基于单片机的微型音乐喷泉的设计

栗兴良，马牧燕,莫蔚靖

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

基于单片机的微型音乐喷泉的设计

栗兴良，马牧燕,莫蔚靖

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 100192）

音乐喷泉由于具有极高的观赏性，应用越来越多，但基本上都建于室外。对于如何设计一款可以放在办公桌上的音乐喷泉进行研究，论述一个以单片机为核心的适用于室内使用的小型移动式音乐喷泉控制系统，介绍相关电源，驱动，程序等问题的设计思路和具体实现方法。

微型音乐喷泉；单片机；STC12C5A60S2；ICL7660

0 引言

音乐喷泉是一种为了娱乐而创造出来的可以配合音乐和灯光而喷出节奏性水柱的观赏品，极具观赏效果。到二十一世纪初，大中型音乐喷泉已经发展比较完善，而相比之下桌面微型音乐喷泉却很少有人去做。目前，一般在公共场所的音乐喷泉只是单纯地将喷泉的高低与音乐简单配合，不能反映音乐的真正旋律；或者是需要非常复杂的控制系统，成本也高，大多是只能现场观看，无法随意移动[2]。所以，设计一套桌面微型音乐喷泉系统，非常有意义。“桌面微型音乐喷泉”将大型广场式的音乐喷泉系统引入室内，放在了办公桌上，是一种小巧灵活、随环境音乐源或指定音乐源动态变化的多功能室内观赏品。它集MP3音乐播放、喷泉等于一体，把声、光、水组合巧妙地结合起来。

1 系统整体设计

本系统设计以STC12C5A60S2单片机作为智能系统主控单元，辅之以适当的软、硬件模块设计完成以单片机为核心的音乐喷泉控制系统。有硬件设计和软件编程两部分，硬件设计主要是电路设计和箱体设计，软件部分主要是设定水泵的喷水高度以及LED灯组的闪亮方式。

按照功能和电路特点，该系统主要分为四个模块：

（1）音乐播放模块，考虑到现在音源越来越先进，音频输出设备越来越丰富，所以本系统设置音频输入端子，由外部提供音频输入。可以由MP3、电脑、手机等音频播放设备提供音源。

（2）信号采集模块，对输入的音频信号进行预处理，方便单片机进行数据采集，主要有放大、滤波[1]。

（3）数字信号处理模块，进行A/D转换，获得数字信号，送入单片机数字信号处理程序，并根据信号强度，来确定LED灯的闪烁方式，以及水泵的转速。

（4）驱动模块，为LED灯组和水泵提供驱动。

系统整体框图见图1。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

硬件系统设计主要分为电源设计、放大滤波电路设计、单片机电路、LED驱动、水泵驱动等几部分。

（1）电源电路设计。本系统中电压要求不能低于5V，采用9～12V电源供电。实际购买元器件为蓝天禾科技有限公司的IT-CEO V0122A电源适配器，输出电压为12V，最大输出电流为2A。整个系统分为正负两种电压，正电压部分采用LM78105稳压到5V，电路如图2。

图2 正5V稳压电路

负电压稳压电路主要为放大电路提供电压，由于放大电路工作电流在30mA左右，所以选取最大电路在100mA左右即可。ICL7660的静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5～10V(Intersil公司ICL-7660A输入电压范围为1.5～12V），工作频率为10 kHz，只需外接10 kHz的小体积电容（如图3），只需外接10μF的小体积电容效率高达98%合输出功率可达700mW（以DIP封装为例），最大输出电流100mA。所以选取ICL7660作为该系统的负电压芯片。

图3 负5V电压产生电路

（2）模拟信号处理部分，该部分电路对音频信号进行放大滤波。经过测试，一般音频播放器输出电压在0～0.2V，而单片机数模转换范围为0～5V，为了提高精确度，需要把电压放大到4V左右，所以放大倍数选20倍即可。具体电路如图4。运放芯片选择OP07[8]，OP07相比其他运算放大器，有更高的灵敏度，而且失调电压小，不需要额外的调零措施，利于电路的简化，供电电压为±3V～±22V，需要双电源，所以本系统采用±5V供电。

人耳能够感受到的声音频率为20Hz～20kHz，所以设定带通滤波器的上限为20kHz，下限为20Hz。电路中，电阻R2与电容C6组成低通滤波器，根据公式

将R2=200kΩ代入可得C6=0.398uF,故取C6= 400nF，电阻R1与电容C7组成高通滤波器，R1=10kΩ代入公式可得C7=0.795nF，故取C7=1nF。

图4 放大滤波电路

（3）数字信号处理电路，该部分利用单片机STC-12C5A60S2对信号进行AD转换，根据转换后的数值进行PWM定时，LED灯设定。单片机直接购买最小系统，各管脚按手册要求连接电路，Vcc接5V电源，P1.0脚接经过预处理的信号，进行A/D转换。P1.3接水泵控制PWM控制端，发出PWM信号。P0.0接LED灯组控制端。

（4）驱动电路。水泵电流较大，采用L298N芯片驱动。L298N驱动芯片是市场上应用非常成熟的一款驱动芯片，耐高压、大电流，通过TTL逻辑电平信号控制输出电流大小。

LED电流较小，用9012三极管做开关，驱动LED组。PNP型三极管9012最大集电极电流为500mA，满足设计要求。

3 软件部分设计

图5 单片机程序流程图

经过放大滤波之后的信号需要对其进行A/D转换，STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器,速度可达到250kHz(25万次/秒)。本系统将STC12C5A60S2单片机的P1.0作为模拟信号的两路输入。单片机ADC寄存器结构如表1。

表1

取8位结果，计算公式为：

部分程序代码：

然后判断R的大小，将R通过一定的比例因子线性变换成PWM设置函数的参数。

STC12C5A60S2自带两路PWM寄存器，寄存器结构如表2。

表2

CPS2、CPS1、CPS0是PCA记数脉冲源选择控制位。

用函数PWM_INIT()进行PWM初始化

利用对CCAP0H，CCAP0L，CCAP1H，CCAP1L值的设定编写PWM占空比函数

具体参数设置大小需要根据实际情况进行测试，由于本系统较小，水箱设计的尺寸也较小，所以水泵喷水高度不能太大。经过测试，水泵喷水最高对应CCAP0H值为125，最低对应CCAP0H值为20。参数设置过大，容易使水柱溢出，甚至会因为水泵电流过大而烧坏电路，设置过小，电流大小不足以驱动水泵转动，无法喷出水柱。

水箱的设计中，每一个出水口都配有一个不同颜色的LED，所以，LED灯组采用规律性闪烁的方式。

4 结语

本系统采用STC12C5A60S2，该单片机是51单片机的升级版，指令完全兼容51系列单片机，价格跟51单片机相仿，速度却是51单片机的10倍，自带A/D、PWM等寄存器资源，非常方便扩展。作为数字电路，该系统可以简单地通过修改程序，改变水泵的喷水方式，以及LED灯组的闪烁效果。

最终设计结果，音频输入由MP3提供，电源、放大、滤波电路在万用板焊接，单片机放置在专门的单片机座上，水箱高度约15cm，水泵分四路喷水，每路水柱旁边安装LED小灯，不同水柱安装的LED灯组颜色不同，这样使灯光更加的绚丽。

音频输出使用自带的扩声模块，或者通过音频插孔，输出到外接音箱。建议音频输入和输出都采用专用设备，那样会使系统音质更好，配合灯光和水柱美轮美奂的效果，才更能给人美的享受。

[1] 张长君,王连涛.单片机控制在音乐喷泉中的应用[J].计算机工程与设计,2006,27(10).DOI:10.3969/j.issn.1000-7024.2006. 10.061

[2] 王方华,周永宏,赵雪娇等.基于AT89S52单片机的室内音乐喷泉设计[J].科技资讯,2010(29).DOI:10.3969/j.issn.1672-3791. 2010.29.010

[3] 高绍坤,秦雷,王秋生.基于C8051F单片机的移动式音乐喷泉设计[J].电子技术应用,2008(8):62～64

[4] 张可菊,黄金菡.基于单片机的音乐喷泉控制系统的设计[J].电子制作,2014(4)

[5] 李柠,张殿富.基于单片机的智能小车速度控制设计[J].科技视界,2012(28)

[6] 张均,廖建波.小型音乐喷泉控制系统设计[J].江西农业大学学报,1999(4):619～621

[7] 庄顺万.音乐喷泉控制系统的研究与设计[D].中国科学院自动化研究所,2002

[8] 石飞飞,马辰.基于OP07和LTC1543温度采集模块的设计[J].电子设计工程,2010(12)

Design of Mini Music Fountain Based on SCM

LI Xing-liang，MA Mu-yan，MO Wei-jing
(School of Instrumentation Science&Optoelectronic Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192）

The music fountain has highly ornamental value and it is applied more and more.But it is usually built in the outdoors.Discusses how to design a musical fountain which can be placed on the table.It is also a mini mobile music fountain control system,suitable for indoor use,with SCM at the core.Introduces the design ideas and implementation methods about the related power supply,supply-driven,procedural issues and so on.

Mini Music Fountain;SCM;STC12C5A60S2;ICL7660

1007-1423（2015）03-0061-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.03.017

栗兴良（1986-），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为光电检测技术

马牧燕（1961-），女，北京人，研究生，副教授，研究方向为信号与信息处理

2014-11-28

2014-12-08

北京信息科技大学本科生培养-大学生科研训练项目资助（No.PXM2014_014224_000079）、专业建设-光信息科学与技术项目资助（No.PXM2014_014224_000066）

莫蔚靖（1994-），男，北京人，本科，光信息科学与技术专业