基于单片机的音乐喷泉控制_百度文库
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基于单片机的音乐喷泉控制
基​于​单​片​机​的​音​乐​喷​泉​控​制
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你可能喜欢音乐喷泉控制系统设计摘 要随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷泉以其 独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产 品,音乐喷泉的兴建也越来越多。 根据目前音乐喷泉的发展现状，介绍了一个以 AT89C51 单片机为 核心的小型音乐喷泉控制系统。给出了一个简洁的单片机控制电路， 分析了输出地址，描述了不同类型的输出电路和输入电路
；介绍了从 特定构造的喷池中获得决定喷池动作的喷池数据的原理；给出了主程 序框图和看门狗子程序。采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制 花型。音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。从而使灯光 色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。关键词： 关键词 音乐喷泉；单片机；单片机控制；喷池数据；看门狗子程序1SmallSmall-scale musical fountain control system designAbstractWith the improvement of people's living standard and yearn for building green city, music fountain is more and more popular for its unique charm and special function large numbers of music fountain is increasingly built. According to the present situation of music fountain now, control system of mini type music Fountain based on AT89C51 SCM was introduced．A succinct SCM control circuit was pre―to obtain data from a specific fountain pool .Was elaborated，which will affect actions of the p001．Finally, the structure drawing of main program and the watchdog program were put forward. The flower shapes are controlled by program controlling or man-made keystroke controlling electromagnetic valves. The color、the light and shade of ray are changed by musical signals. So that the color、the light and shade of ray、the spring form is changed with music’s rhythm when music is played． Key Words: music fountain；SCM；SCM control；data of fountain pool；watchdog program2目录摘 要 ............................................................................................................. 1 ABSTRACT ................................................................................................. 2 1 绪 论 ....................................................................................................... 51.1 引言 ......................................................................................................................... 5 1.2 小型音乐喷泉的发展现状 ..................................................................................... 5 1.3 本文主要研究内容 ................................................................................................. 62 喷泉硬件设计 ......................................................................................... 72.1 鱼缸设计 ................................................................................................................. 7 2.2 造型方案设计 ........................................................................................................ 7 2.3 花型及喷头的选择 ................................................................................................. 7 2.4 喷泉照明灯具的选择 ........................................................................................... 10 2.5 水泵和电机的选择 ............................................................................................... 103 喷泉控制系统硬件设计 ....................................................................... 113.1 控制系统硬件总体设计方案 ...............................................................................11 3.2 单片机电路 ............................................................................................................11 3.3 输出电路 ............................................................................................................... 13 3.4 输入电路 ............................................................................................................... 13 3.5 潜水泵调速硬件方案设计 ................................................................................... 14 3.6 灯光硬件方案设计 ............................................................................................... 14 3.7 电磁阀硬件方案设计 ........................................................................................... 15 3.8 解决系统时间滞后硬件电路设计 ....................................................................... 164 喷泉控制系统软件设计 ....................................................................... 17 喷泉控制系统软件设计4.1 喷池数据 ............................................................................................................... 17 4.2 主程序框图 ........................................................................................................... 18 4.3 控制潜水泵软件设计模块 .................................................................................. 1934.3.1 潜水泵开关调速的原理 ............................................................................... 20 4.3.2 潜水泵开关调速的软件设计 ........................................................................ 20 4.4 控制电磁阀软件设计模块 ................................................................................... 21 4.5 歌曲存储模块 ...................................................................................................... 22 4.5.1 音频脉冲的产生 ............................................................................................ 22 4.5.2 音乐程序 ........................................................................................................ 24 4.6 灯光控制模块 ....................................................................................................... 26 4.7 看门狗子程序 ....................................................................................................... 27 4.8 实验仿真 ............................................................................................................... 27结 论 ........................................................................................................... 29 致 谢 ........................................................................................................... 30 参 考 文 献 ............................................................................................... 314第一章 绪论11.1 引言绪 论随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求越来越高,城市环境建设日益为 人们所重视。喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景,不断的出现在城市的广场、公 园及其它公共场所，早些的喷泉都是固定不可调的，显得有些单调，随着科技的 发展音乐喷泉也进入了我们的城市。音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，音乐喷 泉将喷水图形、彩色灯光及音乐旋律构成一个有机的整体，随着乐曲旋律和节奏 的变化，各种不同的喷水花形相应的配合变换，在五彩绚丽的变幻灯光照耀下， 构成一幅幅奇妙无比的景观、令人赏心悦目，叹为观止，在视听上获得极大的享 受。音乐喷泉的起源于 1930 年，德国人首先带出喷泉的概念，此后经过多年的发 展，其音乐喷泉的设计及构造已变得更大型及复杂。随着我国改革开放政策的不 断实施，80 年代中，我国也相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环 境，活跃人民的文化生活起了良好的作用。通过学习和引进国外先进技术，加上 自行研究和开发，喷泉的面貌不断更新，各种新水型层出不穷，音乐喷泉还可以 同水幕电影、激光表演和舞台表演相结合，产生令人难忘的艺术效果。我国现有 上百家喷泉水景设备制造厂，经过市场竞争、优胜劣汰，我国已经出现了几家综 合实力较强的大型喷泉水景工程公司，能够独立建设投资上千万元的特大型喷泉 水景工程，并创造了一些世界之最的新记录。总体上说，我国的喷泉水景技术已 经达到了国际先进水平，其建设规模和市场需求更是其他国家所难以相比的。 本次设计内容有：首先进行音乐喷泉产品的市场分析并制定总体方案及其系 统规范，其次进行音乐喷泉硬件模块化设计，再次进行音乐喷泉软件模块化设计， 最后是组装调试，并进行总结。1.2 小型音乐喷泉的发展现状 小型音乐喷泉的发展现状从喷泉概念的提出发展至今喷泉技术已越来越成熟，许多高科技技术也得到 不断的应用。起初，喷泉被用来装饰我们的城市出现在各大广场、公园等公共场 所，为城市环境增色不少。但是随着人们生活品质的提高，越来越多的人迫切希 望小型的音乐喷泉能走进人们的家中，搬进室内。 目前，国内对小型音乐喷泉的研究和开发都较少，技术不成熟。小型音乐喷 泉不仅是一种观赏性较高的艺术水景，而且能增加周围空气湿度，减少空气中的 尘埃，降低空气温度。喷头向上喷出的水珠与空气中的水分子高速撞击后能产生5西京学院学士学位论文大量的负氧离子，从而对改善环境起着综合作用。经过市场调查分析, 随着 人们生活质量的提高，小型音乐喷泉在国内的建设将会越来越多，市场前景较好。 综上所述，决定设计和开发小型音乐喷泉。1.3 本文主要研究内容经过大量的调查，针对家庭用户要求价格实惠，在五百元以内是可以接收的。 要求系统有现场采集并处理的能力，如现场采集某音频设备播放的任意一首歌， 并用水柱表现出来；对于家庭用户要求不占地方，中等尺寸鱼缸就可以安装。易 于维护，用户能控制花型的变化等。 目前音乐喷泉的控制系统部件有可编程序控制器PLC、单片机、基本电路的组 合等。 小型音乐喷泉可以使用基本电路作为控制器，但如果要求控制效果比较理想 的话就离不开变频器；使用 PLC 的话就必须给 PLC 一个控制信号，一般不单独使 用 PLC 去控制音乐喷泉；既然小型音乐喷泉的控制系统要求不是很复杂，而单片 机具有对音乐信号采样和不是很复杂的处理能力，因此使用单片机可以直接利用 处理后音乐数据去控制电机和电磁阀，进而控制音乐喷泉的花形、水柱高低等,而 且成本最低，综上所述，本设计选用单片机作为小型音乐喷泉的控制系统部件。 模块化设计的内容有： ① 喷泉硬件设计，在选择了鱼缸后，选择了各种喷头,灯具和潜水泵。 ② 潜水泵控制模块。对于一般的家庭用户，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就行。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。 ③ 灯光控制模块。尽量使用小功率的灯具设备，为了能使用各种灯具设备， 减小软硬件设计难度，利用较便宜的音频调制灯光控制芯片。 ④ 花型控制模块。采用用户按键选择花型和程序自选花型两种形式，用户按 键选择的花型通过 LED 显示出来。 ⑤ 歌曲存储模块。采用程序存储器来存储用户比较喜欢的歌曲，如有必要， 可以扩展程序存储器。 ⑥ 延时模块。由于单片机处理数据的能力有限，为了便于以后使用傅立叶变 换增加更多滞后时间，要求在外围采用硬件延时电路。6第二章 喷泉硬件设计2喷泉硬件设计2.1 鱼缸设计本音乐喷泉系统主要应用于大型金鱼缸中。金鱼缸已经是批准生产了，其主 要参数已经固定，本系统以圆形金鱼缸 1500mm 进行说明。2.2 造型方案设计设计方案：根据所选择的金鱼缸规格,喷泉管道设计如图 2.1 所示,设置十三 个喷头，分内外两圈布置。图 2.1管道造型2.3 花型及喷头的选择选择单射型、蒲公英型、向心型、礼花型、旋转型、水柱型、牵牛花型、蘑 菇型花型，相应喷头参考如下表 2.1[1]7西京学院学士学位论文表 2.1喷头参考参数连 接 形 式 内喷头 名称喷头型 号水压 (kpa)流量 (m3/h)喷高 (m)连接管 直径 DN(mm)安装尺 寸 A(mm)安装尺 寸 B(mm)数 量树冰 喷头1 140 +10SB-21912－450.6-1.130.2-0.520螺 纹 内直流 喷头2 701 +40WX-11743-670.2－0.40.2-0.515螺 纹 内2 100 +60花柱 喷头HZ-11224．2-470.3-0.740.2-0.525螺 纹 内旋转 喷头 牵牛 花喷 头 涌泉 喷头 孔雀 开屏 喷头 扇形 喷头XZ-30725-500.5-10.2-0.525螺 纹 内140+801PML50601.200.4020螺 纹 内160+1401YQ-20137.0-68.00.4-10.45-0.7025螺 纹 内200-801KQ-210701.500.6040螺 纹 内600+4501SX-213-230.3-0.60.2-0.540螺 纹200+1202雾状 喷头 WZ-112 16-65 0.24-0.47 0.2-0.5 20内 螺 纹 45 +20 18西京学院学士学位论文 礼花 喷头 LH-207 3.4 0.3-0.7 0.2-0.5 40 内 螺 纹 加 气 喷头 JQ-309 44-65 0.2-0.37 0.2-0.5 25 内 螺 纹 230 +50 1 100 70 2说明：① 喷头系列来源于宜兴市陶都喷泉设备厂。 ② 其中内圈选用一个牵牛花喷头和四个礼花喷头。 牵牛花喷头又称喇叭花喷头。它是利用折射原理，喷水时形成均匀的薄膜， 其形状在无风和一定的水压下可形成完整的喇叭花型。这种喷水适用于室内或庭 院的喷水池。在喷头下方可安装阀门调节水量，同时还可以调节喷头顶部的盖帽， 使喷水花型达到最佳效果，半球喷头与此原理相同。 雾状喷头它喷出的水滴非常细小，成为雾状，在阳光照射下可形成七色彩虹。 因喷嘴构造差异，喷出的水姿也有不同，喷水时噪声小，用水量少，一般安装在 雕像周围。 直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种 喷头装有球型接头，可沿垂直方向 15 度进行调节，万向直流喷头可组合各种不同 形状的喷射效果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小定。 孔雀开屏(半球蒲公英)喷头 半球蒲公英喷头也称孔雀开屏喷头，但它结构原理与构造形式和开屏(散射) 喷头都不相同，而与蒲公英喷头基本相同，其区别仅在于它是半球形，喷出的水 姿像半环蒲公英，又像孔雀开屏。对水质的要求与蒲公英喷头相同，可应用于各 种喷水池中。 花柱喷头是多孔散射喷头的一种，又名层花喷头、花篮喷头等。喷水时，其 外观形似一束鲜花，造型美观，安装方便，适用于各种场合的喷水池中。 旋转喷头是利用水流的离心作用和反作用力的推动，使喷头边喷水边旋转。 由于喷头的支管数目。弯曲方向及喷头安装的倾斜角度不同，在喷水时形成美观 多姿的不同造型．如旋转喷头、旋转花篮喷头。 涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸 入，使水姿形成充满空气的白色水丘，这种喷头可用较少的水量获得丰满庞大的 景观，它可广泛用于各种场合喷水池中。 礼花喷头是多孔散射喷头的另一种，又称莲蓬喷头。由于它与花柱喷头的构 造稍有不同，喷出的水姿与花柱也有区别，它的喷水造型尤如正在燃放的礼花， 造型美观，安装方便，适用于各种场合的喷水池中。9西京学院学士学位论文加气喷头也称为掺气喷头、泡沫喷头、吸气喷头等。这种喷头用射流泵的原 理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷头的水柱呈白色不透明 状，反光效果好。调节外套的高度可以改变吸入的空气量，吸入空气越多，水柱 的颜色越白，泡沫越细，喷头有球形接头，可绕中心线轴向 15 度转动。它适用于 室内外的各种喷水池中。2.4 喷泉照明灯具的选择喷泉的照明可分为：固定照明、闪光照明和调光照明、水上照明和水下照明。 本设计采用水下照明和闪光彩灯。水下照明灯配置是将灯泡装在密闭的灯具外壳 内；置于水面下 5～10 厘米处，闪光彩灯是嵌于金鱼岗池壁之中。为了安全，本 系统水下灯使用 12 伏的低压电源，并在灯泡的外面设有不锈钢的保护罩。2.5 水泵和电机的选择由于本系统所需流量较小，且使用于家庭， 在此选择电机工作电压为 220V。 水泵的种类很多，在喷泉系统中使用较多的是离心泵、潜水泵等。离心泵又分为 单级离心泵、多级离心泵，其送水高度可达数百米。潜水泵可以直接置于喷水池 或天然河湖等水体内，因此可以省去大量的管道布置和水泵房等设施。同时具有 以下特点：体积小、重量轻，移动和安装方便;操作简便，由于泵体浸在水中，没 有吸水扬程，所以启动前不需灌水，只要接通电源就能出水;成本低廉，它只要很 短的出水管，没有吸水管和长的输水管，不装低阀和逆止阀。潜水电泵一般可以 在 0.7 倍～1.2 倍的额定流量范围内正常运行。 鉴于潜水泵的以上特点以及本设计 的特点， 根据喷泉管道系统中所需的流量及总扬程， 选择潜水泵的型号见表 2.6[2]：表 2.6 潜水泵的型号 额定流 型号 量 (m3/h) QDX40-4-0.75 QDX5-4-0.06 15-25 5 额定 扬程 (m) 4 4 额定功 率(kW) 0.75 0.060 额定转速 (r/min)
额定电 流(A) 1.4 0.3 额定电压 (V) 220 220 配管外 径(mm) 25 2510第三章 喷泉控制系统硬件设计3喷泉控制系统硬件设计3.1 控制系统硬件总体设计方案该音乐喷泉控制系统的总体结构如图 3.1 所示，由音乐输入系统、数模转换 系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成。图 3.1 系统总体结构3.2 单片机电路选用 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，因而使用方便。其最大特点是内部有 4KB Flash 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。 单片机电路如图 3.2 所示。除复位和晶振电路外，还有以光耦 4N35 为主的输 入隔离电路、BCD 拨码开关和用 74HC373 的输出寄存器组。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。 为了充分利用单片机已有资源，尽可能简化硬件电路，这里采用线选法扩展 I/O 口来扩展输出寄存器 74HC373。如果准备用指令：MOV X @DPTR，A 来向 74HC373 输出数据，DPTR（数据指针寄存器）中的地址和数据输出的目标如下： 01XXH 数据输出至 0# 74HC373 02XXH 数据输出至 1# 74HC373 04XXH 数据输出至 2# 74HC37311西京学院学士学位论文08XXH 数据输出至 3# 74HC373 10XXH 数据输出至 4# 74HC373 20XXH 数据输出至 5# 74HC373 40XXH 数据输出至 6# 74HC373 80XXH 数据输出至 7# 74HC373 这里 XX 代表任意值，可取 00。由图 3.2 可知，由于不使用 P0 口地址，所以 由 P0 口出的低 8 位地址信号可以为任意值，由于 P2 口各引脚分别接 74HC373 的 输入控制端 G,所以地址信号的高 8 位只能是使 8 个 G 端仅一个为高电平的那些二 进制数：O1H 02H 04H 08H 10H 20H 40H 80H 中的一个。 也可用选通 74HC373 的 MOV P2，B 与起输出作用的 MOV P0，A 之类的指令来 输数据，则当 B 的内容为 01H/02H/04/8H/10H/20H/40H/80H 时，则 A 的内容输出 的目标寄存器也依次为 0#至 7#的 74HC373 之一。 图 3.2 中 R2、C4 使开机复位期间各 74HC373 的(输出允许)端存在～高电平， 避免 373 内部随机数的输出而引起喷池中水泵、电磁阀和彩灯的误动作。BCD 拨码 开关可向单片机输入 0--9 中任一数码，来改变单片机输出两组数据的时间间隔。图 3.2 单片机电路12西京学院学士学位论文3.3 输出电路输出电路是指接于图 3.2 中 74HC373 各 Qi 端的电路。图 3.3 为使用双向可控 硅 BCR 的输出电路。由于 74HC373 的输出电流远小于 BCR 所需的触发电流，故加 入外围驱动电路 ULN2003A 的一个单元。其输入端所接的 LED 用于指示电路状态， 使用高亮度 φ 3 红 LED，当 Qi 为高电平+5V 时 LED 能正常发光，实测电流为 0．8mA 多，足以使 2003 输出端饱和而吸收近 30mA 的触发 BCR 的电流。图 3.3 中产生触 发电流的+9V 电源来自+5V 稳压电源的未稳压端，以减轻稳压块的负担。闭合图 3 中的开关 K，程序会向各输出寄存器输出数据 FFH，用以检测从单片机到各 BCR 之 间的各输出回路是否正常。图中 RL 可以是彩灯、电磁阀的线圈，也可是用以控制 水泵电机的接触器线圈。图 3.3 使用 BCR 的输出电路3.4 输入电路在这里，输入电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将 检到的信号以电平、脉冲或数字形式送至单片机的电路。为说明简单计，这里仅 介绍能反映乐曲启停的奏曲信号电路。因为有了它，音乐已不再仅是背景音乐， 音乐已用来控制整个喷池的动作与否，因而已达到了音乐喷泉的最基本要求。 奏曲信号电路的框图如图 3.4 所示。左右两路立体声信号经混合后送限幅放 大电路放大，这样即使是极弱的乐曲信号也能有足够强度媳信号输出。整流滤波 电路用以将信号转为单向信号。电压比较器用以将大于基准电压的单向信号变换 成低电平有效的奏曲信号由之端输出。通过调整基准电压，可使电路既不受干扰 的影响又灵敏度最大。奏曲信号电路的输出经 R3 送至光耦 4N35 在单片机 P1．5 引脚产生一低电平信号。13西京学院学士学位论文图 3.4 奏曲信号电路框图3.5 潜水泵调速硬件方案设计VCC U1P2.0 P2.1 P2.2R1JP1 1 3 34012 4 R4R2 Q1 TRIAC C1 R7NLJ1 1 2 N CON2NOTR3 U2 NOTJP2 1 3 34012 4 R5R6 Q5 TRIAC R8TH J2 TM高 高 中 高Q6 1 2 3 4TLM低 高C2 CAPLCON4R9 U3 NOTJP6 1 3 34012 4R11 Q7 R10 TRIAC C3 R12图 3.5 潜水泵调速硬件电路图 方案一：采用变频器，调速方便、容易，只要控制口电流范围为 4 到 20 毫安 就可以，精度高，缺点价格偏贵。 方案二：采用单相电机调速电路，这样会增加电路复杂性，控制精度偏低， 优点是价格偏低。本系统是小型家用系统，成本问题必须考虑，控制精度要求不 是很高，单相电机调速电路就可以满足要求。 选择方案二, 潜水泵调速硬件电路图见图 3.5[3]。3.6 灯光硬件方案设计方案一：使用大功率，不同颜色的发光二极管。 方案二：使用 LED 水下低压彩灯。LED-水下彩灯系列除广泛使用于喷泉，瀑14西京学院学士学位论文布水下照明外，还可用于假山，桥梁等投光照明。 水下彩灯均采用著名荷兰菲利 蒲公司产品，产品结构合理，色彩鲜艳，并进一步改进了其密封、防护和接线方 式，广泛适合于各种喷泉。 本次设计采用水下照明和闪光彩灯，水下照明采用 LED 水下低压彩灯两个， 闪光彩灯采用不同颜色的发光二极管 。水下照明采用单独接线，彩灯与 LC182 的 连接见图 3.6。IN或 B3JP1 2 5 D1 D5 D9 D13 D17 1 3 7 4 6 8 LC182 LED D3 LED D7 LED D11 LED D15 LED D19 C20 C21[4]10uFR22B2+1M 47uFQ1 SCR+5LED D2LED D6LED D10LED D14LED D18LED D4LED D8LED D12LED D16LED D20LEDLEDLEDLEDLED图 3.6 彩灯与 LC182 的连接3.7 电磁阀硬件方案设计方案一：采用快速比例阀，它能实现对液体压力和流量连续地，按比例阀地 跟随控制信号而变化，控制性能优于开关式控制，成本高。 方案二：采用普通电磁阀，属于普通开关式，价格便宜。 综合考虑，并结合本系统的性能要求，选用方案二。普通电磁阀与单片机的 接口电路见图 3.7[5],共 13 个口，高电平口使电磁阀有电，电磁阀编号与 PA、PB 口的编号对应。15西京学院学士学位论文VCC R27 RES2 U5 OPTOISO1 NOT R28 RES2 U6 OPTOISO1 NOT U8 U7 J5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 CON14 +241#PA01#PA1~~~1#PB41#PA0~PA7,PB0~PB4R39 RES2 U14 OPTOISO1 NOT U15图 3.7 普通电磁阀与单片机的接口电路3.8 解决系统时间滞后硬件电路设计由于单片机采集数据并处理需要一定的时间，加上电机响应和水柱显示也需 要一定的时间。电机由一种转速到另一种转速的响应时间可以查电机参数得到， 电动机的响应时间为 0.04S，单片机采集处理数据程序约为 100 句，约为 0.6ms， 水柱的显示延时可以通过水闸效应计算出来，经计算总延时约为 0.2S。提出两种 解决方案。 方案一：采用预处理，即把要控制的音乐元素提前编辑好，提前控制。 方案二：采用把音乐延时播放，即在音乐源与音响间加延时电路，调节参数， 使音乐与水柱的变化同步。 音乐元素提前预处理一般使用在工控机等数字处理能力非常强的控制系统 中，使用单片机一般实现不了这个预处理目标。因此采用延时电路[6]把音乐延时播 放，选择方案二。16第四章 喷泉控制系统软件设计4喷泉控制系统软件设计程序采用模块化结构，所有用到的常数或数组都用 EQU 或 DATA 或 DB 伪指令 定义与命名，以使程序易于修改、调试和升级。本系统将 TO 溢出中断用于软件看 门狗。4.1 喷池数据喷池数据是用以对喷池内的水泵、电磁阀和彩灯等进行开与关控制的数据。 一组可循环使用的这种数据，就决定了喷泉和彩灯的一个特定的变化形态。这组 喷池数据可称为花样数据。对一个特定构造的喷池，这种花样数据可编写出很多。 下面以图 4.1 为例说明花样数据的编排方法。假设希望外圈喷头每隔一定时 间顺次增喷 2 个喷头，且从 2 个经 4 步顺时针增至 8 个后，再顺次以同样的方向 同样的速度每次减喷 2 个喷头，即从 8 个喷头经 4 步减至 0。以后不断按上述规律 循环变化。在这期间，里圈和中心喷头一直不喷。在不考虑其它控制的情况下， 图 4.1 喷池只需 2 个输出寄存器，其各位控制喷头定义如下：图 4.1 喷头布局例 以上各位若为 1 时相应的喷头喷水，为 0 时不喷水，则外圈喷头数据应为： B B17西京学院学士学位论文11 1111B BB B 若该花样数据定义为 HYSJ01 则数据定义如下： HYSJ01： DB 03H，0FH，3FH，0FFH，0FCH，0FOH，0COH，00H；外圈喷头数据 DB 0,0，0，0，0，0，0，0 ； 里圈和中心喷头数据 每次将花样数据输出时都是顺次取一列输出的，且可循环取用。显然这样的 花样数据可以编不少，还可将两个以上的数据搭配起来，组成新的更复杂一些的 花样数据。4.2 主程序框图程序重新设置后，进入 0000H 开始的主程序，其流程图如图 4.2 所示。可以 看出：P1．4 上的开关 K 决定是否测试输出通道；乐曲是否演奏决定了喷池是否有 动作，即 P1．5 的电平；拔码开关的设定值决定了延时多少倍的 0．1 秒时间，即 喷池动作改变的时间间隔：奏曲每停一次(大多数乐曲奏曲中间不会停)，下次再 奏曲就换一组花样数据，若用完了最后一组，以后就从头再取。也就是多个乐曲 依次轮流循环使用编制好的喷池花样数据。18西京学院学士学位论文图 4.2 主程序框图4.3 控制潜水泵软件设计模块目前，潜水泵结构简单，成本较低，控制方便，只有一种转速。要控制潜水 泵的流量变化，就必须使潜水泵的转速发生变化。 我们使用无触点开关分时接通的方法提高潜水泵的转速档次，在硬件电路基 本不变的条件下，使潜水泵具有十八档转速的调速能力和更好的节能效果，这种 方法无需增加较多的硬件，仅在控制器中采用新的调速程序，即可达到提高潜水 泵转速档次和节能的目的。19西京学院学士学位论文4.3.1 潜水泵开关调速的原理 潜水泵调速电路如图 3.5 所示， L、M、H 分别为单相潜水泵的低速抽头、中 速抽头和高速抽头，单相潜水泵采用电容运行方式，三个抽头与电源的连接由三 个双向晶闸管 TL、TM、TH 来控制，当 TL 导通时潜水泵的低速抽头与电源连接， 潜水泵低速运转，同样，TM 导通时潜水泵中速运转，TH 导通时潜水泵高速运转。 我们采用分时接通 L、M、H 的方法，可以调节潜水泵的转速，使潜水泵获得十八 档转速的变速能力。设电源频率为 50HZ，其周期为 0.02S，取调速周期 TS=6T（T 为电源周期），低速调速时，调速周期内不接通任何一个晶闸管，则潜水泵的转 速 0，调速周期内全接通晶闸管 TL，则潜水泵低速运转，但如果在 6 个电源周期 内，N 个周期接通晶闸管 TL（0≤N≤6），其他时间不接通，那么，在潜水泵的低 速下可获得 6 档更低的转速。同样，中速调速时，调速周期内全接通晶闸管 TL， 则潜水泵低速运转，全接通晶闸管 TM，则潜水泵中速运转，如果在 6 个电源周期 内 N 个周期接通晶闸管 TM，（6-N）个周期接通 TL，那么在潜水泵的低速和中速 之间可获得 6 档转速。同样道理，在中速和高速间又可获得 6 档转速。由此可见 采用分时接通的方法，可以使潜水泵具有十八档转速的调速能力。 4.3.2 潜水泵开关调速的软件设计 单相潜水泵采用单片机 AT89C51 控制，单片机的输出端口 P2.0、P2.1、P2.2 经反相器与晶闸管 TL、TM、TH 的控制极连接，当 P2.0=“0”时，晶闸管导通，潜 水泵可低速运转，反之，P2.0=“1”时，晶闸管截止，潜水泵停转，即由 P2.0 输 出电位控制潜水泵的低速档；同样，由 P2.1 输出电位控制潜水泵的中速档，P2.2 控制潜水泵的高速档。采集的音乐信号经过傅立叶变换再去查幅值对应的分贝转 速表直接得到转速代码，这样就可以控制潜水泵的转速，再此只以生日快乐音乐 程序为例，控制潜水泵转速的方法如下： 每个音符对应一种转速代码，潜水泵的转速随音符改变而改变。调速程序必 须经过一个最小时间 1/4 拍才能输出一个转速代码的转速，在调速程序中，采用 一个存储单元（90H）作为转速输入单元，另一个存储单元（95H）记录晶闸管导 通时间，并通过延时程序来实现。 在调速程序中，我们采用 8 位数据记录电机的转速代码，其中低 3 位（b2b1b0） 表示接通比例 N，第 4、5 位（b4b3）表示接通档次，高 3 位（b7b6b5）不用。接通 档次表示调速为低速调速、中速调速还是高速调速，其值为 b4b3={00B，01B，10B， 11B}，当接通档次为 00B 时，在转速代码设定的接通比例内接通晶闸管 TL，接通 比例外不接通晶闸管；当接通档次为 01B 时，在转速代码设定的接通比例内接通 晶闸管 TM，接通比例外接通晶闸管 TL，当接通档次为 10B 时，在转速代码设定的20西京学院学士学位论文接通比例内接通晶闸管 TH，接通比例外接通晶闸管 TM；当接通档次为 11B 时，接 通比例只有 00H 一种，这时在整个调速周期内接通晶闸管 TH，潜水泵高速运转。 接通比例的取值范围 000B-110B，由此可知，转速代码的取值范围为 00H-06H， 09H-0EH，11H-16H 总共十八个代码，其中 00H-06H 为低速档代码，09H-0EH 为中 速档代码，11H-16H 为高速档代码。所以潜水泵除零速外共有十八档转速。 上述方法可以使潜水泵具备十八档转速的调速能力，但这个方法也有一些缺 点，主要是： ① 潜水泵的转矩是脉动的，使潜水泵的机械噪声增大，在此我采取防止转子 轴向运动的措施减少噪声，把潜水泵和水管固定。 ② 低速档接通比例较低时，潜水泵主轴出现蠕行，不能正常工作，必须限制 最小转速代码。可去掉低速档转速代码中最低接通比例的三个代码，保留转速较 高的十五档转速。采用改进的控制位波形和限制最小转速代码之后，潜水泵在应 用中取得较好的调速和调节流量的效果[7]-[11]。4.4 控制电磁阀软件设计模块控制阀主要是控制喷池花型，由于采用 PA0 到 PA7,PB0 到 PB4 口控制电磁阀， 除去相同的花型喷头，所以喷池花型只有 1 到 256 种。可以人工按键选择，其喷 池花型值通过 LED 数码管显示出来，即第几号花型，选择了喷池花型值就使相应 的电磁阀通电，高电平口使电磁阀有电。高电平口使电磁阀有电，电磁阀编号与 PA、PB 口的编号对应，则 PA、PB 口的喷头数据一样。 控制电磁阀子程序模块 DIAN： MOV ADD ADDC MOV MOV MOV MOVX INC MOV MOVX INC MOV A，31H； A，32H A，33H 34H，A； A， @DPTR, DPTR； A，34H @DPTR，A； DPTR； A，R721求出花型数据保存起来 设置命令字 指向 1#PA 口 高电平口使电磁阀有电 指向 1#PB 口DPTR， #0F700H；指向 1#8155 命令口 #3H； A西京学院学士学位论文MOVX RET@DPTR,A4.5 歌曲存储模块4.5.1 音频脉冲的产生 音频脉冲的产生 若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率） ，再将此周期除以 2， 即为半周期的时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将 I/O 反相， 然后重复计时再反相。就可在 I/O 引脚上得到此频率的脉冲。利用单片机的内部 定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值 TH0 及 TL0 以产生不同频率 的方法产生不同音阶，例如，频率为 523Hz，其周期 T＝1/523＝1912μs，因此只 要令计数器计时 956μs/1μs＝956，每计数 956 次时将 I/O 反相，就可得到中音 DO （ 523Hz ） 。 计 数 脉 冲 值 与 频 率 的 关 系 式 是 ： ÷2÷ 。 式中， 是计数值； N ÷2÷频率 Hz 740 784 831 880 932 988 75 97 61 1760 简谱码(T 值)
N ＝是机器频率，是想要产生的频率。 调各音符频率与计数初值 T 对照如表 4.1 所示。 C 其计数初值 T 的求法： T＝65536－N＝65536－表 4.1 C 调各音符频率与计数值 T 的对照表 音符 低 1DO #DO# 低 2RE #2RE# 低 3M 低 4FA #4FA# 低 5SO #5SO# 低 6LA #6 低 7SI 中 1DO #1DO# 中 2RE #2RE# 频率 Hz 262 277 294 311 330 349 370 392 415 440 466 494 523 554 587 622 简谱码(T 值)
音符 #4FA# 中 5SO #5SO# 中 6LA #6 中 7SI 高 1DO #1DO# 高 2RE #2RE# 高 3M 高 4FA #4FA# 高 5SO #5SO# 高 6LA22西京学院学士学位论文 中 3M 中 4FA 659 698
#6 高 7SI 268 65283每个音符使用一个字节，字节的高 4 位代表音符的高低，低 4 位代表音符的 节拍，表 4.2 节拍与节拍码的对照。如果 1 拍为 0.4 秒，1/4 拍是 0.1 秒，只要设 定延迟时间就可求得节拍的时间。假设 1/4 拍的节拍时间为 DELAY，则 1 拍应为 4DELAY，以此类推。所以只要求得 1/4 拍的 DELAY 时间，其余的节拍就是它的倍 数，如表 4.3 为 1/4 和 1/8 节拍的时间设定。表 4.2 节拍与节拍码的对照 节拍码 1 2 3 4 5 6 8 A C F 节拍数 1/4 拍 2/4 拍 3/4 拍 1拍 1 又 1/4 拍 1 又 1/2 拍 2拍 2 又 1/2 拍 3拍 3 又 3/4 拍 节拍码 1 2 3 4 5 6 8 A C 节拍数 1/8 拍 1/4 拍 3/8 拍 1/2 拍 5/8 拍 3/4 拍 1拍 1 又 1/4 拍 1 又 1/2 拍表 4.3 各调 1/4 节拍的时间设定 曲调值 调 4/4 调 3/4 调 2/4 DELAY 125 毫秒 187 毫秒 250 毫秒 曲调值 调 4/4 调 3/4 调 2/4 DELAY 62 毫秒 94 毫秒 125 毫秒简谱 5 6 7 1 2 3 4 5发音 低音 低音 低音 中音 中音 中音 中音 中音T值
表 4.4 简谱对应的简谱码、T 值 简谱码 简谱 发音 1 6 中音 2 7 中音 3 1 高音 4 2 高音 5 3 高音 6 4 高音 7 5 高音 8 高音23简谱码 9 A B C D E F 0T值
65217西京学院学士学位论文4.5.2 音乐程序 先根据乐谱的音符按表 4.1 建立 T 值表的顺序，把 T 值表建立在 TABLE1，构 成发音符的计数值放在 TABLE 中； 简谱码 （音符， 参照表 4.4） 为高 4 位， 节拍 （节 拍数，参照表 4.2）为低 4 位，音符节拍码放在程序的“TABLE”处 音乐程序模块 START-MU： ORG JMP ORG JMP START： START0： NEXT： MOV MOV MOV MOV MOV MOVC JZ ANL MOV MOV MOV SWAP ANL MOV JNZ CLR JMP SING： DEC MOV RL 00H ； START； 0BH ； TIM0； TMOD，#01H ； IE， 30H， A， A， END0； A， 90H, R5， A， A； A， 90H， SING； TR0； D1； A； 22H， A； A； #0FH； A； #0FH； A； A； R2； #82H； #00H； 30H ； @A+DPTR A； 取到的简谱码暂存于 R2 是否取到 00（结束码）？ 不是，则取低 4 位（节拍码） 为调速保存数据 将节拍码存入 R5 将取到的简谱码再载入 A 高低 4 位交换 取低 4 位（音符码） 保存音符码，为调速做准备 取到的音符码是否为 0？ 是，则不发音 跳至 D1 取到的音符码减 1（不含 0） 存入（22H） 乘2 主程序起始地址 跳至主程序 TIMER0 中断起始地址 跳至 TIMER0 中断子程 设 TIMER0 在 MODE1 中断使能 取简谱码指针 简谱码指针载入 A 至 TABLE 取简谱码[12]。DPTR，#TABLE；MOV R2，24西京学院学士学位论文MOV MOVC MOV MOV MOV RL A； INC MOVC MOV MOV SETB D1： 子程序 INC JMP END0： TIM0： CLR JMP PUSH PUSH MOV MOV CALLDPTR， #TABLE1； A， TH0， 21H， A， A； A， @A+DPRT； TL0， A； 20H， A； TB0； CHULIKOU； 30H； NEXT； TR0； START0； ACC； PSW； TL0， TH0， 20H； 21H @A+DPRT A； A； 22H ；至 TABLE1 取相对的高位字节计数值 取到的高位字节存入 TH0 取到的高位字节存入（21H） 再载入取到的音符码 乘2 加1 至 TABLE1 取相对的低位字节计数值 取到的低位字节存入 TL0 取到的低位字节存入（20H） 启动 TIMER0 调用以 1/4 拍为基本单位时间的调速 取简谱码指针加 1 取下一个码 停止 TIMER0 重复循环 将 A 的值暂存于堆栈 将 PSW 的值暂存于堆栈 重设计数值 将 P1.0 位反相 至堆栈取回 PSW 的值 至堆栈取回 A 的值 返回主程序CPL P1.0； POP PSW； POP RETI； TABLE1： DW DW DW DW TABLE： ；1 DB DB 82H,01H,81H,94H,84H 0B4H,0A4H,04H25ACC；6, 6,6, 6,6, 6 65110西京学院学士学位论文DB 82H,01H,81H,94H,84H DB 0C4H,0B4H,04H；2 DB 82H,01H,81H,0F4H,0D4H DB 0B4H,0A4H,94H DB 0E2H,01H,0E1H,0D4H,0B4H DB 0C4H,0B4H,04H ；3 DB 82H,01H,81H,94H,84H DB 0B4H,0A4H,04H DB 82H,01H,81H,94H,84H DB 0C4H,0B4H,04H ；4 DB DB DB DB DB TABLE2： DB DB DB END 82H,01H,81H,0F4H,0D4H 0B4H,0A4H,94H 0E2H,01H,0E1H,0D4H,0B4H C4H,0B4H,04H 00 04H，05H，06H 09H，0AH，0BH，0CH，0DH，0EH 11H，12H，13H，14H，15H， 16H4.6 灯光控制模块LC182 是音频调制彩灯控制专用芯片， 其内部分配器频率的高低受音频信号大 小的调制，特别适用于声光音响控制场合，可直接驱动驱动众多发光二极管闪光， 也可驱动交流彩色电灯作循环闪光。LC182 为四路驱动输出。他们的内部均有信号 整流电路。 压控振荡器， 脉冲分配器。 在本系统中， 单片机便开启 LC182 时， LC182 四路输出依次变为高电平，其循环频率约为 0.5～1HZ,一有音乐信号的输入，彩灯 的循环频率随音频信号的大小而变化，其最高循环频率为 15HZ。 灯光控制子程序 LUMP： MOV DPTR, #0EF00H ；26初始化 2#8155,PA 口为基本输出口西京学院学士学位论文PB 口为基本输出口,PC 口输入口 MOV INC INC MOV RET A, DPTR DPTR； A， #01H 指向 2#8155PC 口 #1H MOVX @DPTR, AMOVX @DPTR, A4.7 看门狗子程序软件看门狗由“喂狗”子程序和(看门狗定时器)TO 溢出子程序组成。 “喂狗” 子程序如下： DOG： MOV TH0，#OH；模式 1 定时器，在 6MHZ 晶振时，定时约 130MS MOV TL0．拌 0H RET 此子程序应在系统程序的若干处调用，保证在程序正常执行时 TO 总不溢出。 当受到某种干扰程序跑飞时， “喂狗”子程序得不到执行，经 130MS 后 TO 溢出中 断，就会执行如下的(看门狗定时器)To 溢出子程序： TOINT： POP YR1 ；舍去无用栈顶内容 POP YR1 ；YRD 和 YR1 是两个 RAM 单元名 MOV YR0，#49H ；0049H 是本程序设定起始喷池花样序号指令的存放地址 MOV YR1．样 O PUSH YR0 ；使栈顶内容为 0049H PUSH YR1 RETI ；执行 RETI 时 PC 值=0049H，即从 0 号喷池花样开始演出 当执行从中断返回指令 RETI 时，栈顶内容 0049H 就会弹出至程序计数器 PC， 从而重新设定起始喷池花样序号后，再进行乐曲控制初始化，喷池继续正常动作。4.8 实验仿真仿真是利用计算机对实际额屋里模型或数学模型进行试验（虚拟仪器的虚拟 实验） ，通过这样的模型试验来随一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研 究。 近年来计算机仿真技术取得了快速的发展，同时推动了单片机仿真技术的进27西京学院学士学位论文步。目前，用于单片机仿真的工具很多，有些主要用于软件仿真，侧重于算法的 验证；有些用于硬件仿真的工具对 CPU 的仿真能力有限，至于对 CPU 外围的硬件 仿真更是无能为力。 Proteus 在单片机 CPU 和外围器件方面表现出卓越的仿真能力 使其成为目前最好的仿真工具之一。 Proteus 的显著特点如下： （1）全部满足单片机软件仿真系统的标准，并在同 类产品中有明显优势； （2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及外围电 路组成的系统仿真的功能； （3）目前支持的单片机类型有：68000 系列、51 系列、 AAVR 系列等;（4）支持大量的存储器和外围设备。 由于实验室条件原因本设计仿真部分不能在实验室完成，因此仅在此将使用 Proteus 来实现本设计仿真的步骤进行描述如下： 第一步：打开 Proteus 6 Professional 绘图界面。 第二步：添加所需元件并连接电路图。本设计所需元件有：AT89C51、LED 灯、 水泵、电磁阀、扬声器等。 第三步：添加仿真文件。 第四步：单击开始图标，开始仿真。此时喷泉开始运行，根据运行状态进行 源代码的调试。28结论结 论本文结合目前国内音乐喷泉的发展现状，大型音乐喷泉技术发展成熟，小型音 乐喷泉处于起步状态，创新地把小型音乐喷泉引入家庭，设计出实惠的单片机控制 系统，成功地把大型音乐喷泉小型化，成功地把室外大型音乐喷泉搬到室内。大型 音乐喷泉利用变频器调节潜水泵的转速，而本系统成功地改用单片机程序及其控制 电路调节潜水泵转速， 降低了成本。 大型音乐喷泉是把所需的音乐元素提前预处理， 本系统没有提前预处理能力，而是把音乐延时播放，与大型音乐喷泉的处理方法相 反，这样也解决了音乐与喷泉同步性问题。本系统选择花型比较自由，可以程序控 制或人工按键控制电磁阀来选择花型。本系统采用发光二极管和 LED 水下低压彩灯 代替较贵的专用喷泉彩灯非常实惠。由于水平有限，本文肯定有不妥之处。29致谢致 谢首先，衷心的感谢我的两位指导老师苏老师和彭老师。两位老师以其为人师表 的风范、严谨的治学态度以及无私的奉献精神深深地感染了我，从他们身上，我学 到的严谨、求实的工作作风并将使我终生收益，经过这几个月的努力，在两位老师 的精心辅导下，对各种单片机系统了解后，学习和研究了音乐喷泉中用到的各种元 件的相关知识， 以及在实际操作中的具体方法， 纠正了以往对某些知识的错误理解， 并学习了不少知识。30西京学院学士学位论文参 考 文31
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