基于 51單片機(jī)的音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單紅嬌,高涵,徐迎俊,武陽(yáng),陳嵐峰（沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034）

基于 51單片機(jī)的音樂噴泉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單紅嬌,高涵,徐迎俊,武陽(yáng),陳嵐峰
（沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034）

摘要:利用單片機(jī)系統(tǒng)控制音樂噴泉并通過電腦進(jìn)行音樂編程可以輕松地變換水形及顏色使其達(dá)到和諧與統(tǒng)一。本文介紹了基于AT89C51單片機(jī)的小型音樂噴泉的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)51單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，水形花樣多，成本低更富有觀賞性。

關(guān)鍵詞:音樂噴泉設(shè)計(jì);單片機(jī);變頻;控制系統(tǒng)

1音樂噴泉造型總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

音樂噴泉中間采用牽牛花噴頭作為其主噴頭，旁邊還有幾個(gè)小噴頭其噴嘴采用扁嘴式噴頭，主噴頭與小噴頭相互配合噴出美麗的效果。通過控制系統(tǒng)使燈光，音樂和水形相呼應(yīng)：音調(diào)高時(shí)水流急速水柱高度迅速上升，音調(diào)降低時(shí)水柱高度逐漸下降并伴隨著燈光的變化。其中應(yīng)用兩個(gè)水泵分別控制主噴頭及旁邊的小噴頭。而控制水泵的則是51單片機(jī)，通過單片機(jī)控制三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制水壓使其出現(xiàn)多種多樣的水形。

2硬件設(shè)計(jì)

噴泉的總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為單片機(jī)控制系統(tǒng)作為音樂噴泉的主控系統(tǒng)，其組成為音樂控制系統(tǒng)，燈光控制系統(tǒng)，水泵系統(tǒng)及變頻器調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.1單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)可以通過控制變頻器來控制水泵，分別通過光電隔離與延遲放大使噴頭與音樂燈光相配使其可以隨音調(diào)的高低隨意改變水形及燈光。由于以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路與51系列完全兼容所以使用起來很方便。當(dāng)然其顯著的特點(diǎn)是擁有4KBFlashROM在開發(fā)的過程中可以對(duì)其進(jìn)行任意修改大大的縮短開發(fā)周期。該控制系統(tǒng)是通過對(duì)音樂信號(hào)的處理將其轉(zhuǎn)換成匯編程序存入單片機(jī)使單片機(jī)唱歌,而且在該程序之中還加入其他控制語(yǔ)句。單片機(jī)對(duì)變頻器的控制也與之類似,只不過控制的編制是根據(jù)音樂的頻率進(jìn)行編制的,而且查表的方式也有所不同,變頻器根據(jù)所接受的信號(hào)輸出不同的頻率值以此控制水泵的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而達(dá)到控制噴泉管路中的流量,這樣就可以控制水柱的高度和花形大小了。燈光和音響是由同一個(gè)口經(jīng)延遲放大電路后使它們達(dá)到同步動(dòng)作,而燈光之前須接一個(gè)固態(tài)繼電器以驅(qū)動(dòng)燈具,并使之與單片機(jī)隔離。

（1）音樂控制系統(tǒng)原理。在設(shè)計(jì)中音樂控制系統(tǒng)可對(duì)來自光盤DVD、CD等的基本特征例如整體曲風(fēng)及其傳達(dá)的情感進(jìn)行提取并將得到的信息傳遞到單片機(jī)，系統(tǒng)將辨別采集到的音樂信號(hào)的強(qiáng)弱并依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱來控制電機(jī)的速度以此來實(shí)現(xiàn)水流大小及形狀的變換。其主要流程為音頻信號(hào)首先經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行運(yùn)算后依次進(jìn)行濾波及AD采樣最終轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。單片機(jī)根據(jù)這些信息靈活的控制LED燈的亮滅及水柱的高度；

（2）單片機(jī)在音樂控制上的具體應(yīng)用。1）自動(dòng)選曲功能：音頻資源豐富當(dāng)將所有模擬信息輸送到單片機(jī)內(nèi)時(shí),由操控員設(shè)定好要播放的曲目后，單片機(jī)便會(huì)記錄這一信息，在以后的運(yùn)行中便會(huì)從龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)中選出所選的音頻進(jìn)行播放；2）實(shí)現(xiàn)同步播放：為保證噴射與音樂的同步用電腦向單片機(jī)中輸入同步播放程序以防止噴射相對(duì)于控制的延遲。

2.2變頻控制系統(tǒng)

如圖4所示，變頻器的核心為：變頻控制器，可編程控制器及變頻器控制器。一部分音樂經(jīng)功率放大器送到外部音箱而另一部分則通過可編程序控制器將音樂送至變頻控制器輸出。變頻控制器可以改變水泵的出水量以此來控制噴泉的噴水效果。控制器的三路電子開關(guān)可以控制繼電器從而控制負(fù)載運(yùn)行當(dāng)然控制器還可以使由變頻調(diào)速器控制的水形更富有活力形狀更加多樣化：音樂信號(hào)或程序信號(hào)使噴泉的高度升高時(shí)其水下的燈光和水形也會(huì)多起來，相反如果噴泉的高度逐漸下降那么燈光和水形也就會(huì)減少。因此，噴泉在音樂程序的控制下各色的水形及燈光相互映襯為噴泉增加不少美感。

2.3水泵控制系統(tǒng)

圖1

由單片機(jī)輸出固定的矩形波形通過光耦控制進(jìn)而控制水泵電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同時(shí)也起著調(diào)節(jié)噴泉輸出高度的作用，這一方法采用的是硅調(diào)相的方式。采用可控硅BT169控制220V的交流電。次交流電通過1N4007二極管組成的整流橋后變?yōu)閱蜗蛑绷麟?，由單片機(jī)根據(jù)采樣結(jié)果輸出波形后光耦控制可控硅的通斷就達(dá)到了調(diào)相的目的。其關(guān)鍵是要使矩形波與直流保持同相并由AD采樣來決定到底在直流一個(gè)周期內(nèi)多少時(shí)間是導(dǎo)通的。將直流電壓分壓后作為單片機(jī)的比較器的一個(gè)輸入端，而另一輸入端接一固定電壓（5V）。由定時(shí)器定一段時(shí)間以便找到每個(gè)周期的起點(diǎn)。接著，依據(jù)AD采樣的結(jié)果決定不等的延時(shí)從而使輸出矩形波導(dǎo)通可控硅。

2.4燈光控制系統(tǒng)

LC182是音頻調(diào)制彩燈控制專用芯片，其內(nèi)部分配器頻率的高低受音頻信號(hào)大小的調(diào)制，特別適用于聲光音響控制場(chǎng)合可直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)眾多發(fā)光二極管閃光，也可驅(qū)動(dòng)交流彩色電燈作循環(huán)閃光。LC182為四路驅(qū)動(dòng)輸出他們的內(nèi)部均有信號(hào)整流電路,壓控振蕩器，脈沖分配器。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)開啟LC182時(shí)，LC182四路輸出依次變?yōu)楦唠娖剑溲h(huán)頻率約為0.5～1HZ,一但有音樂信號(hào)的輸入彩燈的循環(huán)頻率就會(huì)隨音頻信號(hào)的大小而變化，其最高循環(huán)頻率為15HZ。

3結(jié)語(yǔ)

為滿足人們對(duì)生活質(zhì)量的進(jìn)一步追求，噴泉的樣式發(fā)生著日新月異的改變，它不僅裝飾著廣場(chǎng)，園林，城市，而且逐漸進(jìn)入人們家里成了必不可少的供娛樂的設(shè)施。當(dāng)然，噴泉的種類有單一到繁多，造型更加優(yōu)美功能更加完善，花形變得靈活，同時(shí)加上了燈光的配合更增添了它的觀賞性。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐立奎.淺談PLC和變頻器在噴泉中的應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程.

[2]王建校.51系列單片機(jī)及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[3]魏世華.變頻器在音樂噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].變頻器世界2006(02):86.

[4].王建校.51系列單片機(jī)及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.