单片机音乐喷泉控制系统设计
单片机音乐喷泉控制系统设计[20200128193315]
摘 要
音乐喷泉控制器是音乐喷泉的核心部分。在音乐喷泉中，喷头的多姿造型和缤纷的水下灯光都受喷泉控制器的控制。由于不同的喷泉对水泵和彩灯组数的要求各不相同，因此可以设计一种简单、通用、组数可灵活扩充的喷泉控制器。本喷泉控制器采用全数字集成电路设计，可以灵活改变水泵和彩灯的组数。
本课题利用单片机作为控制核心，设计出了一种控制简单，成本较低且易于推广使用小型音乐喷泉的控制系统。系统原理：是用单片机根据音乐的强弱对电机，水泵或阀门进行控制，以便控制喷泉水柱的高低。输入为音乐成正比的电压信号，输出为对水泵转速或阀门的控制量
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关键字:单片机,音乐喷泉,控制器
引 言 3
一.总体设计方案 4
(一) .方案比较 4
(二) 控制系统的方案设计 5
（三）单片机管脚连接 5
1. AT89C51单片机管脚说明 6
二. 硬件电路的设计 7
(一)系统组成 7
(二)8155的初始化 8
(三) 变频器的选择 10
1.变频器工作控制的原理 10
2.变频器的容量计算 13
3.变频器的频率设定 14
（四） 硬件延迟电路 15
1.延迟时间的计算 15
2.硬件延迟电路设计 16
（五） 系统工作流程 17
三. 控制系统的软件设计 18
（一） 系统资源分配 18
（二） 音乐控制码的编制 18
1.音乐选择 18
2.音频脉冲的产生 20
3.建立音乐控制码表 21
（三） 软件流程 21
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录1：硬件电路原理图 28
附录2：电气接线图 29
附录3：程序清单 30
引 言
目前国内的水上乐园或者公园都会有喷泉，音乐喷泉作为一种新兴的喷泉得到了普遍的应用。音乐喷泉与普通的喷泉相比，附加了音乐的节奏，使得喷泉像具有了灵魂一样，无论从视觉和听觉上都能给观看者以美得享受。国内的一些市县已经开始计划在小区和广场建造音乐喷泉，音乐喷泉的发展十分迅速，音乐也越来越丰富，喷泉水型所体现出来的节奏也是越来越清晰明朗，水柱和灯光的辉映效果也更加和谐。
音乐喷泉的形成是将音乐的节奏和强度转变为控制信号，此信号再控制一个电压控制器件，电源经过这个电压控制器件后，输出电压也随音乐的变化而改变，然后控制水泵电机，改变频率就改变了电机的转速，也就改变了水泵的压力，音乐的不同频率经单片机处理送到变频电机的控制端，使电机转速随音乐的音调，节奏，和强弱变化，水泵的压力随之变化，喷岀的水就有了高低变化。
目前，我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟，但对小型音乐喷泉的研究较少。控制系统是喷泉工程的关键部分，其余部分和普通类型的喷泉基本上一致。音乐喷泉的控制系统可采用可编程序控制器PLC作为控制核心，也可采用工控机作控制核心。但是对于小型音乐喷泉最适合的应是单片机作为控制核心。适合于一般城市小广场和一些小区的小型音乐喷泉，因为它的控制较为简单与方便构造，使用单片机完全可以实现其功能，因为其价格低廉市场上也有的卖所以易于普及，是未来音乐喷泉的发展趋势。
为了使控制简单可靠，适应现代社会的市场需求，各种形式的喷泉层出不穷，并逐步转向小型和营业性较强的方向发展。其音乐喷泉的控制也变得灵活多样，如单片机、PLC、DSP等都在音乐喷泉中有所运用，当然也具有优缺点。本课题针对旅游景点内设计了观赏性的小型“音乐喷泉”。选用单片机作为此次音乐喷泉控制系统设计的控制核心，主要是为了实现单片放音，并控制多个电磁阀的开闭动作和水泵的动作，解决系统中信号的同步性问题。
一.总体设计方案
(一) .方案比较
方案一：基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制系统
此方案优点是新型音乐喷泉控制方法的采样结果可以直接反映音乐强度，并由喷泉控制器与上位机配合工作来实现数据的采集与处理，该方法每0.1秒采样一次数据。当利用前馈补偿方式控制输出时，前馈控制时间完全可由设置的“前馈”时间确定，故可满足实际音乐喷泉前馈补偿控制的需要。可由于硬件条件的限制以及能力的要求较高，实施较困难。
方案二：基于全数字集成电路音乐喷泉控制器
此方案设计分为音控、程控两用的音乐喷泉控制器。控制三组不同颜色的彩灯，五台不同喷泉造型的水泵。音控、程控可用开关手动切换。程控的速度可用电位器调节。音控时，输入音乐的音量直接控制彩灯，音乐音量小则彩灯打开的组数少，音量大则彩灯打开的组数多。整个电路设计简单，通用，基于工程背景，具有可行性。
方案三：基于单片机的音乐喷泉控制系统
采用以AT89C51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，能够简单而又实用的将乐曲控制喷泉的动作。而且以AT89C51为核心的嵌入式控制器，具有性价比高，体积小，易于操作等有点。因此本文采用该方案。
(二) 控制系统的方案设计
图2.1 控制原理图
方案：控制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成，其控制结构形式如图2.1所示。该控制方案是通过对音乐信号的处理，将其转换成单片机可读的程序存入单片机，使单片机发出美妙的音乐，而且再改程序之中还加入其他控制语句。单片机还需喷泉中的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化，其中电磁阀对喷头控制思想是：根据你想要的一些音乐喷泉的效果设计的花形种类和变化方式，通过查阅前人对这一方面的介绍编制不同的控制字制成表存入单片机，当单片机执行程序时，这个表对于单片机来说就像是指导程序，根据这个表，可以达到预想的花形变化，这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。同样，单片机对变频器的控制也与之类似，只不过控制字的编制是根据音乐的频率进行编制的，而且查表的方式也有所不同，这将在后面的内容中进行阐述；变频器根据所接受的信号不同，输出频率值也不相同，以控制水泵的转速，进而达到控制喷泉管路中的流量，就可以控制水柱的高度和花形大小了。灯光和音响是由同一个I/O口经延迟放大电路后，使它们达到同步动作，而灯光之前须接一个固态继电器，以驱动灯具，并使之与单片机隔离。
（三）单片机管脚连接
1.基本引脚：电源VCC、VSS，时钟XTAL2、XTAL1和复位RST。
并行扩展总线：数据总线P0口，地址总线P0口（低8位）、P2口（高8位）和控制总线ALE、PSEN、EA。
串行通信总线：发送口TXD和接受口RXD。
I/O端口：P1口为普通I/O口，P3口可复用作普通I/O口，P0、P2口不作并行口时也可作普通I/O口。
1. AT89C51单片机管脚说明
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
摘 要
音乐喷泉控制器是音乐喷泉的核心部分。在音乐喷泉中，喷头的多姿造型和缤纷的水下灯光都受喷泉控制器的控制。由于不同的喷泉对水泵和彩灯组数的要求各不相同，因此可以设计一种简单、通用、组数可灵活扩充的喷泉控制器。本喷泉控制器采用全数字集成电路设计，可以灵活改变水泵和彩灯的组数。
本课题利用单片机作为控制核心，设计出了一种控制简单，成本较低且易于推广使用小型音乐喷泉的控制系统。系统原理：是用单片机根据音乐的强弱对电机，水泵或阀门进行控制，以便控制喷泉水柱的高低。输入为音乐成正比的电压信号，输出为对水泵转速或阀门的控制量
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:单片机,音乐喷泉,控制器
引 言 3
一.总体设计方案 4
(一) .方案比较 4
(二) 控制系统的方案设计 5
（三）单片机管脚连接 5
1. AT89C51单片机管脚说明 6
二. 硬件电路的设计 7
(一)系统组成 7
(二)8155的初始化 8
(三) 变频器的选择 10
1.变频器工作控制的原理 10
2.变频器的容量计算 13
3.变频器的频率设定 14
（四） 硬件延迟电路 15
1.延迟时间的计算 15
2.硬件延迟电路设计 16
（五） 系统工作流程 17
三. 控制系统的软件设计 18
（一） 系统资源分配 18
（二） 音乐控制码的编制 18
1.音乐选择 18
2.音频脉冲的产生 20
3.建立音乐控制码表 21
（三） 软件流程 21
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录1：硬件电路原理图 28
附录2：电气接线图 29
附录3：程序清单 30
引 言
目前国内的水上乐园或者公园都会有喷泉，音乐喷泉作为一种新兴的喷泉得到了普遍的应用。音乐喷泉与普通的喷泉相比，附加了音乐的节奏，使得喷泉像具有了灵魂一样，无论从视觉和听觉上都能给观看者以美得享受。国内的一些市县已经开始计划在小区和广场建造音乐喷泉，音乐喷泉的发展十分迅速，音乐也越来越丰富，喷泉水型所体现出来的节奏也是越来越清晰明朗，水柱和灯光的辉映效果也更加和谐。
音乐喷泉的形成是将音乐的节奏和强度转变为控制信号，此信号再控制一个电压控制器件，电源经过这个电压控制器件后，输出电压也随音乐的变化而改变，然后控制水泵电机，改变频率就改变了电机的转速，也就改变了水泵的压力，音乐的不同频率经单片机处理送到变频电机的控制端，使电机转速随音乐的音调，节奏，和强弱变化，水泵的压力随之变化，喷岀的水就有了高低变化。
目前，我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟，但对小型音乐喷泉的研究较少。控制系统是喷泉工程的关键部分，其余部分和普通类型的喷泉基本上一致。音乐喷泉的控制系统可采用可编程序控制器PLC作为控制核心，也可采用工控机作控制核心。但是对于小型音乐喷泉最适合的应是单片机作为控制核心。适合于一般城市小广场和一些小区的小型音乐喷泉，因为它的控制较为简单与方便构造，使用单片机完全可以实现其功能，因为其价格低廉市场上也有的卖所以易于普及，是未来音乐喷泉的发展趋势。
为了使控制简单可靠，适应现代社会的市场需求，各种形式的喷泉层出不穷，并逐步转向小型和营业性较强的方向发展。其音乐喷泉的控制也变得灵活多样，如单片机、PLC、DSP等都在音乐喷泉中有所运用，当然也具有优缺点。本课题针对旅游景点内设计了观赏性的小型“音乐喷泉”。选用单片机作为此次音乐喷泉控制系统设计的控制核心，主要是为了实现单片放音，并控制多个电磁阀的开闭动作和水泵的动作，解决系统中信号的同步性问题。
一.总体设计方案
(一) .方案比较
方案一：基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制系统
此方案优点是新型音乐喷泉控制方法的采样结果可以直接反映音乐强度，并由喷泉控制器与上位机配合工作来实现数据的采集与处理，该方法每0.1秒采样一次数据。当利用前馈补偿方式控制输出时，前馈控制时间完全可由设置的“前馈”时间确定，故可满足实际音乐喷泉前馈补偿控制的需要。可由于硬件条件的限制以及能力的要求较高，实施较困难。
方案二：基于全数字集成电路音乐喷泉控制器
此方案设计分为音控、程控两用的音乐喷泉控制器。控制三组不同颜色的彩灯，五台不同喷泉造型的水泵。音控、程控可用开关手动切换。程控的速度可用电位器调节。音控时，输入音乐的音量直接控制彩灯，音乐音量小则彩灯打开的组数少，音量大则彩灯打开的组数多。整个电路设计简单，通用，基于工程背景，具有可行性。
方案三：基于单片机的音乐喷泉控制系统
采用以AT89C51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，能够简单而又实用的将乐曲控制喷泉的动作。而且以AT89C51为核心的嵌入式控制器，具有性价比高，体积小，易于操作等有点。因此本文采用该方案。
(二) 控制系统的方案设计
图2.1 控制原理图
方案：控制系统是由单片机、延迟放大电路、光电隔离电路及电磁阀和变频器组成，其控制结构形式如图2.1所示。该控制方案是通过对音乐信号的处理，将其转换成单片机可读的程序存入单片机，使单片机发出美妙的音乐，而且再改程序之中还加入其他控制语句。单片机还需喷泉中的电磁阀和变频器的动作及灯光的变化，其中电磁阀对喷头控制思想是：根据你想要的一些音乐喷泉的效果设计的花形种类和变化方式，通过查阅前人对这一方面的介绍编制不同的控制字制成表存入单片机，当单片机执行程序时，这个表对于单片机来说就像是指导程序，根据这个表，可以达到预想的花形变化，这样花形的变化就随音乐的节奏而变化。同样，单片机对变频器的控制也与之类似，只不过控制字的编制是根据音乐的频率进行编制的，而且查表的方式也有所不同，这将在后面的内容中进行阐述；变频器根据所接受的信号不同，输出频率值也不相同，以控制水泵的转速，进而达到控制喷泉管路中的流量，就可以控制水柱的高度和花形大小了。灯光和音响是由同一个I/O口经延迟放大电路后，使它们达到同步动作，而灯光之前须接一个固态继电器，以驱动灯具，并使之与单片机隔离。
（三）单片机管脚连接
1.基本引脚：电源VCC、VSS，时钟XTAL2、XTAL1和复位RST。
并行扩展总线：数据总线P0口，地址总线P0口（低8位）、P2口（高8位）和控制总线ALE、PSEN、EA。
串行通信总线：发送口TXD和接受口RXD。
I/O端口：P1口为普通I/O口，P3口可复用作普通I/O口，P0、P2口不作并行口时也可作普通I/O口。
1. AT89C51单片机管脚说明
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
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