng)。與繼電器、接觸器系統(tǒng)相比，單片機控制系統(tǒng)大大降低了成本。其優(yōu)點有：可以做成專用的控制系統(tǒng)，程序被固化，保密性強，可靠性較高，操作簡單，更重要的是易于維護。在諸多小型音樂噴泉控制系統(tǒng)中，單片機作為控制核心應(yīng)最適合。由普通音箱等發(fā)出的音頻信號經(jīng)整流濾波放大及控制系統(tǒng)對其幅值調(diào)整后，得到的調(diào)幅電壓信號送給變頻器的速度控制端以控制噴泉水泵電機的轉(zhuǎn)速變化，從而使噴泉水泵噴水的高低隨音樂節(jié)律的變化而不斷變化。為實現(xiàn)多組噴泉和彩燈的交替運行的切換，系統(tǒng)可以按用戶選擇的程序模式輸出時序開關(guān)信號去控制多路固體繼電器，由固體繼電器的接點控制水泵電機和彩燈的啟動與停止。

1.3 設(shè)計方案

該設(shè)計系統(tǒng)主要由音樂輸入系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換、單片機AT89C51控制。輸入輸出控制系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)工作原理為養(yǎng)老院的噴泉中的音樂信號由電腦聲卡中采集出來，再由音響設(shè)備播放，然后信號采集，電路被放大、整流、濾波后輸出的0－5V直流電，再將輸出的0－5V直流電送入變頻器。此時音頻信號由控制系統(tǒng)進行處理，輸出一個控制信號，來控制水泵的開關(guān)。接收到信號的變頻器開始快速起動，并帶動運水電機的轉(zhuǎn)動，隨音樂頻率的改變而改變。與此同時噴泉水花樣式不斷變更。系統(tǒng)實現(xiàn)了樂曲演奏、噴泉高度與水花樣式的改變、彩燈不停變化等功能。不同頻率的信號只要由單片機控制輸出，就可以產(chǎn)生不同的噴泉音樂的音調(diào)。AT89C51的計時系統(tǒng)用來控制各個養(yǎng)老院的噴泉音樂的音調(diào)的時間。其噴泉的噴頭及彩燈分別與相應(yīng)輸出點連接，通過程序?qū)崿F(xiàn)每種音調(diào)都對應(yīng)一組輸出點音樂開關(guān)狀態(tài)，養(yǎng)老院的噴泉就實現(xiàn)了樂曲控制噴泉的水花以及高度等動作。由普通音箱等發(fā)出的音頻信號經(jīng)整流濾波放大后，得到的調(diào)幅電壓信號送給變頻器的速度控制端，以控制其水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而使噴泉水泵噴水的高低以及水花樣式隨音樂節(jié)奏進行多種變化。為實現(xiàn)多組噴泉和彩燈的交替運行的切換，系統(tǒng)可以按用戶選擇的程序模式輸出時序開關(guān)信號去控制多路固體繼電器，水泵電機和彩燈的啟動與停止由固體繼電器的接點來控制。

2.硬件設(shè)計

由于使用了運算放大器，利用它的對稱性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能。正因為它的兩個輸入端，構(gòu)成了整個電路的反向輸出端和同向輸入端。采用對稱雙電源可使電路簡化，在進口的電子設(shè)備中，可以經(jīng)常看到用圖示這種正負電源，對運放集成塊供電的電路。在電源變壓器功率容量足夠的前提下，適當加大電容容量和變壓器次級繞組線徑，該電路也可用于小功率的音頻功放作正負對稱雙電源供電，如果噴嘴的電磁控制器必須需要較大的電流，可以使用一個較大的電源變壓器。本電路也只適用于較小的系統(tǒng)。

2.1 單片機型號選擇與概述

養(yǎng)老院的音樂噴泉的單片機有四個數(shù)據(jù)輸出端口，P0口、P1口、P2口、P3口。由于P3口還有許多讀寫控制、串行通信、外部中斷等特殊功能，所以P3口不用作數(shù)據(jù)輸入輸出端口。P0口帶負載的能力很很強，用作地址總線低八位以外同時還兼作訪問外接擴展程序內(nèi)存時數(shù)據(jù)總線以及與A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809L連接的資料線。P1口、P2口帶負載能力相對比教弱，而P2口需要用作訪問外接內(nèi)存的高八位地址線，因此P2口也不作為數(shù)據(jù)輸入輸出口，剩下的P1口作為資料輸出口。2.3.2時鐘電路的設(shè)AT89C51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端跨接石英晶體及兩個電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。

2.2 音樂轉(zhuǎn)換

音樂噴泉奏曲信號電路的框圖如圖1所示。

圖1 奏曲信號電路

聲卡上采集回來的是幾十毫伏的交流電，不能直接送給變頻器使用。必須用電路將小的交流電轉(zhuǎn)換為大的直流電。圖2為對音樂信號進行處理的電路：

圖2 音樂信號處理圖

養(yǎng)老院的噴泉音樂的前置放大器的第一級為話筒放大器，音樂信號通過話筒MIC1進入IC1放大。為保證噴泉有足夠的運動高度調(diào)節(jié)，這里R2、R3因根據(jù)不同的話筒選取不同的阻值。轉(zhuǎn)換開關(guān)S1可選擇不同的信號源。第二級電路主要作用是壓縮音頻信號的動態(tài)范圍，使之與噴泉的運動范圍相適應(yīng)。噴泉隨音樂的變化均勻運動，不同的音源可通過調(diào)整R8的值來調(diào)整噴泉運動的均勻程度。第三級是輸出緩沖器，用來增加電路的帶負載能力。聲音傳感器就是MIC（麥克）放大電路，一般分為普通電路和高保真電路。主要是由MIC（麥克）和一些簡單的外圍電路來完成聲音的放大功能。MIC是一種常用的能把聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號的聲電轉(zhuǎn)換器件。體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、壽命長、頻率響應(yīng)范圍寬、靈敏度高、價格比較廉價，這些都是它的突出特點。構(gòu)成駐極體話筒（MIC）的核心器件是駐極體振動膜。它實際上是一種經(jīng)永久性極化處理的電介質(zhì)，內(nèi)含有一片蒸金薄膜和一金屬極板。在它們之間通上一高壓電場，因此就形成了一個可變間隙的電容器。當駐極體膜片受到聲波作用而振動時，電容器兩端的電場就發(fā)生變化，從而產(chǎn)生隨聲波變化的交變電壓信號。

3.軟件設(shè)計方面

3.1 主程序流程

程序利用了R6和R7兩個寄存器分別作為花樣和音樂的標志，初始化都為0，用到了兩個外部中斷和一個定時器。兩個按鍵接兩個外部中斷，按鍵1使得R7在1和2之間切換。當按下按鍵1時產(chǎn)生外部中斷1，中斷程序使得R7加1；當R7為2時使之為0，用程序檢測R7的值，R7等于1時播放第一首歌曲，等于2時播放第二首歌。按鍵2使得R6在0～4之間切換。當按下按鍵2時產(chǎn)生外部中斷0，中斷程序使得R6加1。當R6為4時使之為0，根據(jù)R6的值來切換LED的花樣。R6和R7的值是互斥的，設(shè)置R7等于1、2時，R6同時設(shè)置為0。設(shè)置R6等于1～4時，R7也同時設(shè)置為0。歌曲播放的設(shè)計：利用定時器0發(fā)出不同頻率的方波從P3.7輸出，使蜂鳴器發(fā)出不同的音調(diào)，然后延時控制音調(diào)的節(jié)拍。當程序檢測到R7不為0時調(diào)用音樂子程序，先將歌曲的簡譜進行編碼，儲存在一個編碼表中。在子程序中從對應(yīng)的編碼表中取出一個數(shù)，然后分離出高4位得到音調(diào)，接著找出程序相應(yīng)的值賦給定時器0，使之定時操作喇叭得出相應(yīng)的音調(diào)。同時從P1口輸出相應(yīng)的值使得八路LED燈隨著音樂變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。接著分離出該數(shù)的低4位得到延時時間，調(diào)用軟件延時?；訜舻脑O(shè)計：一共設(shè)計了四種花樣，即花樣一是一半燈循環(huán)移動，花樣二是八個燈循環(huán)閃爍，花樣三是高低四位輪流亮，花樣四是有八個燈循環(huán)被點亮和熄滅。R6的值為1～4一次對應(yīng)花樣的1～4，當程序檢測到R6的值不為0時就調(diào)用與其值相對應(yīng)的花樣的子程序。

3.2 播放音樂子程序

歌曲簡譜的編碼規(guī)則：do、re、mi、fa、so、la、si分別編碼為1～7，重音do編為8，重音re編為9，停頓編為0。播放長度一十六分音符為單位（在本程序中為165ms），一拍即四分音符等于4個十六分音符，編為4，其他的播放時間以此類推。音調(diào)作為編碼的高4位，播放時間作為低4位，如此音調(diào)和節(jié)拍就構(gòu)成了一個編碼。以ffH為曲譜的結(jié)束標志。舉例1：音調(diào)do，發(fā)音長度為兩拍，集二分音符，將其編碼為18H。舉例2：音調(diào)re，發(fā)音長度為半拍，集八分音符，將其編碼為22H。確定定時器0對應(yīng)于音調(diào)的初值：假設(shè)要得到500HZ的聲音。500HZ的聲音信號每個周期為2ms，即2000us。假設(shè)單片機采用12MHZ的晶振，每個機器周期的時間為12/12M=1us。故單片機操作（對與蜂鳴器相連的I/O口取反）一次蜂鳴器的時間間隔為2000us/1us/2=1000個機器周期。故給工作在方式1的定時器0賦初值C=[t/MC]補=模-[t/MC],C=(3E8H)補=10000H-[3E8H]=FC18H，TH0=#FCH,TL0=#18H。音樂播放程序START-MU：ORG JMP ORG JMP START：MOV 00H；START；0BH；TIM0；TMOD，#01H 。

3.3 電氣控制電路設(shè)計

（1）總電路設(shè)計：該控制系統(tǒng)的核心設(shè)備為PLC、EM235模擬量輸入輸出模塊、MM430變頻器。（2）燈光控制部分：噴泉的燈光控制，無論噴泉運行固定程序部分還是音樂控制部分，都按事先設(shè)定的程序變化。（3）噴泉的音樂控制部分：當需要使用音樂噴泉時，此時可按按鈕SB1，PLC的模擬量輸入輸出模塊EM235將采集播放音樂的音頻強度，進行A/D轉(zhuǎn)換、比較運算，然后將結(jié)果輸出到變頻器的模擬量輸入端口AIN1的3、4端，控制變頻器的輸出頻率。從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，達到控制噴泉水柱高度的目的。（4）控制部分：一部分是固定程序運行，另一部分是音樂控制。（5）固定程序部分：當養(yǎng)老院的音樂噴泉不使用音樂時，按下停止按鈕SB2。可編程控制器運行固定程序，此時MM430不動作。（6）電機過載保護：當水泵電機出現(xiàn)過載時，程序停止該臺電機的運行，其他水泵電機正常運行。

圖3 總控制框圖

結(jié)論

本設(shè)計適用于農(nóng)村養(yǎng)老院，當然也適用于百貨商店、餐館、旅游景點、大型公園、露天電影院等。本控制系統(tǒng)是采用AT89C51單片機進行控制，用變頻器實現(xiàn)噴泉的調(diào)速應(yīng)用，單片機可靠性高。本設(shè)計從養(yǎng)老院的噴池狀態(tài)中獲得決定噴射動作的噴射方向數(shù)據(jù)原理，設(shè)計出主程序框圖以及噴泉中電路的看門狗子程序等，采用程序控制來控制水花的花形。所設(shè)計控制電路能控制燈光色彩和燈光光線明暗，使燈光色彩、燈光的閃爍和噴泉水流方向隨音樂節(jié)奏變換，適合農(nóng)村養(yǎng)老院老年人頤養(yǎng)天年。