音乐喷泉控制系统设计
音乐喷泉是水流能随着音乐节奏的变化而展现出千变万化形态的美妙水景。它五彩缤纷的灯光、绚丽动人的水花、悦耳动听的音乐结合在一起，能让劳累了一天的城市人群身心得到放松，享受其中。但是，因为种种条件限制，广泛采用于室外，应用于室内的却很少。所以就让我萌发了设计一款小型的、能用于室内的音乐喷泉控制系统。本文主要讲述了如何制作一款适用于各类场合的小型音乐喷泉控制系统，它以常见的STC89C52RC单片机作为CPU，先通过功放把音频信号放大后再经过AD转换芯片把模拟量转化成数字量，导入单片机，用内设的延时函数产生不同的占空比来调节电机两端的电压，从而改变电机转速，达到喷泉水柱随着音乐改变而改变的设计目标。关键词 小型音乐喷泉，STC89C52RC，AD转换芯片，占空比
目录
1 绪 论 1
1.1选题背景和意义 1
1.2音乐喷泉国内外发展现状 1
1.3主要研究内容 2
2系统整体设计 2
2.1 设计目标 2
2.2 设计方案 2
2.3 设计原理 2
3 系统硬件设计 3
3.1电源电路 4
3.2 音频功放电路 6
3.3 A/D转换电路 9
3.6 LED灯组电路设计 15
4 系统软件设计 16
4.1 系统整体软件流程图 16
4.2 单片机端口初始化部分 17
4.4 电机调速软件方案设计 19
4.6 仿真 21
5 系统调试 22
5.1 硬件调试 22
5.2 软件调试 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录A 硬件总设计图 27
附录B 实物图 28
附录C 单片机代码 29
1 绪 论
1.1 选题背景和意义
在单片机没有得到广泛应用之前，人们通常使用继电器来控制一个系统。在单片机出现后，单片机越来越受到小型或者中小型控制系统的青睐。伴随着科学技术的发展，单片机相关的理论也逐渐得到完善，单片机集成度也越来越高，运算 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
速度越来越快，价格也越来越低，功能也越来越强大[1]。如今单片机已经应用到我们生活的方方面面，洗衣机、电冰箱都有它的身影。
因为价格便宜、原理简单、实现起来相对容易，所以我决定采用STC89C52RC作为核心控制器，以及相关的元件，来完成我的小型音乐喷泉控制系统设计。
音乐喷泉它是在喷泉的基础上，经过相关人士的改造，能根据音乐的变化而喷出不同花形的人工水景，它是人们智慧的结晶，美化了环境，寄托了人们对美和色彩的追求，舒展了人们疲惫的身心，不仅具有很大的观赏价值、社会效益，同时也是由于其巨大的价值带来了庞大的市场，具有很大的经济效益[2]。
但是，国内外一般只能在室外，比如购物广场，公园内才能见到它的身影，因为它的体型庞大，也因为只有大型的音乐喷泉才能使效果最大化[3]。由于条件限制和市场原因，几乎没有可用于室内小型音乐喷泉的存在。所以让我诞生了一个自己制作一个小型音乐喷泉的想法[4]。我这么做当然不是为了拓展市场，而是为了实现我自己内心的想法，同时也能让我的能力得到提升。
1.2音乐喷泉国内外发展现状
音乐喷泉，一个随处可见的人造景观，人们大多对它的制造技术和制造工艺相当陌生，可它却揉合了现在科技与艺术，可以让顿挫抑扬的音乐，变幻多姿的水流，炫彩夺目的灯光完美的结合在一起，令人赏心悦目，叹为观止。音乐喷泉的制造技术和工艺经过了几十年的发展，变得更加丰富多样，更加智能化。以前很多的步骤都是由人工完成，现在被机器甚至是机器人替代[5]。
可以说音乐喷泉起源于德国，它是于1930年，由一个德国工人提出这个概念。随着我国上世纪70年代改革开放政策的实施，我国引进相应的技术，并于80年代的中期自主设计、制造了多座音乐喷泉，改善了生活环境，愉悦了民众的身心，很受人们欢迎。随着时代的发展，音乐喷泉也在不停地改头换面，各种新造型层出不穷，在舞台表演中也得到了很多的应用，产生了刻骨铭心、回味无穷的艺术效果[6]。
当然，音乐喷泉涉及的专业知识非常广泛，包括音乐信号的采集，解析，放大，电气系统，计算机远程控制，网络通讯技术等，综合性非常强[7]。
现在的大多数使用机构和单位对音乐喷泉的要求越来越高，这也让音乐喷泉技术得到了飞速的发展，目前的音乐喷泉控制系统中的组态软件、PLC编程软件、网络通讯架构和变频器大多具备“宏指令编辑功能”、开放式编程环境和快速稳定可靠的网络通讯功能[8]。
1.3主要研究内容
了解单片机及相应芯片的引脚和使用说明，研究如何完成音乐信号的采集、放大、模数转换，并思考如何编写代码来实现单片机对数字信号的控制，从而实现喷泉水柱高度和LED灯亮的个数随音乐的高低变化而变化。
2 系统整体设计
2.1 设计目标
通过设计电路图，编写代码，并做出实物，从而实现喷泉的高度和LED灯亮的个数能随着以音乐的节奏变化而变化，并且能够播放出所输入的音乐。
2.2 设计方案
通常情况下，音乐喷泉的控制系统采用PLC控制，优点是控制简单、可靠性高，而且加上电磁阀对水流进行控制，可以设计出不同的喷泉花形，达到更好的视觉效果，但是成本较高，不适合本次小成本的设计 要求；本次设计采用单片机控制，能满足基本的设计需求，而且体积小，原理简单，成本低，性价比高。在水流控制上采用直流电机进行配合，通过单片机产生的PWM信号控制直流电机的转速从而达到控制喷泉水型变化的效果[9]。虽然形式比较单一，但是满足了音乐变化、水型变化的基本要求。
2.3 设计原理
设计的音乐喷泉控制系统的原理图如下图1所示：音乐输入采用常见的3.5mm耳机接口，可由电脑、手机、MP3将音乐原信号输入进电路中；由于输入的音频信号电压很小，所以需要经过LM386限幅放大才能进行模数转换；由于单片机只能识别数字信号，所以需要经过A/D转换才能使用信号；经过A/D转换的音乐信号被送至单片机内部，根据预先在单片机内部设置的程序将数字化后的音乐信号进行处理，然后输入到电机模块和LED灯模块，从而达到喷泉水型和LED随着音乐节奏高低的变化而变化的设计目标[10]。
按照电路的功能，我把该系统主要分为三个模块：
（1）信号采集模块：包括对输入音乐信号的预处理，主要有放大、滤波。
（2）信号处理模块：把经过放大、滤波过后的音乐信号进行A/D转换，把获得的数字信号送入单片机进行数字信号处理，并根据处理后的数据来设置LED灯组亮灭的模式和控制电机的转速。
（3）输出模块：包括喇叭、LED灯组和4个直流电机。
目录
1 绪 论 1
1.1选题背景和意义 1
1.2音乐喷泉国内外发展现状 1
1.3主要研究内容 2
2系统整体设计 2
2.1 设计目标 2
2.2 设计方案 2
2.3 设计原理 2
3 系统硬件设计 3
3.1电源电路 4
3.2 音频功放电路 6
3.3 A/D转换电路 9
3.6 LED灯组电路设计 15
4 系统软件设计 16
4.1 系统整体软件流程图 16
4.2 单片机端口初始化部分 17
4.4 电机调速软件方案设计 19
4.6 仿真 21
5 系统调试 22
5.1 硬件调试 22
5.2 软件调试 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
附录A 硬件总设计图 27
附录B 实物图 28
附录C 单片机代码 29
1 绪 论
1.1 选题背景和意义
在单片机没有得到广泛应用之前，人们通常使用继电器来控制一个系统。在单片机出现后，单片机越来越受到小型或者中小型控制系统的青睐。伴随着科学技术的发展，单片机相关的理论也逐渐得到完善，单片机集成度也越来越高，运算 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
速度越来越快，价格也越来越低，功能也越来越强大[1]。如今单片机已经应用到我们生活的方方面面，洗衣机、电冰箱都有它的身影。
因为价格便宜、原理简单、实现起来相对容易，所以我决定采用STC89C52RC作为核心控制器，以及相关的元件，来完成我的小型音乐喷泉控制系统设计。
音乐喷泉它是在喷泉的基础上，经过相关人士的改造，能根据音乐的变化而喷出不同花形的人工水景，它是人们智慧的结晶，美化了环境，寄托了人们对美和色彩的追求，舒展了人们疲惫的身心，不仅具有很大的观赏价值、社会效益，同时也是由于其巨大的价值带来了庞大的市场，具有很大的经济效益[2]。
但是，国内外一般只能在室外，比如购物广场，公园内才能见到它的身影，因为它的体型庞大，也因为只有大型的音乐喷泉才能使效果最大化[3]。由于条件限制和市场原因，几乎没有可用于室内小型音乐喷泉的存在。所以让我诞生了一个自己制作一个小型音乐喷泉的想法[4]。我这么做当然不是为了拓展市场，而是为了实现我自己内心的想法，同时也能让我的能力得到提升。
1.2音乐喷泉国内外发展现状
音乐喷泉，一个随处可见的人造景观，人们大多对它的制造技术和制造工艺相当陌生，可它却揉合了现在科技与艺术，可以让顿挫抑扬的音乐，变幻多姿的水流，炫彩夺目的灯光完美的结合在一起，令人赏心悦目，叹为观止。音乐喷泉的制造技术和工艺经过了几十年的发展，变得更加丰富多样，更加智能化。以前很多的步骤都是由人工完成，现在被机器甚至是机器人替代[5]。
可以说音乐喷泉起源于德国，它是于1930年，由一个德国工人提出这个概念。随着我国上世纪70年代改革开放政策的实施，我国引进相应的技术，并于80年代的中期自主设计、制造了多座音乐喷泉，改善了生活环境，愉悦了民众的身心，很受人们欢迎。随着时代的发展，音乐喷泉也在不停地改头换面，各种新造型层出不穷，在舞台表演中也得到了很多的应用，产生了刻骨铭心、回味无穷的艺术效果[6]。
当然，音乐喷泉涉及的专业知识非常广泛，包括音乐信号的采集，解析，放大，电气系统，计算机远程控制，网络通讯技术等，综合性非常强[7]。
现在的大多数使用机构和单位对音乐喷泉的要求越来越高，这也让音乐喷泉技术得到了飞速的发展，目前的音乐喷泉控制系统中的组态软件、PLC编程软件、网络通讯架构和变频器大多具备“宏指令编辑功能”、开放式编程环境和快速稳定可靠的网络通讯功能[8]。
1.3主要研究内容
了解单片机及相应芯片的引脚和使用说明，研究如何完成音乐信号的采集、放大、模数转换，并思考如何编写代码来实现单片机对数字信号的控制，从而实现喷泉水柱高度和LED灯亮的个数随音乐的高低变化而变化。
2 系统整体设计
2.1 设计目标
通过设计电路图，编写代码，并做出实物，从而实现喷泉的高度和LED灯亮的个数能随着以音乐的节奏变化而变化，并且能够播放出所输入的音乐。
2.2 设计方案
通常情况下，音乐喷泉的控制系统采用PLC控制，优点是控制简单、可靠性高，而且加上电磁阀对水流进行控制，可以设计出不同的喷泉花形，达到更好的视觉效果，但是成本较高，不适合本次小成本的设计 要求；本次设计采用单片机控制，能满足基本的设计需求，而且体积小，原理简单，成本低，性价比高。在水流控制上采用直流电机进行配合，通过单片机产生的PWM信号控制直流电机的转速从而达到控制喷泉水型变化的效果[9]。虽然形式比较单一，但是满足了音乐变化、水型变化的基本要求。
2.3 设计原理
设计的音乐喷泉控制系统的原理图如下图1所示：音乐输入采用常见的3.5mm耳机接口，可由电脑、手机、MP3将音乐原信号输入进电路中；由于输入的音频信号电压很小，所以需要经过LM386限幅放大才能进行模数转换；由于单片机只能识别数字信号，所以需要经过A/D转换才能使用信号；经过A/D转换的音乐信号被送至单片机内部，根据预先在单片机内部设置的程序将数字化后的音乐信号进行处理，然后输入到电机模块和LED灯模块，从而达到喷泉水型和LED随着音乐节奏高低的变化而变化的设计目标[10]。
按照电路的功能，我把该系统主要分为三个模块：
（1）信号采集模块：包括对输入音乐信号的预处理，主要有放大、滤波。
（2）信号处理模块：把经过放大、滤波过后的音乐信号进行A/D转换，把获得的数字信号送入单片机进行数字信号处理，并根据处理后的数据来设置LED灯组亮灭的模式和控制电机的转速。
（3）输出模块：包括喇叭、LED灯组和4个直流电机。
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