基于AT89C51單片機的音樂噴泉控制系統設計

煙臺南山學院，山東煙臺 265713

一、引言

當音樂噴泉的水流跟隨音樂展現不同的畫面，會讓人們的心情也隨之浮動，音樂噴泉的出現給人們帶來了許多的樂趣。音樂噴泉較多的是采用單片機控制，單片機是現在控制系統比較常見的一種。它易于操控和管理，為設計者提供許多便利之處，是科技發展的有利產物。

二、系統總體方案設計

音樂噴泉，顧名思義就是將音樂、水流的形狀以及燈光等結合在一起的系統。從物理學中便可知聲音是由物體振動產生的，物體振動的頻率不同，聲音的音調也會隨之變化。由此可知，要想產生由不同聲調組成的歌曲，必須要得到合適的頻率才可，此項可以控制單片機來實現此功能。燈光與水流形狀的結合可以通過程序控制實現。這樣就會產生水流隨著音樂和燈光的變換而相應變化你的場景。這其中的每一個細節都要處理精確，如果有一絲的錯誤可能就會影響整體的效果。因此，在實現系統正式演放前一定要調整好單片機的每一個頻率以及程序的控制。

系統的工作過程為：音樂信號經過限幅放大，通過A/D轉換、單片機對步進電機控制電路的作用，使噴頭噴水產生隨音樂起伏的效果。轉換形狀的頻率隨音樂節奏不斷改變時，便形成了音樂噴泉。

控制系統總體包括五部分模塊：數據采集模塊、輸入輸出電路模塊、軟件設計模塊、歌曲存儲模塊、燈光控制模塊。控制系統的總體結構如圖1所示。音樂的播放可在開啟噴泉時，由計算機播放。根據有無音樂信號（計算機上播放或外部輸入），啟停噴泉。當有音樂信號時，獲取聲音強度，通過A/D轉換、單片機對步進電機控制電路的作用，使噴頭噴水產生隨音樂起伏的效果。

三、音樂噴泉控制系統硬件設計

1、音樂信號的采集

（1） 音頻放大電路

外部音源信號的幅度一般較弱，因此必須要對原信號進行放大處理后才能送入A/D轉換器。本文選擇了LM386芯片設計音頻放大電路，LM386采用雙列8腳封裝結構，它的工作電壓范圍為4～12V，靜態電流4mA，最大輸出功率660mW，最大電壓增益46dB，增益帶寬300kHz，諧波失真0.2%。

通過分析表1中的數據可以發現，考查數學運算、直觀想象素養的試題數量明顯多于考查數據分析、數學建模素養的試題數量．2018年的文理科試卷對6個數學學科核心素養均有考查，而且對各個素養考查的試題數量沒有顯著性差異，此外文科卷中沒有重點考查數學建模素養的解答題，而理科卷則沒有重點考查數據分析素養的解答題，只是在選擇題中有所考查．進一步分析還可以發現，正如上文第三節素養考查分析中所述，有些試題綜合考查了兩種以上核心素養，例如理科第5、8、9、17、18、19、20、21、22題，文科第17、18、20、21、22題等．

（2）A/D轉換電路

輸入的電壓為交流模擬量，不能直接送入單片機進行處理。因此首先采用全橋整流、濾波。使其成為直流信號，再采用了ADC電路。其中ADC芯片為ADC0809。ADC0809的時鐘信號來自單片機89C51的ALE信號，89C51采用12MHz時鐘頻率，ALE為2MHz，經四分頻后為500kHz作為ADC0809的時鐘頻率。用P2.7控制A/D轉換的啟動與轉換結束后數字量的讀取。ADC0809的地址鎖存允許管腳（ALE）H和啟動管腳（START）相連。由P2.7和WR信號經或非門提供的信號使P0.2～P0.0提供的3位通道地址送入ADC0809進行鎖存，用以選取通道號。轉換結束信號EOC作為查詢信號，具體接口電路如圖2所示。

2、單片機電路

單片機要采集音樂信號，并據此調節I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89C51單片機。AT89C51單片機是一個低功耗，高性能的51內核的CMOS 8位單片機[1]，片內含8K空間的可反復擦寫1000次的Flash只讀存儲器，具有256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個I/O口，1個看門狗定時器，3個16位可編程定時器，具有ISP功能，能夠滿足設計要求。使用簡單且價格非常低廉。故系統的主控制器采用此方法。

3、輸入電路

輸入信號電路的框圖如圖3所示。左右兩路立體聲信號經混合后送限幅放大電路放大，這樣即使是極弱的樂曲信號也能有足夠強度信號輸出。整流濾波電路用以將信號轉為單向信號。電壓比較器用以將大于基準電壓的單向信號變換成低電平有效的奏曲信號由之端輸出。通過調整基準電壓，可使電路既不受干擾的影響又靈敏度最大。

4、潛水泵調速硬件方案設計

本系統采用可控硅調相的方法控制噴泉水泵的轉速。電路如圖4所示，由單片機的I/O口輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的導通角，進而控制水泵電機的轉速，調整噴泉的輸出高度。選用單相可控硅BT169控制220V的雙向交流電[2]。交流通過二極管1N4007（耐壓值1000V）組成的整流橋后變為100Hz脈動的直流，由單片機P0.4依據音樂采樣結果輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的通斷，以達到調相的目的。

采用這種方法關鍵要保證矩形波與100Hz脈動直流保持同相，由A/D采樣的結果決定100Hz脈動直流的每一個周期有多長時間是導通的。所以將100Hz脈動直流分壓后作為單片機內部比較器的一個輸入端，另一個輸入端接一個由5V分來的固定電壓[3]。當比較器的輸出結果發生變化時，由定時器定一段時間，這樣就找到了每個周期的起點，然后再根據A/D采樣決定不等的延時來輸出矩形波導通可控硅。A/D采樣結果大，每個周期的延時短，可控硅導通的時間長，水泵電機轉速快，反之亦然。

5、燈光硬件方案設計

使用LED水下低壓彩燈。LED-水下彩燈系列除廣泛使用于噴泉，瀑布水下照明外，還可用于假山，橋梁等投光照明。本次設計采用水下照明和閃光彩燈，水下照明采用LED水下低壓彩燈兩個，閃光彩燈采用不同顏色的發光二極管，本設計采用的彩燈連接如圖5所示。

四、音樂噴泉控制系統軟件設計

程序采用模塊化結構，所有用到的常數或數組都用EQU或DATA或DB偽指令定義與命名，以使程序易于修改、調試和升級。

主程序框圖如圖6所示。程序重新設置后，進入0000H開始的主程序。單片機控制開關決定是否測試輸出通道；樂曲是否演奏決定了噴池是否有動作；拔碼開關的設定值決定了延時多少倍的0.1s時間，即噴池動作改變的時間間隔：奏曲每停一次(大多數樂曲奏曲中間不會停)，下次再奏曲就換一組花樣數據，若用完了最后一組，以后就從頭再取。也就是多個樂曲依次輪流循環使用編制好的噴池花樣數據。

五、仿真結果

利用COOL EDIT軟件對音樂文件取一段音頻信號，曲往事如風的波形圖如圖7所示。經過系統處理后理論上可以得到的數字信號如圖8所示。利用計算機軟件Proteus對單片機控制系統做仿真，經過系統仿真后得到的仿真結果如圖9所示，仿真結果顯示該系統能夠滿足設計的要求。

六、結論

本文嘗試借助計算機軟件Proteus對單片機控制系統做了仿真探討。利用COOL EDIT軟件對音樂文件取了一段音頻信號，并對其進行了轉換來做為本系統的輸入信號。本設計首先著重分析了模擬信號到數字信號的轉換，并將轉換的信號輸送給噴泉的控制開關，分析結果與相關文獻得到了一定程度上的吻合，其次通過設計和調試，達到了系統設計的要求。