【基于单片机的音乐喷泉系统设计与实现7800字（论文）】

基于单片机的音乐喷泉系统设计与实现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。在本次毕业设计中设计了基于AT89C51单片机为主的音乐喷泉系统，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：单片机；音乐喷泉；喷池数据目录摘要 I1引言 12理论基础 12.1音频信号和模拟信号的采样 12.2快速傅里叶变换算法 23系统总体方案设计 34设计电路原理 54.1单片机控制电路设计 54.2输入电路与输出电路设计 64.3ADC0832电路设计 74.4不同颜色的灯光硬件方案设计 85音乐喷泉系统软件设计 86系统测试分析 96.1音频脉冲产生测试 96.2潜水泵开关调速测试 107调试过程设计 117.1硬件测试 117.2软件测试 11参考文献 13附录： 161引言近年来，随着社会经济建设发展，人们生活水平的提升，对于城市环境和日常生活要求越来越高，音乐喷泉作为一种具有观赏性的艺术水景，逐渐在公园，广场等公共场所出现。音乐喷泉其核心为可实时进行音乐频谱解析，并且通过水柱高低的方式进行显示，在生产过程中通常有两种音频频谱显示的方法：第一，通过模数转换器以及滤波器进行音频频谱显示；第二，采用DSP的方法进行频谱运算处理。第一种方法中调试过程相对简单，但成本较高，可用于一些高端场所中商业使用，而第二种方法在软件调试方面流程复杂。AT89C51单片机具有低功耗等特点，这种类型的单片机具备16位ADC采样系统，其数据运算速度较快，而且开发工具使用简便，能够将其连接于电脑USB接口，实现直接仿真过程。基于此，单片机开发版有5路PWM波输出端口，因而无法驱动8路喷泉，需要调用调频器模块模块。2理论基础2.1音频信号和模拟信号的采样音频信号通常带有音效，语音和音乐且具有规律的声波频率辅助信息载体。结合声波特征将音频信息分为规则以及不规则音频声音，其中规则音频也可分为音效，音乐和语音，规则音频是一种连续的模拟信号，能够通过连续变化模拟调试，进而使其降低成为声波。模拟音频信号通过计算机进行处理，经过编码，量化，采样等环节进而使数字信号具有一定的处理价值。在这一过程中需要经过模拟数字转换，即模数转换，由于模拟信号无法进行直接处理，因此需进行音频信号频谱信息提取。采样是指用一较高频率的开关脉冲对模拟信号进行取样，取出脉冲到来时刻所对应的模拟信号的幅度，这样就可以得到一连串幅度变化的离散脉冲。用这些离散脉冲序列代替原来时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。在对音乐信号进行放大处理后，就要通过A/D转换将模拟信号采集进计算机，这就是音乐信号的采样。我们在对一个连续的音乐信号进行采样时，为了使采样后的样本序列能够包含足够的信息以使其能够较正确地重现原来的模拟信号，在采样时应当使采样频率满足采样定理的要求。采样定理的描述为“对一个模拟信号进行离散化时，只要满足采样频率fs大于或等于被采样信号的最高频率fm的2倍，就可以通过理想的低通滤波器，从样本值序列信号中无失真地恢复出原始模拟信号”，这里的fm称为香农频率，这个采样定理又称为香农采样定理。实际应用中为了较好的防止频谱混叠失真，采样频率一般要稍大于信号最高频率的2倍。比如乐曲的音域频段如果在50Hz~4000Hz内，就要将A/D转换器的采样频率选定为10kHz，才能满足香农采样定理的要求2.2快速傅里叶变换算法快速傅里叶变化是由离散傅里叶转换的一种快速算法，该算法能够提升离散傅里叶算法的运行效率，在离散时域频谱转换过程中其应用较广。快速傅里叶变换算法能够分为按照时间抽取算法以及按照频率抽取算法，其运算单元是其基本的运算单元。如下所示为所抽取时间的快速傅里叶变换算法具体原理。以N为长度的有限长序列，离散傅里叶变换如下公式(2-1)所示。(2-1)在该公式中过去傅立叶变换运算过程中，通常是以抽样长度2的整数次幂作为特殊情况，由于抽样长度能够被2整除，因此能够将抽样长度分为两个序列进行处理，其中一个序列是偶数点构成,的，另一个序列是由奇数点构成的，将两个序列进行拆开后的1/2N点离散傅里叶变换能够用下列公式(2-2)进行表示。(2-2)通过观察原有信号可利用下列公式(2-3)进行表示。(2-3)在该公式中表示G[K]可以从1/2N长度序列展开，形成无限长度周期的1/2N序列，将两端序列分别计算离散傅里叶变换序列形式组合，即能够恢复原有长度的离散傅里叶变换的序列，具体过程如图2-1所示：图2-1离散傅里叶变换的序列利用离散信号长度为8作为本系统研究对象，在上述信号解析过程中，流程图2-2所示：图2-2离散信号长度为8离散变换图传统离散傅立叶变换算法中需要通过N2加法以及乘法完成运算，经过一次拆分之后运算仅需要经过N2乘法、加法即，可当N大于2时，此时N+2（N/2）2小于N2，能够显著提升运算效率。需要注意的是，在这一运算过程中存在明显规律，可以发现，由g[n]到G[k]，以及由h[n]到H[k]，这一过程中离散傅里叶的变换长度为4，按照上述规律进行拆分，可获得下列信号流程图2-3：图2-3信号流程图采用傅立叶变换算法能够确保实现准确计算，显著降低离散傅立叶变换算法的难度，这种情况下可将音乐模式转换输出数字信号进行傅里叶变换处理，即能够获得音乐频谱。3系统总体方案设计音乐喷泉是将音乐，水柱形状和灯光进行加组合的系统。在物理学方面，声音是由物体振动形成的物体，振动频率不同则会导致声音音调也会发生变化，基于此，要想获得不同声调构成的音乐，需选取合适的频率即可实现。在这一过程中，需通过单片机来完成水柱形状与灯光的有机结合，是通过计算机程序控制来实现的，进而会使所形成的水流随同音乐灯光变化发生相应的变化。在每个细节中需要经过精确处理，一旦出现错误会影响整体实际呈现效果。使用单片机控制输出不同频率的信号，就可以产生不同的音调；利用单片机的计时系统可以控制各个音调的时间，即实现节拍的控制。音调和节拍按照乐谱排列就实现了乐曲演奏的功能。喷头及彩灯分别与相应输出点连接，通过程序实现每种音调都有对应的一组输出点开关状态组合，从而实现乐曲控制喷泉动作的功能。如下图3-1设为系统总体设计结构图。图3-1系统总体设计结构图音乐的播放可在开启喷泉时，单片机根据有无音乐信号（计算机上播放或外部输入），启停喷泉。当有音乐信号时，获取声音强度，通过模拟量卡、实时输出到变频器，作用到变速电机上，使喷头喷水产生随音乐起伏的效果。单片机控制系统具有启动喷泉、灯光，捕获音乐，产生输出控制，显示当前音乐，喷泉、灯光状态，停止喷泉、灯光等功能，同时对各组喷头进行一定时间内的一定规则内的随机轮换。系统实现了乐曲演奏、乐曲选择、乐曲序号显示、喷泉水柱控制、彩灯控制等功能。物体振动产生声音，而振动的频率决定音调高低，因此使用单片机控制输出不同频率的信号，就可以产生不同的音调；利用单片机的计时系统可以控制各个音调的时间，即实现节拍的控制。音调和节拍按照乐谱排列就实现了乐曲演奏的功能。喷头及彩灯分别与相应输出点连接，通过程序实现每种音调都有对应的一组输出点开关状态组合，从而实现乐曲控制喷泉动作的功能。4设计电路原理4.1单片机控制电路设计单片机要采集音乐信号，并据此调节I/O口的输出来控制水泵和彩灯。主芯片选用AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，1个看门狗定时器，3个16位可编程定时器，具有ISP功能，能够满足设计要求。因此，本次设计选择MCS-51系列的AT89C51芯片作为为硬件核心电路。电路设计图如图4-1。图4-1ADC输入电路设计AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存取器（RAM）,器件采用ATMEL公司的ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。AT89C51提供一下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个双全工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。单片机有四个数据输出端口，P0口、P1口、P2口、P3口。由于P3口还有许多特殊功能，如读写控制、串行通信、外部中断等功能，所以P3口不用作数据输入输出端口。P0口具有很强的带负载的能力，除了用作地址总线低八位以外，还兼作访问外接扩展程序内存时数据总线以及与A/D转换器ADC0809L连接的资料线。P1口、P2口带负载能力相对比教弱，而P2口需要用作访问外接内存的高八位地址线，因此P2口也不作为数据输入输出口，剩下的P1口作为资料输出口。4.2输入电路与输出电路设计在本次设计中，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测电源电路到的信号以电平、脉冲或者数字形式传送到单片机的电路。因为有了它，音乐已经不再是背景音乐，音乐已经用来控制整个喷池的动作与否，因而达到了音乐喷泉最基本的要求。奏曲信号电路的框图如图4.2所示。左右两路立体声信号经过混合后经限制幅放大电路放大，这样即使是极弱的乐曲信号也能有足够强度的信号输出。整流滤波电路用以将交变信号转为单向信号。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，可以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R5送至光耦4N35在单片机P1.5引脚产生一低电平信号。如图4-2所示。图4-2单片机控制电路图将乐曲音频信号进行缓冲放大、高中低分段分频、直流变换、数字量变换、驱动放大输出等处理，形成能够进行检测并将检到的信号以电平、脉冲或者数字形式送至单片机的电路。另外还设置模拟信号强弱调节及数字信号阀值（门槛比较电压）调节，以适应各种不同的信号，方便喷水以及灯光的动作灵敏度的调节，同时设置了相应的电平及阀值显示灯，具有良好的操作界面。输出电路是指接于74HC373各Qi端的电路。图4-2为使用双向可控硅BCR的输出电路。由于74HC373的输出电流远远小于BCR所需要的触发电流，故加入外围驱动电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2003A输出端饱和而吸收近30mA的触发BCR的电流。图4-3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4-3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。电路图如图4-3所示。图4-3BCR输出电路设计4.3ADC0832电路设计DC0832的时钟信号来自单片机89C51的ALE信号，89C51采用12MHz时钟频率，ALE为2MHz，经四分频后为500KHz作为ADC0832的时钟频率。用P2.7控制A/D转换的启动与转换结束后数字量的读取。ADC0832的地址锁存允许管脚（ALE）H和启动管脚（START）相连。由P2.7和WR信号经或非门提供的信号使P0.2—P0.0提供的3位通道地址送入ADC0832进行锁存，用以选取通道号。转换结束信号EOC作为查询信号。具体接口电路如图4-4所示。图4-4ADC电路设计4.4不同颜色的灯光硬件方案设计在本次设计中使用LED水下低压彩灯。LED-水下彩灯系列除广泛使用于喷泉，瀑布水下照明外，还可用于假山，桥梁等投光照明。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。电路设计图如图4-5所示。图4-5彩灯电路图5音乐喷泉系统软件设计程序RESET后，进入0000H开始的主程序，其流程如图5-1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；拨码开关的设定值决定了延迟多少倍的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。也就是多个乐曲一次轮流循环使用编制好的喷池花样数据。图5-1主程序流程图6系统测试分析6.1音频脉冲产生测试若要产生音频脉冲，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）。表6.1C调各音符频率与计数值T的对照表音符频率Hz简谱码(T值)音符频率Hz简谱码(T值)低1DO26263628#4FA#74064860#DO#27763731中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968低3M33064021#693264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3M65964777#6186565268中4FA69864820高7SI1967652836.2潜水泵开关调速测试潜水泵调速电路中，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。7调试过程设计微机控制系统设计完成之后，最主要的任务就是调试。本次系统调试主要对单片机程序进行调试，首先采用仿真器进行程序运行仿真，然后采用编程器程序烧录进行硬件测试。调试工作一般分为2块进行：硬件调试和软件调试。7.1硬件测试电路检测过程中，发现很多低级的错误，大多数都是因为线路连接的错误和引脚没有连接正确。电路设计的不够周全，导致手动布线很乱，对电路的检查造成了极大的困难和不便。该系统所涉及的各部分硬件电路，总体的特点是：1、电路原理简单，所用的器件均为常用器件。2、由于电路连线较多，因此，应合理布线，以降低焊接难度，降低出错率，同时防止干扰。虽然存在一些问题，经过仔细检查并修改，硬件电路中不存在低级的错误，硬件电路良好。7.2软件测试软件调试采用单片机keil软件，结合Proteus软件，可进行基于单片机的可视化软硬件仿真，可以有效的减少系统开发的资源。在软件的调试过程中，综合利用了设定断点、单步、跟踪等调试手段，使得调试工作更易进行。这样每个模块都调试成功后，编译连接程序，进行整个程序的调试运行。结论喷泉不但是园林、城市街道广场和公共建筑等的装饰品之一，而且它的出现给人们带来了无限的欢乐，并且单一的喷泉逐步发展成种类繁多、造型优美、花型变化灵活的音乐喷泉，同时加上灯光艺术，使喷泉更加华丽、更加引人注目，因此成为现代社会较为流行的一种观赏景观。音乐喷泉的开发研究具有很大的发展前景，目前国内外同行业的技术无不体现着高科技技术在娱乐业的广泛应用。本文阐述的只是一些初步的研究与开发，如何提高音乐节拍与喷泉的同步，全面考虑音乐的要素的识别和提取、实现音乐与喷泉的完美结合应该是一个艰巨的挑战。本次毕业设计采用来自AT89C51的单片机，针对音频信号经过傅里叶转换处理和模数转换，获得良好的频率。最终能够结合播放音乐频率进行数据变化。呈现良好的音乐喷泉视觉效果。在系统设计中，运用单片机实现了乐曲播放和流量及花形控制；运用Protel软件设计出了控制系统的控制电路。不过在整个设计过程中自己也懂得了许多东西，也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识应用的信心，相信会对以后的学习工作和生活有着非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力，使自己充分体会到了设计过程中的喜悦。在整个设计以及硬件制作中，存在一定的缺陷，没有达到预期的目标。设计中考虑问题不够全面，总的来讲，在整个过程中，使我学会了好多在课本学不到的知识，同时，也锻炼了我独立完成任务的能力，以及解决问题的方法和对存在问题的分析能力。在整个设计过程中，我看到了自己对专业知识领会中存在的不足，还有好多知识，并没有完全的掌握，还有好多知识，我必须去学习。在整个设计过程中，学到了很多在课堂上学不到的，是我在这次设计中的最大收获和财富，受益颇多。参考文献[1]蒲珊珊.基于8751单片机的音乐喷泉控制系统设计[J].机械制造与自动化,2011(01):161-164.[2]李飞,张冬梅,常弘煜,等.基于单片机的音乐喷泉控制系统设计[J].智能城市,2018,4(10):172-173.[3]王志远,刘宣宇.基于单片机输出PWM波控制的音乐喷泉系统设计[J].国外电子测量技术,2018,037(004):113-117.[4]许可欣,张鑫雨,李鑫雨.基于单片机的简易音乐喷泉设计[J].山东工业技术,2018,No.269(15):130-130.[5]栗兴良,马牧燕,莫蔚靖.基于单片机的微型音乐喷泉的设计[J].现代计算机:上下旬,2015.[6]王选诚,苏凤,孙玉梅,等.基于AT89C51单片机的音乐喷泉控制系统设计[J].传感器世界,2016,22(3):39-42.[7]张开碧,罗蓉,许倩忆.基于STC89C52单片机音乐喷泉控制的设计[J].科技信息,2012,000(033):51-52.[8]倪军远.基于AT89C51型单片机的小型音乐喷泉的设计[J].山西电子技术,2016(3):10-11.[9]蒋进田,阳泳,胡湘娟.基于微控制器的小型家庭式音乐喷泉[J].数字技术与应用,2015,000(010):23-23.[10]庞婷婷,李盼,陈杨阳,等.基于单片机的音乐喷泉系统[J].科技信息,2013(35):126-127.[11]姚慧敏.单片机控制的音乐喷泉硬件系统设计[J].汽车世界,2019,000(016):P.116-117.[12]张长君,王连涛.单片机控制在音乐喷泉中的应用[J].计算机工程与设计,2006(10):1905-1907.[13]邓和莲.用单片机设计的音乐喷泉控制器[J].机电工程技术,2008,37(1):48-50.[14]宋春蕾.设计模式在音乐喷泉控制系统中的应用[J].科技信息,2006.[15]丁洁.基于音乐特征识别的音乐喷泉计算机辅助设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2019,019(007):44-46.[16]宋春蕾.设计模式在音乐喷泉控制系统中的应用[J].科技信息,2006,000(01S):147-147.[17]王连涛.音乐喷泉的单片机控制[J].电子世界,2005,000(005):21-22.[18]屈子琦,胡正国,吕诗如.一种小型音乐喷泉的设计制作[J].湖南工业大学学报,2016,30(006):50-54.附录：1、总电路设计图2、程序#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitout=P3^7;sbitout2=P2^0;sbitout3=P2^1;sbitout4=P2^2;sbitled1=P0^7;sbitled2=P0^6;sbitled3=P0^5;sbitled4=P0^4;sbitled5=P0^3;sbitled6=P0^2;sbitled7=P0^1;sbitled8=P0^0;sbitSCL=P1^2; //SCL定义为P1口的第3位脚，连接ADC0832SCL脚sbitDO=