基于51单片机的多功能音乐喷泉设计

郭鑫颖

（运城职业技术大学，山西 运城 044000）

音乐喷泉是科技与艺术的完美结合，将音乐的频率与喷泉喷水的速率、将音乐的声调和与水柱的高低结合起来，通过高科技为人们带来惊艳的视觉震撼。目前，我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟，而对小型音乐喷泉研究甚少，且缺乏人机交互功能，喷泉的喷水模式多为固定模式，未能与音乐结合起来。小型喷泉成本低更易于普及，有必要进一步研究。

1 系统总体设计

本文展开对小型音乐喷泉的研究，以实现具有人机交互的多功能喷水效果。采取AT89C51单片机作为核心控制器，包括遥控模块、音乐播放与音乐频率采集模块、A／D转换模块、潜水泵控制模块、彩灯控制模块、电源模块还有喷泉管网设计共7个模块。整个设计的人机交互功能是通过红外遥控控制音乐的播放、音量的增加与减小和音乐播放的暂停，并在液晶显示器上显示歌曲名字、歌曲序号、歌手名字和音量大小。音乐模块上电后的输出分为两路，一路供给功放播放音乐，一路经过频压转换模块将歌曲频率转换成电压信号，再传给AD模块从而传给单片机，单片机输出信号后可以控制水泵，通过控制水泵转速实现一种水柱根据音乐节奏变化连续升降的效果，并通过控制译码器的选通来实现多种彩灯跟随音乐节奏产生花型变换的效果，最终可以看到水柱的连续升降和彩灯花型的各种变化。

2 系统硬件设计

基于单片机的多功能音乐喷泉系统总体设计选用AT89C51单片机为硬件核心电路。AT89C51单片机引脚和指令系统与51系列单片机完全兼容，其最大特点是内部有4KBFlash程序存储器，而且价格低廉。用Flash程序存储器在开发过程中十分容易对程序进行修改，大大缩短系统开发周期。具有复位和晶振电路，输出寄存器最多可用8个，这对于小型音乐喷泉已是富足有余了。

红外遥控系统包括红外遥控器（发射红外信号）和红外接收电路。红外发射器发送信号，通过红外接收头判定该指令并以中断方式INT0传送给单片机，单片机响应中断后，对信号进行处理。该设计只需连接单片机INT0口即可，不占用I／O资源且红外接收电路结构简单。

在音乐喷泉控制系统中，音频信号作为连续变化的模拟量需要转换成离散的数字量，才能够输入到单片机中进行信息处理，因此采用将未经处理的音频信号经F／V转换电路先转换成电压信号，然后通过ADC0809芯片来实现模拟量向数字量的转换。频率（F）转换成电压（V）的过程称为频率／电压转换，该转换相对V／F转换较为复杂。由于输入信号幅度较小，因此需要先将信号放大，然后将放大后的信号通过与二极管并联，滤去低电压，经由NE555触发器，变为矩形波，经过积分电路和单稳触发器，形成单稳态脉冲，再通过滤波电路，得到直流电压。

对于电机驱动电路的设计，采用PWM信号控制直流电动机的方法来实现，通过改变信号的平均电压让电动机在不同的功率下运行。单片机通过AQMH2403ND双路隔离直流电机驱动模块驱动并控制直流电动机，其支持电机电压7－24V，最大负载电流3A，可同时驱动两台电机，使用5V单片机时，驱动板＋5V接电源＋5V。

本研究在每个喷嘴间隔处添加防水LED以实现彩灯效果。使用3个4线—16线译码器，共扩展控制39个LED灯。LED彩灯采用5050三灯贴片模组，是LED模组中亮度最高的一种，模组背面有双面胶以及防水压线扣，安装方便且完全防水，比霓虹灯节能70%。芯片引脚G1、G2低电平触发，A、B、C、D分别与单片机P0口连接，通过软件编程控制灯光闪烁，由电源模块提供12V电压驱动LED灯。最终实现播放音乐的同时，喷泉的水柱和灯光都跟随音乐的变化而变化的效果。

本设计主要采用模块化设计，其主要包括以下7个模块有：

1）遥控模块。采用红外遥控，来控制音乐的选择、暂停和音量的大小从而在液晶屏上显示。

2）音乐播放与音乐频率采集模块。GBM05－RS232串口全功能MP3模块，完成TF卡存储音乐文件和音乐的播放功能。

3）A／D转换模块。完成对音乐电压的AD转换。

4）潜水泵控制模块。对于小型音乐喷泉，不要求精确控制潜水泵转速，只要水柱的高低能反映声音强度的变化即可。结合音乐与水柱要尽量同步，尽量降低成本，所以本系统不采用变频器调速。采用单片机程序及其控制电路完成调速。

5）彩灯控制模块。实现彩灯花型变化的控制。

6）电源模块。提供给音乐播放与音乐频率采集模块和彩灯的＋12V电压；提供给运放的＋12V和－12V电压；提供给单片机最小系统和其他模块的＋5V电压。

7）喷泉管网设计。设计整个喷泉的形状和喷水高度。

3 系统软件设计

该研究除了硬件设备，还需在软件的配合下完成，软件是整个控制系统设计的核心，它具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化。该设计在软件上使用C语言编程，采用自顶向下、逐步细化，模块化和结构化的设计思想。本系统软件需要实现的主要功能如下：

1）红外遥控功能：通过遥控器远程操作从而播放歌曲、切换歌曲和调节音量大小；

2）液晶显示功能：通过液晶显示目前播放的歌曲序列号、歌曲名称、歌手名称和音量大小；

3）AD转换功能：通过ADC0809将经频压转换模块转换后的电压传输给单片机，单片机将根据这些电压范围，将电压分成若干段，从而用来控制水泵的转速和LED彩灯的闪烁；

4）水泵调速功能：通过改变脉冲占空比来调节水泵转速，实现水泵转速跟随音乐变化，即喷水水柱随着音乐节奏的变化而变化；

5）LED彩灯闪烁功能：通过AD采集进来的音乐电压变化，将电压分成若干段，在每个电压段内用来分别驱动不同的LED灯和变换花型，从而实现灯光变换随着音乐节奏的变化而变化；

6）串口通信功能：遥控控制播放歌曲后，单片机通过串口发送指令给音乐播放模块，从而播放指定歌曲和调节歌曲音量大小。

基于模块化设计思想，按功能将整个软件系统划分为不同的程序模块，系统软件由主程序、初始化子程序、液晶显示子程序、AD转换子程序等组成，而红外遥控解码以及水泵调速等功能放在中断处理子程序中。

该设计的主程序模块负责任务调度，各子程序功能模块实现系统各个子功能。进入主函数程序依次对串口、三个中断源、红外、12864液晶、ADC0809等模块进行初始化，然后进入主页面显示部分，此时液晶显示“多功能音乐喷泉设计”，2秒过后页面刷新，显示“歌曲序号、歌曲、作者、音量”等字幕。最后等待红外信号，当单片机读到红外信号时，进入红外信号处理模块，调用串口通信子程序，此时播放歌曲，液晶显示进入歌曲播放界面，显示歌曲名称和音量大小，然后调用AD子程序，将音乐电压转换成数字量给单片机，再继续调用彩灯控制子程序和水泵调速子程序，当停止键按下进入停止状态时，歌曲停止播放，水泵停止转动，此时系统会重新初始化，如此循环。系统软件流程图如图1所示。

图1 系统主程序流程图

4 系统调试

4.1 调试方法

基于51单片机的多功能音乐喷泉设计的调试需通过硬件调试和软件调试结合进行。通过对硬件模块测试，检测各个元器件焊接是否牢靠，参数选型是否正确。再用软件检测红外遥控模块能否收发信号，MP3能否正常播放音乐，LCD12864液晶显示能否显示信息，电机驱动能否正常运转以及LED彩灯能否点亮。

4.2 测试结果

基于51单片机的多功能音乐喷泉设计的主要功能为开机后显示欢迎界面，当红外遥控按键按下后，进行歌曲选择，本次设计中一共选取了10首歌，分别对应遥控板的0—9按键，当用户选择歌曲后，液晶显示会显示出歌曲序号、歌曲名称、歌手名称和音量大小，在音乐播放的同时，水泵和LED彩灯开始工作，水泵喷水的高度随着音乐的节奏和声音发生变化，LED彩灯随着音乐的节奏变化，节奏感越强灯的闪烁也越明显。

5 结语

随着现代科技的飞速发展，人们对智能化生活的要求逐步提高，喷泉是一种现代化的精神享受产物，音乐喷泉更是广受民众欢迎。本设计完成了一种以AT89C51单片机为控制核心的小型音乐喷泉系统，实现了由遥控器远程控制播放歌曲，液晶显示屏显示歌曲信息，喷泉喷水效果和LED彩灯跟随音乐节奏而自动变化的功能，克服了目前传统喷泉只有固定喷水模式的单调效果，满足了人们的视听双重享受，具有一定的进步意义。