基于单片机的音乐喷泉控制系统设计

李 飞 张冬梅 常弘煜 苏 言

沈阳工业大学辽阳分校，辽宁辽阳 111003

现如今的中国各个城市建设和市民物质文化生活水平，伴随着经济快速发展而大幅度地提高，水景喷泉，更确切地说音乐彩灯喷泉，作为城市美化环境的重要一个环节，越来越受到城市建设者的青睐。为了使控制更加简单、可靠，适应现代社会市场的需要，各类形式的彩灯喷泉也很常见，并逐步向商业性较强和观赏性方向发展。其中音乐喷泉的控制也变得多姿多样，如51单片机、可编程逻辑控制器、等都在音乐喷泉中有过较多的运用，当然每种类型的控制方式都各具特色。本课题针对高等院校校园设计了观赏型的小型“音乐彩灯喷泉系统”。

选用单片机作为此次音乐彩灯喷泉的控制器。

1 音乐喷泉研究现状及趋势

当前计算机软硬件技术的快速发展，新型的音乐喷泉与计算机的交互式应用也更加广泛，音乐喷泉也越来越复杂，越来越完备，使得更多的控制电路需要计算机来完成。因此，使用计算机来控制音乐彩灯喷泉成为必然的趋势。但至今一些小型喷泉工程还存在不少技术上的困难，大概表现为明显的声音与喷泉彩灯不能同步、控制部分滞后、成本昂贵等问题。

目前，我国的大型的音乐彩灯喷泉技术已逐渐成熟，并且向智能、分散、综合、多样的方向发展，于是对彩灯喷泉系统的设计也提出了更高的要求。但对于更多音乐彩灯喷泉小型的项目的研究较少。如何控制是彩灯喷泉的关键所在，其余部分基本和普通类型的喷泉大体上一致。音乐彩灯喷泉的控制系统可采用可编逻辑程序控制器 （PLC） 作为控制核心，也可以使用小型工控机作控制的核心。但是对于小型的音乐彩灯喷泉系统来说，最合适、便捷的应是单片机作为控制的核心。适用于一般二三线城市的小广场或者普通的居民小区的音乐彩灯喷泉，由于其控制的要求简单，使用单片机完全可以满足其要求而且因其成本较低则更普及化，是未来音乐喷泉的发展总趋势。

2 总体方案设计

本次设计以STC12C5A60S2单片机作为智能控制系统的主要控制单元，辅之以适当的软件和硬件模块来设计完成以单片机为核心的音乐彩灯喷泉控制系统，控制系统图如图1 所示。

本系统主要完成了软件的编程和硬件的设计，硬件部分主要是由水泵电路、单片机和继电器电路、彩灯电路、音乐功放电路等组成，软件编程部分则通过汇编语言编程、流程图及Protues软件仿真来实现预期的效果，通过电路板焊接、元件组装、软硬件反复调试，实现小型音乐彩灯喷泉的基本功能，因而此系统具有成本低廉、体积较小、水型变化多样、实用性较强、室内外均可欣赏的特点。

图1 系统整体结构框图

3 系统硬件组成

系统的工作过程为：音乐信号响起，通过声控传感器采集信号、单片机彩灯控制电路和喷泉控制电路的作用，使喷头随音乐滚动的效果，便形成了音乐喷泉。

控制系统总体包括4部分模块∶数据采集模块、电路输入输出模块、灯光电路模块、喷泉模块。喷泉的打开和关闭完全根据音乐的播放或暂停，根据传感器检测有无声音的信号，来控制喷泉。

3.1 核心系统

主要由单片机实现整个系统的检测与控制，由声音监测系统检测音乐，当音乐响起实现相应的操作效果。

STC12C5A60S2系列的单片机是宏晶科技公司生产的单个的时钟周期单片机。它是速度快、耗能低、抗干扰能力较强的新的一代51系列单片机，其指令代码完全可以替代传统的8051,但速度比原来快8～10倍。此单片机集成了MAX810专用的复位电路,两路PWM，8路高速10位A/D转换器,针对于有电机控制的电路，干扰较强的场合。

3.2 电源系统

电源部分采用LRS-50型号，它是50W单组的对外输出是闭合式的电源供应设备，具有30mm低外观设计，采用85～264（V）范围内的交流电压输入，提供3.3、5、12、15、24、36和48V输出，效率高达90%，金属外壳设计加强了散热能力。

3.3 声音检测系统

最简单的声音传感器作为该系统的主要部件，用以检测音乐是否响起，同时向单片机传送高低电平数据。

（1） 声音模块对环境声音的强度最为敏感，一般用来检测周围的环境声音强度；

（2） 传感器在外接声音强度达不到预先设定的值时，输出端是高电平，当外界声音的强度远大于设定值时，输出端是低电平；

（3） 单片机直接可以与小板数字信号量的输出连接，通过单片机来检测高低电平，因而就能检测到声音有无。

3.4 彩灯系统

彩灯控制系统采用继电器模块控制，具有以下功能：

（1） 采用国家标准的优质电压继电器，常开接口最大负载：交流电压为250V，电流为10A；直流电压为30V，电流为10A;

（2） 采用贴片式光耦隔离板，驱动性能加强，稳定性较好，接通电流为5mA；

（3） 继电器触发方式可以通过跳线的方式设置高电平或低电平；

（4） 采用容错技术，即便在控制电路线断开的情况下，模块也不会动作；

（5） 电源的指示灯为绿色，继电器状态的指示灯为红色；

（6） 接口处设计极具人性化，所有接口都可以能通过接线一方的端子来接线引出，非常方便。

3.5 喷泉系统

水泵通电之后电机转动，通过叶轮的转动产生一定的能量差值（即压力差） ，在压力差的带动下，不断将水压入水泵的入水口，再从喷水口流出。利用电机转动所产生的动能作用下，水可连续不断地压入、流出，形成较稳定的流量。用单片机来控制喷泉的开启与关闭，当有音乐响起，单片机便会对喷泉发出开启指令。

综上，所设计的系统是一个集信号采集与处理的单片机控制系统，控制方式简单，性能稳定可靠，且具有安全保护装置。

4 系统软件组成

系统程序采用独立模块的框架，其中能用到的数组都使用定义和命名指针或伪指令的方式编程，有助于程序再次改善和仿真软件的调试过程。

程序设置后，进入OOOOH开始的主程序，声控传感器测试决定是否输出高低电平；音乐是否响起决定了喷泉是否有动作；延时程序的设定值决定了彩灯和喷泉动作多长时间，即喷泉改变动作的时间间隔：音乐频率只要缓慢一次（多数音乐中间会有间歇停顿） ，同时声控传感器不断的循环收集信号，下次音乐响起时就能使用其它的亮灯方式，如果用完了设定的最终亮灯的数据，之后就开始循环取数据，灯光模拟效果如图2所示。

图2 系统仿真效果图

5 设计特色

（1） 多功能性。白天开启白天模式，晚上开启夜景模式。不同模式的灯控方式不同。

（2） 智能性。完全自动控制，无需人为操作，规定时间自动开启。

（3） 安全性。电路均有短路保护机制，有效防止短路引起的电流过大等问题，同时交直流和高低电压的转换，降低了危险性。

（4） 经济性。采用固态继电器，增加了开关的灵敏度，保证线路的安全性，提高了使用的周期，更加经济环保，保证音乐喷泉的时效性和电路的自动控制。

（5） 便捷性。单片机结构简单、性能稳定、使用方便，可以随时更换程序实现不同的表现方式，根据音乐的高低起伏，彩灯实现不同的闪亮方式。

（6） 观赏性。采用LED水下低压彩灯，在原有的结构上进行密封防护和接线方面的改善，发出灯光色彩艳丽。

6 关键技术

（1） 采用声控延时判断，即传感器接受声音加延时程序，实现音乐和水柱的同步变化。

（2） 实现了交直流和高低电压的转换，降低了危险性。

（3） 使用时间继电器，保证了音乐喷泉的时效性和电路的自动控制。

（4） 采用LED水下低压彩灯，在原有的结构上进行密封防护和接线方面的改善，发出灯光色彩艳丽。

（5） 根据音乐的高低起伏，彩灯实现了不同的闪亮方式。

7 结语

此次音乐彩灯喷泉系统采用的单片机是51系列单片机的升级版本，编程指令内容都可兼容和替代51系列单片机，价格与51单片机相当，速度却是51的2～10倍，而且非常方便进行扩展。

最终的设计成果，音乐输入由MP3提供，电源、放大、滤波等基础电路在电路板上焊接，而单片机则放置在专用的单片机机座上，音频输出既可以使用市面上常见的扩声器也可以通过音频插孔连接到音箱。水泵分几路进行循环工作，各路水柱的旁边都安装不同颜色的水下低压彩灯，这样做使得灯光效果更加迷人绚丽，最终通过精密设计和反复调试，达到了系统设计的要求。

[1] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[2] 魏伟, 王永清.51单片机C语言开发与应用技术案例详解[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3]姜志海，刘连鑫.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社,2013.