基于AT89C51单片机的音乐喷泉控制系统设计

烟台南山学院，山东烟台 265713

一、引言

当音乐喷泉的水流跟随音乐展现不同的画面，会让人们的心情也随之浮动，音乐喷泉的出现给人们带来了许多的乐趣。音乐喷泉较多的是采用单片机控制，单片机是现在控制系统比较常见的一种。它易于操控和管理，为设计者提供许多便利之处，是科技发展的有利产物。

二、系统总体方案设计

音乐喷泉，顾名思义就是将音乐、水流的形状以及灯光等结合在一起的系统。从物理学中便可知声音是由物体振动产生的，物体振动的频率不同，声音的音调也会随之变化。由此可知，要想产生由不同声调组成的歌曲，必须要得到合适的频率才可，此项可以控制单片机来实现此功能。灯光与水流形状的结合可以通过程序控制实现。这样就会产生水流随着音乐和灯光的变换而相应变化你的场景。这其中的每一个细节都要处理精确，如果有一丝的错误可能就会影响整体的效果。因此，在实现系统正式演放前一定要调整好单片机的每一个频率以及程序的控制。

系统的工作过程为：音乐信号经过限幅放大，通过A/D转换、单片机对步进电机控制电路的作用，使喷头喷水产生随音乐起伏的效果。转换形状的频率随音乐节奏不断改变时，便形成了音乐喷泉。

控制系统总体包括五部分模块：数据采集模块、输入输出电路模块、软件设计模块、歌曲存储模块、灯光控制模块。控制系统的总体结构如图1所示。音乐的播放可在开启喷泉时，由计算机播放。根据有无音乐信号（计算机上播放或外部输入），启停喷泉。当有音乐信号时，获取声音强度，通过A/D转换、单片机对步进电机控制电路的作用，使喷头喷水产生随音乐起伏的效果。

三、音乐喷泉控制系统硬件设计

1、音乐信号的采集

（1） 音频放大电路

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采用双列8脚封装结构，它的工作电压范围为4～12V，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%。

通过分析表1中的数据可以发现，考查数学运算、直观想象素养的试题数量明显多于考查数据分析、数学建模素养的试题数量．2018年的文理科试卷对6个数学学科核心素养均有考查，而且对各个素养考查的试题数量没有显著性差异，此外文科卷中没有重点考查数学建模素养的解答题，而理科卷则没有重点考查数据分析素养的解答题，只是在选择题中有所考查．进一步分析还可以发现，正如上文第三节素养考查分析中所述，有些试题综合考查了两种以上核心素养，例如理科第5、8、9、17、18、19、20、21、22题，文科第17、18、20、21、22题等．

（2）A/D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，再采用了ADC电路。其中ADC芯片为ADC0809。ADC0809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ADC0809的时钟频率。用P2.7控制A/D转换的启动与转换结束后数字量的读取。ADC0809的地址锁存允许管脚（ALE）H和启动管脚（START）相连。由P2.7和WR信号经或非门提供的信号使P0.2～P0.0提供的3位通道地址送入ADC0809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2所示。

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[1]，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。使用简单且价格非常低廉。故系统的主控制器采用此方法。

3、输入电路

输入信号电路的框图如图3所示。左右两路立体声信号经混合后送限幅放大电路放大，这样即使是极弱的乐曲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。

4、潜水泵调速硬件方案设计

本系统采用可控硅调相的方法控制喷泉水泵的转速。电路如图4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。选用单相可控硅BT169控制220V的双向交流电[2]。交流通过二极管1N4007（耐压值1000V）组成的整流桥后变为100Hz脉动的直流，由单片机P0.4依据音乐采样结果输出矩形波，通过光耦控制可控硅的通断，以达到调相的目的。

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A/D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[3]。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A/D采样决定不等的延时来输出矩形波导通可控硅。A/D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。

5、灯光硬件方案设计

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。本次设计采用水下照明和闪光彩灯，水下照明采用LED水下低压彩灯两个，闪光彩灯采用不同颜色的发光二极管，本设计采用的彩灯连接如图5所示。

四、音乐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伪指令定义与命名，以使程序易于修改、调试和升级。

主程序框图如图6所示。程序重新设置后，进入0000H开始的主程序。单片机控制开关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；拔码开关的设定值决定了延时多少倍的0.1s时间，即喷池动作改变的时间间隔：奏曲每停一次(大多数乐曲奏曲中间不会停)，下次再奏曲就换一组花样数据，若用完了最后一组，以后就从头再取。也就是多个乐曲依次轮流循环使用编制好的喷池花样数据。

五、仿真结果

利用COOL EDIT软件对音乐文件取一段音频信号，曲往事如风的波形图如图7所示。经过系统处理后理论上可以得到的数字信号如图8所示。利用计算机软件Proteus对单片机控制系统做仿真，经过系统仿真后得到的仿真结果如图9所示，仿真结果显示该系统能够满足设计的要求。

六、结论

本文尝试借助计算机软件Proteus对单片机控制系统做了仿真探讨。利用COOL EDIT软件对音乐文件取了一段音频信号，并对其进行了转换来做为本系统的输入信号。本设计首先着重分析了模拟信号到数字信号的转换，并将转换的信号输送给喷泉的控制开关，分析结果与相关文献得到了一定程度上的吻合，其次通过设计和调试，达到了系统设计的要求。