单片机的音乐喷泉系统设计(附件)
摘 要随着生活水平的提高以及对环境要求的提升，音乐喷泉以其较高的观赏性，给予了我们视觉的盛宴。音乐喷泉以其独特的魅力，自然而然成为人们生活当中非常重要的一环。闲暇之余，音乐喷泉在如今节奏飞快的社会生活当中，给予了我们另类的放松。音乐喷泉是以AT89C51单片机为核心的小型音乐喷泉控制系统，这是一种控制相对简单，成本低但是容易推广的控制系统。其系统原理以一个简洁的单片机控制电路，通过对输出输入的控制，根据音乐的强弱对电机、水泵进行控制，来达到控制水柱的高低。通过输出地址，展现了不同类型的输出输入电路。通过A/D转换电路对音频信号进行采样和处理，使音频信号影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。
目 录
1 绪 论 1
1.1课题背景 1
1.2音乐喷泉的发展和现状 1
1.3本课题的研究内容 2
2系统总体设计方案 3
2.1喷泉系统方案设计 3
2.2 音乐喷泉系统工作过程 3
3系统硬件电路设计 4
3.1单片机最小系统电路 4
3.1.1 AT89C51单片机 5
3.1.2 AT89C51单片机的主要特性 5
3.1.3 AT89C51管脚说明 6
3.1.4复位电路 7
3.1.5时钟电路的设计 7
3.2 AD转换电路 8
3.2.1 ADC0832与单片机89C51的连接 9
3.2.2 采样定理 9
3.2.3输入电路 9
3.3 PWM脉宽调制原理 9
3.4灯光连接电路图 10
3.5 电机驱动电路 11
3.6音频放大电路设计 11
4喷泉控制系统软件设计 13
4.1主程序流程图 14
4.2 音频信号处理软件设计 14
4.3 编译软件的选择 15
4.4 PWM 脉宽调制的实现 15
5系统软硬件的调试及分析 18
6结 论 19
参考文献 20
致 谢 21
附 录 22
附录1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
22
附录2 23
1 绪 论
1.1课题背景
随着经济发展的飞速发展,人们对环境的问题也越来越重视。希望可以在闲暇的时候有个放松的地方，比如广场的喷泉,不断的出现在城市的各个公园里、及其它公共场所，大多数的喷泉一次性安装好而不可动的，都是用于一些大型广场，这就导致一般的小型公园不能满足大多数人的需求，所以这就需要一种新型的比较方便、又能达到放松心情的目的小型喷泉。音乐喷泉是科技与艺术的结合体，音乐喷泉由音乐和喷泉所喷绘出来的图形构成，随着音乐节奏的变化，就会有各种不同的水彩图形，在音乐的衬托下，构成一幅幅逼真的3D立体景观、令人赏心悦目，在听觉和视觉上都是极大的享受。音乐喷泉是1930年由德国人首先提出的构想，经过不断地进步、改进，音乐喷泉基本上已经遍布了大大小小的休闲广场。70年代中期，我国也借鉴国外的技术经验，开始进行音乐喷泉的开发，为美化环境，提高人民的文化生活水平起到了极大的推动。由我国的技术人员不懈努力加上自行研究，喷泉的雏形渐渐浮出水面，音乐喷泉的音乐与各种图形的相配合所产生的效果，产生了令人难忘的艺术效果。
到目前为止，我国约有上百家喷泉设备制造厂，其中有几家综合实力比较强的已经可以可以承接国家或私人投资的大型音乐喷泉工程项目，并创造了一些可以媲美国外比较出名的音乐喷泉，从发展现况来看，我国的喷泉水景制作技术已经达到了成熟的阶段，远超外国音乐喷泉制作技术水平。但是小型的音乐喷泉在国内还比较少见，它是适用于小型广场及其他休闲广场的简单装饰，同时也可以安置在个人家中，达到对环境的一种美化，可以给人一种赏心悦目，焕然一新的感觉。
1.2 音乐喷泉的发展和现状
音乐喷泉是近十年来在国内出现的一种比较有观赏性且可以达到享受的一种休闲产物。喷泉是人工环境安置、效果好的理想景观之一。规模有大有小，射程可以人为设置，不同的音乐可以有不同的水景效果。喷泉景观类型总体来说可以分为两大类：一种是结合现场地形结构，与周围环境达到一个相切合的程度，就好像天然的一样。二是完全依靠喷泉设备人工造景。这种人为设置安装近年来被多数休闲广场广泛应用，普遍速度快，种类繁多，例如北京石景山古城公园的音乐喷泉，南山的秋水广场，新加坡圣淘沙旅游区等景区的音乐喷泉，这些喷泉都有一个共同的特点，那就是充分的展示了音乐喷泉的多彩变化，表现出一幅幅漂亮、绚丽的艺术之美。但是这些都属于大型的音乐喷泉，它们都只只适用于大型广场。中小型休闲广场却不被受青睐。在大多数上班族、学生、老人下班或者下课后都希望有一个可以放松心情的休闲场所，不用去考虑职场、学校的那些烦心事，目前，我国也有少数的设备制造厂商在制造一些小型的音乐喷泉，希望可以让更多的人接受。
随着IT行业在国内对于经济水平的提高占有越来越重要的角色，所需要的软硬件技术也达到了更高的要求，音乐喷泉是与计算机的交互越来越紧密的一种科技化产物，喷泉随着音乐的节奏而变化，这种技术的需求变得越来越复杂，越来越严格，这就需要越来越多的人为控制部分需要配合计算机来完成。因此，计算机控制音控喷泉成为当前社会发展的必然趋势。但喷泉工程还存在一些技术难题，主要表现为明显的水声滞后效应等视音不同步、控制滞后、成本昂贵等问题。
1.3本课题的研究内容
内容：对该音乐喷泉系统进行整体功能分析，主要实现硬件和主要软件程序方面的设计，对其所选择的主要芯片作简单介绍，分模块来实现其各个部分的功能，做出相应的整体原理图。
研究方法：本设计主要以MCS51系列单片机STC89C52为控制核心，它自带8K的FLASH程序存储器，它的核心处理单元为8位。数据处理主要是对数字声音信号进行AD采集，并进行逻辑判断，根据数据的具体情况输出到LED灯控制和喇叭播放、水泵控制。整个单片机应用系统的设计分为硬件电路设计和软件编程设计两大部分；其中硬件电路设计包括声音采集电路，LED灯电路、水泵电路，单片机控制电路。软件设计部分包括系统主程序，声音信号采集子程序，LED灯控制子程序和输出驱动水泵子程序，均采用51系列C语言编程实现。
2系统总体设计方案
2.1喷泉系统方案设计
该音乐喷泉控制系统是由音乐的输入系统、数模转换系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成，主要针对采用外部音源的喷泉系统，因此在对音乐信号进行特征识别前首先要对模拟音乐信号的采集进行处理。音乐信号的采集用一个音频转换器，然后经A/D模数转换，将对应的IO口与单片机相连就行了。到时只在单片机中编程就可实现对应功能[1]。如图2.1所示。
图2.1系统总体结构框图
2.2 音乐喷泉系统工作过程
话筒采集声音信号，然后将声音信号转换成电压信号，通过声音放大电路放大电压限号，然后再将信号转到ADC0832，经过AD转换预处理，然后输入到51单片机当中，51单片机经过数据处理，分别将处理的结果传到彩灯电路以及电机驱动新芯片当中，通过PWM调节电机转速和彩灯亮度[2]。
目 录
1 绪 论 1
1.1课题背景 1
1.2音乐喷泉的发展和现状 1
1.3本课题的研究内容 2
2系统总体设计方案 3
2.1喷泉系统方案设计 3
2.2 音乐喷泉系统工作过程 3
3系统硬件电路设计 4
3.1单片机最小系统电路 4
3.1.1 AT89C51单片机 5
3.1.2 AT89C51单片机的主要特性 5
3.1.3 AT89C51管脚说明 6
3.1.4复位电路 7
3.1.5时钟电路的设计 7
3.2 AD转换电路 8
3.2.1 ADC0832与单片机89C51的连接 9
3.2.2 采样定理 9
3.2.3输入电路 9
3.3 PWM脉宽调制原理 9
3.4灯光连接电路图 10
3.5 电机驱动电路 11
3.6音频放大电路设计 11
4喷泉控制系统软件设计 13
4.1主程序流程图 14
4.2 音频信号处理软件设计 14
4.3 编译软件的选择 15
4.4 PWM 脉宽调制的实现 15
5系统软硬件的调试及分析 18
6结 论 19
参考文献 20
致 谢 21
附 录 22
附录1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
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附录2 23
1 绪 论
1.1课题背景
随着经济发展的飞速发展,人们对环境的问题也越来越重视。希望可以在闲暇的时候有个放松的地方，比如广场的喷泉,不断的出现在城市的各个公园里、及其它公共场所，大多数的喷泉一次性安装好而不可动的，都是用于一些大型广场，这就导致一般的小型公园不能满足大多数人的需求，所以这就需要一种新型的比较方便、又能达到放松心情的目的小型喷泉。音乐喷泉是科技与艺术的结合体，音乐喷泉由音乐和喷泉所喷绘出来的图形构成，随着音乐节奏的变化，就会有各种不同的水彩图形，在音乐的衬托下，构成一幅幅逼真的3D立体景观、令人赏心悦目，在听觉和视觉上都是极大的享受。音乐喷泉是1930年由德国人首先提出的构想，经过不断地进步、改进，音乐喷泉基本上已经遍布了大大小小的休闲广场。70年代中期，我国也借鉴国外的技术经验，开始进行音乐喷泉的开发，为美化环境，提高人民的文化生活水平起到了极大的推动。由我国的技术人员不懈努力加上自行研究，喷泉的雏形渐渐浮出水面，音乐喷泉的音乐与各种图形的相配合所产生的效果，产生了令人难忘的艺术效果。
到目前为止，我国约有上百家喷泉设备制造厂，其中有几家综合实力比较强的已经可以可以承接国家或私人投资的大型音乐喷泉工程项目，并创造了一些可以媲美国外比较出名的音乐喷泉，从发展现况来看，我国的喷泉水景制作技术已经达到了成熟的阶段，远超外国音乐喷泉制作技术水平。但是小型的音乐喷泉在国内还比较少见，它是适用于小型广场及其他休闲广场的简单装饰，同时也可以安置在个人家中，达到对环境的一种美化，可以给人一种赏心悦目，焕然一新的感觉。
1.2 音乐喷泉的发展和现状
音乐喷泉是近十年来在国内出现的一种比较有观赏性且可以达到享受的一种休闲产物。喷泉是人工环境安置、效果好的理想景观之一。规模有大有小，射程可以人为设置，不同的音乐可以有不同的水景效果。喷泉景观类型总体来说可以分为两大类：一种是结合现场地形结构，与周围环境达到一个相切合的程度，就好像天然的一样。二是完全依靠喷泉设备人工造景。这种人为设置安装近年来被多数休闲广场广泛应用，普遍速度快，种类繁多，例如北京石景山古城公园的音乐喷泉，南山的秋水广场，新加坡圣淘沙旅游区等景区的音乐喷泉，这些喷泉都有一个共同的特点，那就是充分的展示了音乐喷泉的多彩变化，表现出一幅幅漂亮、绚丽的艺术之美。但是这些都属于大型的音乐喷泉，它们都只只适用于大型广场。中小型休闲广场却不被受青睐。在大多数上班族、学生、老人下班或者下课后都希望有一个可以放松心情的休闲场所，不用去考虑职场、学校的那些烦心事，目前，我国也有少数的设备制造厂商在制造一些小型的音乐喷泉，希望可以让更多的人接受。
随着IT行业在国内对于经济水平的提高占有越来越重要的角色，所需要的软硬件技术也达到了更高的要求，音乐喷泉是与计算机的交互越来越紧密的一种科技化产物，喷泉随着音乐的节奏而变化，这种技术的需求变得越来越复杂，越来越严格，这就需要越来越多的人为控制部分需要配合计算机来完成。因此，计算机控制音控喷泉成为当前社会发展的必然趋势。但喷泉工程还存在一些技术难题，主要表现为明显的水声滞后效应等视音不同步、控制滞后、成本昂贵等问题。
1.3本课题的研究内容
内容：对该音乐喷泉系统进行整体功能分析，主要实现硬件和主要软件程序方面的设计，对其所选择的主要芯片作简单介绍，分模块来实现其各个部分的功能，做出相应的整体原理图。
研究方法：本设计主要以MCS51系列单片机STC89C52为控制核心，它自带8K的FLASH程序存储器，它的核心处理单元为8位。数据处理主要是对数字声音信号进行AD采集，并进行逻辑判断，根据数据的具体情况输出到LED灯控制和喇叭播放、水泵控制。整个单片机应用系统的设计分为硬件电路设计和软件编程设计两大部分；其中硬件电路设计包括声音采集电路，LED灯电路、水泵电路，单片机控制电路。软件设计部分包括系统主程序，声音信号采集子程序，LED灯控制子程序和输出驱动水泵子程序，均采用51系列C语言编程实现。
2系统总体设计方案
2.1喷泉系统方案设计
该音乐喷泉控制系统是由音乐的输入系统、数模转换系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成，主要针对采用外部音源的喷泉系统，因此在对音乐信号进行特征识别前首先要对模拟音乐信号的采集进行处理。音乐信号的采集用一个音频转换器，然后经A/D模数转换，将对应的IO口与单片机相连就行了。到时只在单片机中编程就可实现对应功能[1]。如图2.1所示。
图2.1系统总体结构框图
2.2 音乐喷泉系统工作过程
话筒采集声音信号，然后将声音信号转换成电压信号，通过声音放大电路放大电压限号，然后再将信号转到ADC0832，经过AD转换预处理，然后输入到51单片机当中，51单片机经过数据处理，分别将处理的结果传到彩灯电路以及电机驱动新芯片当中，通过PWM调节电机转速和彩灯亮度[2]。
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