藍(lán)牙控制音樂水幕系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院 陳金鋒 肖仁偉

為更大程度的推進(jìn)音樂噴泉走進(jìn)人們的日常生活，融入智能家居系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于MH-M28藍(lán)牙模塊為輸入信號(hào)控制系統(tǒng)的小型音樂水幕系統(tǒng)。輸入信號(hào)經(jīng)ADC0832模塊采樣與LM386功率放大后由喇叭播出。根據(jù)單片機(jī)不同的時(shí)延信息輸入水泵從而控制形成水幕。整體系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)為核心控制器。經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，水幕完整形成，各模塊均能正常工作。

多年來音樂水幕系統(tǒng)憑借其炫彩的音樂、燈光和水幕的變化博得大眾的喜愛。為了簡化音樂水幕系統(tǒng)的控制同時(shí)縮小其體積來彌補(bǔ)家庭市場(chǎng)的空缺，我們進(jìn)行了新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將音頻輸入的控制方式也變得更加多樣化。為了更加方便的控制音頻輸入滿足產(chǎn)品需要，本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為核心處理器，以MH-M28藍(lán)牙模塊和音頻輸入口來控制音頻輸入。

此系統(tǒng)通過更加精簡化的控制方案配合藍(lán)牙模塊的無線音頻輸入和外置設(shè)備的線控音頻輸入來確保在縮減體積的同時(shí)又能滿足產(chǎn)品性能的多種需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)大量相關(guān)資料的分析與研究，本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙輸入、音樂播放、彩燈及水幕變化等多種功能。考慮到產(chǎn)品的實(shí)用性、成本、系統(tǒng)穩(wěn)定性和產(chǎn)品體積等因素，本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主要控制單元，同時(shí)輔以LED頻譜彩燈、MH-M28藍(lán)牙模塊、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、LM386外放喇叭和水泵等模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相關(guān)功能。最終決定總方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

此次設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)主要從兩大方面入手：一是硬件電路設(shè)計(jì)，二是軟件編程設(shè)計(jì)。

硬件電路設(shè)計(jì)部分主要包括核心控制系統(tǒng)、水泵電路、音樂播放系統(tǒng)、LED信號(hào)指示燈電路和藍(lán)牙音頻輸入電路等。

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括單片機(jī)核心系統(tǒng)主程序、聲音信號(hào)采集子程序、LED燈控制子程序和輸出驅(qū)動(dòng)水泵子程序、流程圖及Protues軟件仿真來實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。所有程序設(shè)計(jì)均采用C語言編程完成。在軟件仿真實(shí)現(xiàn)全部預(yù)期功能后，通過電路板焊接、電子元器件組裝、軟硬件調(diào)試來實(shí)現(xiàn)整體水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分采用STC89C52單片機(jī)為主控制單元，音頻信號(hào)通過線控輸入或者藍(lán)牙輸入后經(jīng)功率放大器（LM386）后通過喇叭播放音樂，同時(shí)進(jìn)入ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)時(shí)延次數(shù)來控制水泵的工作形成水幕。此外，8只LED彩燈與單片機(jī)控制器相連，根據(jù)音頻信號(hào)的振幅和頻率變化來實(shí)現(xiàn)彩燈的亮滅。

2.1 核心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主控芯片STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

最小系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：一是時(shí)鐘電路，電容和晶振的組合可以讓時(shí)鐘電路上電后開始正常工作。二是電源電路，由單片機(jī)引腳圖可以看出將引腳VCC和GND與外部電源連接即可構(gòu)成供電回路。三是復(fù)位電路，由按鍵、電阻和電解電容組成，具有上電后自動(dòng)復(fù)位的功能，此外，還可以通過按鍵手動(dòng)復(fù)位。

2.2 水泵電路設(shè)計(jì)

水泵系統(tǒng)通過5V電源供電，水泵為微型水泵，作為藍(lán)牙音樂水幕的噴水口。水泵電路通過單片機(jī)P37口進(jìn)行連接，通過單片機(jī)處理音頻信號(hào)得到的時(shí)延次數(shù)來決定水泵的工作時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)水幕的變化。（由于水泵屬于大功率元器件，無法用單片機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。所以需要通過三極管來實(shí)現(xiàn)水泵的驅(qū)動(dòng)。）

2.3 喇叭電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是LM386芯片作為揚(yáng)聲器放大電路的控制芯片，音頻輸入口與LM386芯片連接，音頻信號(hào)通過單片機(jī)和功率放大器處理后，由外接喇叭播放出來。音頻輸入口還可通過連接線將MH-M28藍(lán)牙模塊與系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)音頻的無線輸入。

圖3 水泵控制電路原理圖

2.4 LED信號(hào)指示燈電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了8個(gè)發(fā)光二極管作為氛圍渲染燈。其中1號(hào)LED燈為電源通電指示燈。其余7個(gè)為音頻音調(diào)變換指示燈。當(dāng)音頻音調(diào)交錯(cuò)變換時(shí)，LED燈會(huì)依據(jù)不同的音調(diào)有不同數(shù)目的彩燈閃爍。

2.5 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是MH-M28藍(lán)牙模塊與手機(jī)或電腦藍(lán)牙進(jìn)行連接。可以直接用MICRO USB安卓線5V直接進(jìn)行供電使用。其連接方式簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)。并且它能夠直接通過手機(jī)、電腦控制，自由調(diào)節(jié)音樂音量的大小和音樂切換，較為方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)藍(lán)牙音樂水幕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由軟件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)，通過編寫C語言來控制單片機(jī)的運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。整個(gè)程序主要分為水泵控制部分、A/D轉(zhuǎn)換部分以及LED燈光渲染部分。主程序接收到中斷信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后由單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)控制產(chǎn)生PWM波。

3.1 A/D采樣模塊的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)要求A/D采樣模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 A/D采樣模塊軟件流程圖

由A/D采樣模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖可以看出，首先，系統(tǒng)通電后，啟動(dòng)A/D采樣，A/D采樣模塊通過藍(lán)牙無線輸入或外部設(shè)備線控輸入接收到音頻信號(hào)，將采集到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)儲(chǔ)存器保存轉(zhuǎn)換結(jié)果后，修改參數(shù)，直至完成8路采集，由單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，驅(qū)動(dòng)水泵電路工作。

3.2 音頻脈沖的設(shè)計(jì)

首先，通過查閱資料得到音符頻率對(duì)照表。音調(diào)一般分為低音、中音和高音。每一種音調(diào)又分為7個(gè)音符“Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si”。這些音符都有特點(diǎn)的頻率劃分，如低音Do的頻率為262Hz，根據(jù)頻率可以計(jì)算其周期（T=1/f），經(jīng)計(jì)算T=1/262=3816μs。利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)半個(gè)周期的時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)終止后，就將I/O反相，以此重復(fù)計(jì)時(shí)再反相。如此便可在I/O引腳上得到這個(gè)頻率的脈沖。利用單片機(jī)工作在計(jì)數(shù)器模式（MODE1）下，此時(shí)可通過改變單片機(jī)計(jì)數(shù)值TH0和TL0來產(chǎn)生不同頻率，于是就產(chǎn)生了不同的音調(diào)。再以低音Do為例，其頻率為262Hz，周期為3816μs，可計(jì)算出半周期時(shí)間t=1908μs，所以計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)1908次時(shí)將I/O反相，即可得到低音Do（262Hz）。

3.3 水泵輸出電路設(shè)計(jì)

水泵噴出水幕的高低主要是由水泵轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的。因此只要改變水泵的轉(zhuǎn)速即可達(dá)到水幕的高低變化。本設(shè)計(jì)改變轉(zhuǎn)速的方式是通過電流作用于電機(jī)的時(shí)間長短來控制的。

利用可控硅調(diào)相的方式控制電流導(dǎo)通時(shí)間。接收到音頻信號(hào)后，首先由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器找到每個(gè)音頻周期的起點(diǎn)。然后再根據(jù)AD采樣決定不等的延時(shí)來輸出矩形波導(dǎo)通可控硅。

AD采樣結(jié)果越大，每個(gè)周期的延時(shí)也就越短。此時(shí)，可控硅導(dǎo)通的時(shí)間越長，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，噴泉噴出的水柱越高。反之，噴泉噴出水柱越低。由于噴泉噴出水柱的高低不僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與出水口的直徑、出水管的長度等諸多因素有關(guān)，不能得出具體的高度變化情況。

整體設(shè)計(jì)采用有線輸入音頻與無線輸入音頻兩種音頻控制方式相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)了音頻輸入的多元化，在以往的研究設(shè)計(jì)中還屬于創(chuàng)新設(shè)計(jì)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了將音樂水幕噴泉搬至家中的突破，讓居家裝修設(shè)計(jì)更加多元化。