单片机的音乐喷泉控制系统设计.docx
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1、单片机的音乐喷泉控制系统设计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,介绍了一个以AT89C51单片机为核心的小型音乐喷泉控制系统。给出了一个简洁的单片机控制电路,分析了输出地址,描述了不同类型的输出电路和输入电路;介绍了从特定构造的喷池中获得决定喷池动作的喷池数据的原理;给出了主程序框图和看门狗子程序。采用程序控制来控制花型。音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。关键词:音乐喷泉,单片机,单片机控制
2、,喷池数据目录前言31 音乐喷泉控制系统硬件设计41.1 控制系统硬件总体设计方案41.2 音乐信号的采集41.3 单片机电路61.3.1 单片机的概述71.3.2 时钟电路的设计81.4 AD转换电路82 喷泉控制系统软件设计102.1 喷池数据102.2 主程序框图112.3 控制潜水泵软件设计模块122.3.1 潜水泵开关调速的原理122.3.2 潜水泵开关调速的软件设计122.4 控制电磁阀软件设计模块132.5 歌曲存储模块142.5.1 音频脉冲的产生142.5.2 音乐程序162.6 灯光控制模块16结 论17参考文献18附 录19附录119附录2 程序19 前言随着人们生活水平
3、的提高,人们对环境的要求越来越高,城市环境建设日益为人们所重视。喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景,不断的出现在城市的广场、公园及其它公共场所,早些的喷泉都是固定不可调的,显得有些单调,随着科技的发展音乐喷泉也进入了我们的城市。音乐喷泉是现代科技及艺术的综合,音乐喷泉将喷水图形、彩色灯光及音乐旋律构成一个有机的整体,随着乐曲旋律和节奏的变化,各种不同的喷水花形相应的配合变换,在五彩绚丽的变幻灯光照耀下,构成一幅幅奇妙无比的景观、令人赏心悦目,叹为观止,在视听上获得极大的享受。音乐喷泉的起源于1930年,德国人首先带出喷泉的概念,此后经过多年的发展,其音乐喷泉的设计及构造已变得更大型及复杂。随着我
4、国改革开放政策的不断实施,80年代中,我国也相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉,为美化环境,活跃人民的文化生活起了良好的作用。通过学习和引进国外先进技术,加上自行研究和开发,喷泉的面貌不断更新,各种新水型层出不穷,音乐喷泉还可以同水幕电影、激光表演和舞台表演相结合,产生令人难忘的艺术效果。我国现有上百家喷泉水景设备制造厂,经过市场竞争、优胜劣汰,我国已经出现了几家综合实力较强的大型喷泉水景工程公司,能够独立建设投资上千万元的特大型喷泉水景工程,并创造了一些世界之最的新记录。总体上说,我国的喷泉水景技术已经达到了国际先进水平,其建设规模和市场需求更是其他国家所难以相比的。 1 音乐喷泉控制系统
5、硬件设计1.1 控制系统硬件总体设计方案该音乐喷泉控制系统的总体结构如图2.1所示,由音乐输入系统、数模转换系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成。 图1.1 系统总体结构框图1.2 音乐信号的采集前面已经介绍过,本文的研究针对的是采用外部音源的喷泉系统,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,下面分别进行分析。单片机AD转换功放喇叭频谱彩灯显示驱动水泵电源单片机音乐喷泉框图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。本文选择了 LM386 芯片设计音频放大电路。LM386
6、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,LM386 具有功耗低、工作电压范围宽、所需外围元件少等特点,在电子设备的音频放大电路设计中应用非常广泛,它使用了 10 只晶体管构成了输入级、电压增益和电流驱动级。其中 T1T6 组成 PNP 型复合差分放大器,T5、T6 为镜像恒流源,作为 T3、T4 的有源负载,使输入级有稳定的增益。电压增益级由接成共发射极状态的 T7 承担,其负载也使用了恒流源,整个集成功放的开环增益主要由该级决定。T8、T9 复合为一个 PNP 管,和 T10 共同组成互补对称射极输出电路,以供给负载以足够的电流。D1、D2 提供了 T8、T9、T10
7、所需的偏置,使末级偏置在甲乙类状态。R5R7 构成内部反馈环路。从图 1.2.1 可以看出,LM386 采用双列 8 脚封装结构,它的工作电压范围为 412V,静态电流 4mA,最大输出功率 660mW,最大电压增益 46dB,增益带宽 300kHz,谐波失真 0.2%。图1.2.1 LM386 封装形式及引脚定义在 LM386 的 DataSheet 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 R5R7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
8、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 1.2.2 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。从图 1.2.2 可以看出放大电路的具体设计。在 LM386 的 1 脚和 8 脚之间串接一个 10 微法的电容 C4,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 C1、C6 作为隔直电容,电位器 P1 用于调节音量的大小,元件 R2、C5 有助于旁路高频噪音和改善输出的音质。电容
9、C3 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 C2 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。图 1.2.2 音乐信号放大采集1.3 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AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个低功耗,高性能的51内核的CMOS 8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
10、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。使用简单且价格非常低廉。故系统的主控制器采用此方案。图1.3 89C51芯片1.3.1 单片机的概述AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存取器(RAM),器件采用ATMEL公司的ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。AT89C51提供一下标准功能:4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM
11、,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个双全工串行通信口,片内震荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。单片机有四个数据输出端口,P0口、P1口、P2口、P3口。由于P3口还有许多特殊功能,如读写控制、串行通信、外部中断等功能,所以P3口不用作数据输入输出端口。P0口具有很强的带负载的能力,除了用作地址总线低八位以外,还兼作访问外接扩展程
12、序内存时数据总线以及及A/D转换器ADC0809L连接的资料线。P1口、P2口带负载能力相对比教弱,而P2口需要用作访问外接内存的高八位地址线,因此P2口也不作为数据输入输出口,剩下的P1口作为资料输出口。1.3.2 时钟电路的设计AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器,如图1.4所示: 图1。4 自激振荡器 1.4 AD转换电路输入的电压为交流模拟量,不能直接送入单片机进行处理。因此首先采用全桥整流,滤波。使其成为直流信号,再采用全桥整流,滤波。使其成为直流信号,再采
13、用了ADC电路。其中AD芯片为ADC0832。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。其内部电源输入及参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32s,据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强。独立的芯片使能输入,使多器件挂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。串行通信节约单片机I/O资源。1、ADC0832各引脚功能:ADC0832采用双列直插式封装,共有28条引脚。 (1)IN0IN7(8条) IN0IN7为8路模拟电压输入线,用于输入被转换的
14、模拟电压; (2)地址输入和控制(4条) ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上的地址信号得以锁存,经译码后控制8路模拟开关工作,ADDA、ADDB和ADDC 为地址输入线,用于选择IN0IN7上的哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。 (3)数字量输出及控制线(11条)“START”为“启动脉冲”输入线,该线上的正脉冲由CPU送来,宽度应大于100ns,上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线,该线上的高电平表示A/D转换已结束,数字量已锁入“三态输出锁存器”。OE为“输出允许”线。 (4)电源线及其他(
15、5条) CLOCK为时钟输入线,用于为ADC0832提供逐次比较所需的时钟脉冲序列。VCC为+5电源输入线,GND为地线。VREF(+)和VREF(-)为参考电压输入线,用于给电阻阶梯网络供给标准电压。VREF(+)常及 VCC 相连VREF(-)常接地或负电源电压。2、ADC0832及单片机89C51的连接 ADC0832的时钟信号来自单片机89C51的ALE信号,89C51采用12MHz时钟频率,ALE为2MHz,经四分频后为500KHz作为ADC0832的时钟频率。用P2.7控制A/D转换的启动及转换结束后数字量的读取。ADC0832的地址锁存允许管脚(ALE)H和启动管脚(START)
16、相连。由P2.7和WR信号经或非门提供的信号使P0.2P0.0提供的3位通道地址送入ADC0832进行锁存,用以选取通道号。转换结束信号EOC作为查询信号。具体接口电路如图1.5所示 图1.5 ADC08322 喷泉控制系统软件设计 程序采用模块化结构,所有用到的常数或数组都用EQU或DATA或DB伪指令定义及命名,以使程序易于修改、调试和升级。本系统将TO溢出中断用于软件看门狗。2.1 喷池数据 喷池数据是用以对喷池内的水泵、电磁阀和彩灯等进行开及关控制的数据。一组可循环使用的这种数据,就决定了喷泉和彩灯的一个特定的变化形态。这组喷池数据可称为花样数据。对一个特定构造的喷池,这种花样数据可编
17、写出很多。下面以图2.1为例说明花样数据的编排方法。假设希望外圈喷头每隔一定时间顺次增喷2个喷头,且从2个经4步顺时针增至8个后,再顺次以同样的方向同样的速度每次减喷2个喷头,即从8个喷头经4步减至0。以后不断按上述规律循环变化。在这期间,里圈和中心喷头一直不喷。在不考虑其它控制的情况下,图2.1喷池只需2个输出寄存器,其各位控制喷头定义如下:87654321XXX131211109图2.1 喷头布局例以上各位若为1时相应的喷头喷水,为0时不喷水,则外圈喷头数据应为:0000 0011B0000 1111B0011 1111B1111 1111B1111 1100B1111 0000B1100
18、 0000B0000 0000B若该花样数据定义为HYSJ01则数据定义如下:HYSJ01:DB 03H,0FH,3FH,0FFH,0FCH,0FOH,0COH,00H;外圈喷头数据DB 0,0,0,0,0,0,0,0 ; 里圈和中心喷头数据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。显然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,组成新的更复杂一些的花样数据。2.2 主程序框图程序重新设置后,进入0000H开始的主程序,其流程图如图2.2所示。可以看出:P14上的开关K决定是否测试输出通道;乐曲是否演奏决定了喷池是否有动作,即P15的电平;拔码开关的设定值决定了延时多
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