音樂噴泉控制器的設計.doc
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學號： 常 州 大 學 畢業(yè)設計（論文） （2012屆） 題 目 音樂噴泉控制器的設計 學 生 學 院 專業(yè)班級 校內指導教師 專業(yè)技術職務 校外指導老師 專業(yè)技術職務 二○一二年六月 音樂噴泉控制器的設計 摘要：音樂噴泉的核心部分是控制器。音樂噴泉之所以能展現(xiàn)出各種不同的效果，是因為音樂噴泉控制器能控制噴頭和燈光，顯現(xiàn)多變的曲線和色彩。不同的噴泉所需的水泵和彩燈組數(shù)也不盡相同，所以噴泉控制器可以采用簡單、通用、組數(shù)能靈活擴充的控制器。為了達到這一目的，本噴泉控制器由模擬電路與數(shù)字集成電路相結合，這種設計就可以靈活的改變水泵和彩燈組數(shù)。 本設計的核心控制器是AT89S52單片機，主要包括音樂產(chǎn)生模塊、運放模塊、A/D轉換模塊、濾波放大模塊、單片機控制模塊、繼電器模塊以及彩燈模塊。其系統(tǒng)原理是音樂信號分兩路輸出，一路信號經(jīng)過運放電路之后為喇叭提供信號，另一路信號經(jīng)過A/D轉換之后提供給單片機，最后由單片機根據(jù)該信號控制電機、彩燈以及繼電器。整個設計采用模塊化設計易于該設計的推廣使用。 關鍵詞：音樂噴泉；控制器；電機；繼電器 Design of musical fountain controller Abstract:The musical fountain controller is the centre of the musical fountain. The controller dominates sprinklers and lighting of fountain so that it manifests various spectaculars with different curves and colors. Since water pumps and the number of color lamp vary due to different types of fountains, so we need to design a controller with simple, general, and flexible expanding character. This eruptive fountain controller is the combination of analog circuits and the digital circuit design, which can change the operation of water pump and the colored lantern group number nimbly. In my research, the control core of fountain is AT89S52 MCU, including the music module, the op amp module, A/D converter module, filter amplifier module, microprocessor control module, relay module and the lantern module. The principle of the system is that the music signal is outputted through two routes, namely, through the op amp circuit, the loudspeaker can receive a part of the signal, and through A/D converter, the single chip can receive the other part of the signal. Then the single chip can control motors, lights and relays, according to the signal. This controller can be easily promoted for its modularized design. Key Words:Music fountain;Controller; Electrical appliances; Relay 目 錄 摘要 Ⅰ 目次 Ⅲ 1 緒論 1 1.1 課題背景以及意義 1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題研究的內容及意義 2 2 總體方案的設計 3 2.1 方案比較 3 2.2 系統(tǒng)簡介 4 3 芯片的選擇與功能介紹 6 3.1 AT89S52單片機 6 3.2 音頻信號放大器 8 3.3 A/D轉換芯片 9 3.4 電機驅動L298N 10 3.5 電機的選擇與確定 11 3.5.1 步進電機的介紹 11 3.5.2 直流電機的介紹 12 3.5.3 電機的選擇 13 4 硬件電路的設計 14 4.1 音樂MP3模塊 14 4.2 音樂信號的濾波放大模塊 15 4.3 A/D轉換電路 16 4.4 運放模塊（音頻放大） 18 4.5 單片機控制模塊 19 4.6電機驅動模塊 21 4.7 繼電器模塊 23 4.8彩燈控制模塊 24 5 硬件設計與調試方法 25 5.1 硬件原理圖設計環(huán)境 25 5.2 硬件調試 26 6 軟件程序設計及流程圖 28 6.1系統(tǒng)整體軟件設計的環(huán)境 28 6.2 軟件設計流程圖 28 6.3 代碼編寫 30 6.4 軟件調試 31 7 結論 33 致 謝 35 附 錄A 36 附 錄B 38 IV 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 1.1 課題背景以及意義 隨著生活水平提高，人們對于美化生活環(huán)境的要求也是越來越高。在公園、廣場以及其他一些公共場合的音樂噴泉也越來越多。人工的噴泉在城市廣場、公共建筑、園林也是很常見的。它不僅是一種觀賞性較高的藝術水景，而且也能夠增加周圍空氣的濕度，減少空氣中的塵埃，降低空氣的溫度。從噴頭噴出來的水柱與空氣中的水分子撞擊后能產(chǎn)生大量的氧負離子，從而對改善環(huán)境起著重要的作用。 音樂噴泉作為人文景觀和自然景觀相結合的產(chǎn)物，已經(jīng)深受廣大人名群眾的喜愛。所以有關音樂噴泉的研究也就豐富了起來。 目前，我國大型音樂噴泉技術已經(jīng)趨于成熟，但是對于小型音樂噴泉的研究較少?？刂葡到y(tǒng)作為整個音樂噴泉的核心部分，其余部分和普通類型的噴泉基本一致。音樂噴泉的控制系統(tǒng)可采用可編程控制器PLC作為核心，也可以采用單片機作為總的控制核心。對于小型音樂噴泉最適合的控制核心還是單片機。其適合于一般城市、小型廣場和普通的居民區(qū)的小型音樂噴泉，由于其要求控制簡單，使用單片機完全可以滿足要求，而且成本較低更適合普及，是未來的音樂噴泉發(fā)展的必然趨勢。 本課題主要研究的是用單片機作為音樂噴泉控制系統(tǒng)的核心，設計出一種控制簡單，成本較低而且便于推廣的小型音樂噴泉控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機（AT89S52）作為核心處理器，通過MP3模塊輸出的音樂節(jié)奏的不同控制電機的不同轉速跟燈光的閃爍，從而實現(xiàn)音樂與噴泉的同步，增加了音樂噴泉的欣賞價值。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 國外，目前世界上最大的噴泉是由美國Bellagio噴泉制造商WET公司設計而成的，它就是迪拜音樂噴泉。其投資總額達2.18億美元，總長度為275米，最高噴射高度為150米，其最大噴水量為2.2萬加侖，比原世界第一的美國Bellagio噴泉大了25%。同時，該噴泉有6600個燈和50個彩色的投影機。噴泉隨著音樂起伏有上千種變化，或婉約或豪放，令人嘆為觀止，目不暇接。有報道稱，在20英里內都能看到迪拜噴泉的燈光。 國內，西安大雁塔位于北廣場中軸線上的音樂噴泉，南北橫向長達350米，東西縱向寬為52米，最寬處有N 米，呈T字型，它由八級跌水池、百米瀑布水池及前端音樂水池三個區(qū)域組成，這三個部分既可以單獨分區(qū)表演也可以整體表演。音樂噴泉流光溢彩，遠遠望去，如煙似霧。八級噴泉方陣的噴頭有1024個，每個噴頭是由一臺水泵和變頻器獨立控制，噴泉共計有水泵1360臺，變頻器1124臺，彩燈3300余盞，噴頭2000多只。整個噴泉共有22種國內最新推出的科技含量較高的新穎獨立水型。大型激光水幕有20米高，從水中噴出噴火泉有4臺，在6米高空充分燃燒低溫爆開，這些設計增加了整個噴泉的奪人氣魄，取得了獨特觀賞效果。水下池面地燈、LED光帶及岸上電腦燈多光源照明使噴泉融聲、光、水、色于一體。 由此可見國內外的音樂噴泉設計均已達到了一個相當高的水平?，F(xiàn)今的音樂噴泉應不斷取得國內外傳統(tǒng)的噴泉技術上新的突破，將噴泉的娛樂觀賞性與創(chuàng)新的時代文化、前瞻的藝術創(chuàng)想、濃郁的地方特色有機的結合起來，別具一格，獨領風騷，使音樂噴泉可以隨音樂的曲調的變動而控制水型的變換從而展現(xiàn)音樂噴泉的美感。 1.3 課題研究的內容及意義 本課題主要研究的內容如下： 音樂信號由MP3模塊產(chǎn)生提供，經(jīng)過濾波放大模塊對音樂信號處理之后，再傳輸給A/D轉換模塊，最后由單片機進行總控制。執(zhí)行部分分為3個部分，第一部分是音樂信號經(jīng)過運放之后通過喇叭播放，第二部分是通過單片機傳輸信號給彩燈控制模塊執(zhí)行，最后一部分就是通過單片機輸出的PWM波控制電機驅動再控制直流電機。整個設計本著簡單，快速，精準的方式實現(xiàn)了音樂噴泉的系統(tǒng)控制。 音樂噴泉作為一種獨特的人工景觀，獲得了廣大人民的喜愛，不僅使得人們在視覺上得到了享受，而且在音樂背景下，能夠激勵我們的心智。目前音樂噴泉已經(jīng)成為一種娛樂產(chǎn)業(yè)，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益，研究和設計高水平的音樂噴泉控制技術是非常重要的。 2 總體方案的設計 2.1 方案比較 方案一：采用89S52單片機為主控制芯片的設計方案。 本方案的的設計思路是首先對于MP3產(chǎn)生的音樂信號分2路，一路經(jīng)過濾波放大、A/D轉換等一系列操作之后，輸入給AT89S52單片機進行控制，最后通過控制電機對噴泉流量的控制以及彩燈的控制，來達到音樂噴泉的效果。另一路通過一個運放電路之后給喇叭，提供給廣場音樂。兩路信號的同時進行使得聲、光、水得到了和諧的控制。本方案是通過對音樂信號的電壓進行采集，可以實現(xiàn)音樂，燈光跟噴泉的同步控制，使設計出的音樂噴泉給人以和諧跟美的感受。本方案的設計圖如圖2.1.1所示。 圖2.1.1：系統(tǒng)總體硬件框圖 方案2：基于全數(shù)字集成電路音樂噴泉控制器的設計方案。 音樂經(jīng)過峰值檢波后，得到和音量大小相關的控制電壓，將此控制電壓，經(jīng)過簡單的A/D轉換變成數(shù)字信號后，去控制存儲器芯片的地址，該存儲器地址對應的數(shù)據(jù)信號就會輸出，輸出信號經(jīng)隔離驅動后就去推動彩燈工作。本方案的設計流程框圖如下： 圖2.1.2：全數(shù)字集成電路音樂噴泉設計 方案三:基于音樂信號分頻段的音樂噴泉控制器的設計方案 本方案先對音樂信號進行分頻段，之后再分別進行A/U轉換、A/D轉換之后將信息傳輸給單片機，單片機將處理過的信號傳輸給8255A電機驅動進行驅動步進電機和彩燈控制模塊。此方案對于分頻段的控制相對比較難實施，精度要求比較高，而且成本較高。 圖2.1.3:基于信號分頻段的設計方案 經(jīng)過三個方案的對比，我選擇方案一作為本設計的最終方案。三個方案中方案二的設計只是單獨采集音樂信號音量大小的峰值，并沒有對音樂信號進行放大處理，并不能很好的實現(xiàn)音樂噴泉的控制，方案三的設計分頻段比較復雜，對于頻率劃分的比較精確，實際操作的時候難度較大，而且方案三選用的步進電機，相對而言的驅動電路復雜，不利于整個設計的推廣。方案一的設計不僅能很好的控制音樂噴泉的各個部分的執(zhí)行，與信息的采集，同時成本較低，便于推廣。 2.2 系統(tǒng)簡介 控制系統(tǒng)總體包括8個部分： 1) 音樂MP3模塊； 2）音樂信號的濾波放大模塊 3）A/D轉換電路； 4）運放模塊； 5）單片機控制模塊； 6）電機驅動模塊； 7）繼電器模塊 8）彩燈控制模塊； 本控制器的設計是由主芯片AT89S52通過對音樂信號的采集處理，然后輸出給相應的外部設備。由圖2.1.1的總體系統(tǒng)框圖我們可以看見，本設計是由音樂MP3模塊、音樂信號的濾波放大模塊、A/D轉換電路、運放模塊、單片機控制模塊、電機驅動模塊、繼電器模塊跟彩燈控制模塊等8個模塊組成，每個模塊都有著其不可缺少的作用。首先， MP3模塊產(chǎn)生音樂信號，音樂信號分為兩路，一路經(jīng)濾波放大之后再A/D轉換輸入到單片機；另一路先經(jīng)過運放模塊之后輸出給廣場信號（喇叭）。當MP3模塊工作輸出音樂信號時，單片機芯片跟廣場喇叭同時收到音樂信號，單片機通過處理音樂信號傳輸控制信號給電機驅動，通過電機驅動來控制電機噴頭以及彩燈。使得整個控制系統(tǒng)具有捕獲音樂，控制噴泉、燈光，等輸出控制的功能，同時對各組噴頭進行一定時間內的一定規(guī)則內的隨機輪換的效果。 本音樂噴泉控制器實現(xiàn)了噴泉跟著音樂的跌宕起伏從而噴出不同高度的水柱，彩燈跟著音樂節(jié)奏的變化呈現(xiàn)出起伏的亮燈效果。很好的展示了音樂噴泉控制系統(tǒng)應該具備的聲，光，水的同步控制。 3 芯片的選擇與功能介紹 3.1 AT89S52單片機 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器。該芯片使用的是Atmel公司的非易失性高密度存儲器技術來制造的，可以與現(xiàn)在市場上的51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。該芯片上允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，同樣也適于常規(guī)編程器。與此同時，該芯片還擁有8位的CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52芯片成為了市場上比較主流的一款單片機芯片。 該單片機的主要性能如下： * 可以與同類51單片機產(chǎn)品相兼容 * 可編程Flash存儲器的大小為8K字節(jié) * 具有1000次的擦寫周期 * 靜態(tài)操作的范圍是0Hz到33Hz之間 * 程序存儲器的加密方式為三級 * 可編程I/O口接線共有32個 * 具有三個16位計數(shù)器/定時器 * 中斷源有8個 * 全雙工UART串行通道 * 兩種工作掉電模式為掉電模式和低功耗空閑 * 中斷可在掉電后喚醒 * 具有看門狗定時器 * 具有雙數(shù)據(jù)指針 * 具有掉電標識符 （2）89S52的引腳功能 VCC （40引腳）: 電源電壓 GND（20引腳）: 接地 P0口（P0.0～P0.7，32～39引腳）：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位都能驅動TTL邏輯電平。使P0=1時，引腳則作為高阻抗輸入。 當訪問的是數(shù)據(jù)存儲器或者外部程序時，P0口也可以被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。 在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，p1輸出緩沖器能驅動TTL邏輯電平的數(shù)量是4個。使P1=1時，內部的上拉電阻把端口拉高，此時該口可以當做輸入口。當P1口被用作輸入口時，由于內部電路具有電阻的原因被外部拉低的引腳將輸出電流。 此外，P1.0和P1.2還可以分別作為定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入，具體如表1所示。 在flash的編程時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 表3.1.1：P1口引腳復用功能 引腳端口 功能描述 P1.0口 時鐘輸出、定時器、計數(shù)器2的外部記數(shù)輸入 P1.1口 定時器、計數(shù)器2的捕捉、重載出發(fā)的信號、方向控制 P1.5口 系統(tǒng)編程是會被用到 P1.6口 系統(tǒng)編程時會被用到 P1.7口 系統(tǒng)編程時會被用到 P2口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是擁有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能驅動邏輯電平數(shù)量是4個。使P2=1時，內部上拉電阻把端口拉高，此時P2口還可以作為輸入口。當P2口作為輸入口時，由于內部電路電阻的原因，被外部拉低的引腳將輸出電流。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（如MOVX @DPTR）時，P2口送出數(shù)據(jù)是高八位地址。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的數(shù)據(jù)。 在flash編程和校驗時，P2口也可以接收高8位地址數(shù)據(jù)和一些控制信號。 P3口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O 口，p2輸出緩沖器能驅動邏輯電平的數(shù)量為4個。使P3=1時，內部上拉電阻把端口拉高，此時P3口可以被當做輸入口。當P3口被當做輸入口時，由于內部電路的電阻被外部拉低的引腳將輸出電流。 P3口也作為AT89S52特殊功能口（第二功能）使用，如下表所示。在對Flash編程或程序校驗時，P3還接收一些控制數(shù)據(jù)信號。 表3.1.2：P3口引腳復用功能 引腳端口 第二功能描述 P3.0端口 串行輸入口（RXD） P3.1端口 串行輸出口（TXD） P3.2端口 外部中斷0 P3.3端口 外部中斷1 P3.4端口 定時器0的外部輸入 P3.5端口 定時器1的外部輸入 P3.6端口 WR P3.7端口 RD RST（9引腳）：作為復位輸入口。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效時，就可以實現(xiàn)單片機的復位操作?？撮T狗計時完成后，RST引腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 ALE（30引腳）：該引腳是地址鎖存控制信號端，在訪問外部程序存儲器時，該端口用于鎖存單片機低8位地址數(shù)據(jù)。 在一般情況下，ALE的固定頻率輸出脈沖是其晶振1/6，可被外部定時器或時鐘使用。然而，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。 （29引腳）：是外部程序存儲器選通信號。當AT89C51RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。 （31引腳）：當該引腳為高電平狀態(tài)時，可以訪問程序的內部存儲器。當該端口為低電平狀態(tài)時，不能訪問內部存儲器，但可以訪問外部存儲器。 XTAL1（19引腳）：是振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（18引腳）：是振蕩器反相放大器的輸入端口。 MCS－51共有7種尋址方式，現(xiàn)介紹如下： （1）立即尋址：操作數(shù)就寫在指令中，和操作碼一起放在程序存貯器中。把“#”號放在立即數(shù)前面，以表示該尋址方式為立即尋址，如MOV A,#20H。 （2）寄存器尋址：操作數(shù)放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名來表示操作數(shù)地址。如MOV A，R0就屬于寄存器尋址，即R0寄存器的內容送到累加器A中。 （3）直接尋址：操作數(shù)放在單片機的內部RAM某單元中，在指令中直接寫出該單元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。 （4）寄存器間接尋址：操作數(shù)放在RAM某個單元中，該單元的地址又放在寄存器R0或R1中。 如果RAM的地址大于256，則該地址存放在16位寄存器DPTR（數(shù)據(jù)指針）中，此時在寄存器名前加@符號來表示這種間接尋址。如MOV A，@ R0。 （5）變址尋址：指定的變址寄存器的內容與指令中給出的偏移量相加，所得的結果作為操作數(shù)的地址。如MOVC A，@A+DPTR （6）相對尋址：由程序計數(shù)器中的基地址與指令中提供的偏移量相加，得到的為操作數(shù)的地址。如SJMP rel。 （7）位尋址：操作數(shù)是二進制中的某一位，其位地址出現(xiàn)在指令中。如SETB bit MCS51的指令系統(tǒng)按功能分有：數(shù)據(jù)傳送類、轉移指令、算術運算類、邏輯運算類、和十進制指令及一些偽指令共111個。 選用此單片機作為本設計的核心單片機主要有下面幾個方面的原因：首先，該單片機是我們在學習單片機的時候主要學習的單片機；其次，該單片機是8位的單片機，在功能上完全能滿足本設計的要求；最后就是該單片機的價格比較便宜。 3.2 音頻信號放大器 通常MP3產(chǎn)生的音樂信號強度不是很高，所以在對音樂信號進行A/D轉換之前需要進行一個信號放大的處理。通過與市場上音頻放大芯片的對比，最總本設計采用的音頻功率放大器芯片是LM386N-1。LM386N-1是美國一家半導體公司生產(chǎn)的音頻放大器，主要應用于低電壓供電而且外圍元器件使用較少的電路。該音頻放大器的電壓的增益內置為20，但在1腳跟8腳增加一只外接電阻跟電容，使其可將電壓增益為任意值，直至200。它的輸入端以地為參考，同時輸出端波自動編置到電源電壓的一半，在6V的電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24W，使得LM386N-1特別適用于電池供電的場合。 主要特性： * 靜態(tài)功耗較低，約為4mA,可用于電池供電的場合。 * 工作電壓范圍寬是4-12V 或者 5-18V。 * 外圍元器件少。 * 電壓增益可調的范圍是20到200之間。 *失真度比較低。 該芯片的內部原理圖如圖3.2.1所示： 圖3.2.1：LM386N-1內部電路圖 圖3.2.2：引腳功能圖 3.3 A/D轉換芯片 由于音樂信號是交流模擬量，所以不能直接送入單片機進行處理?？紤]到音樂信號比較弱，首先要對其進行音頻放大處理，其次再對該音樂信號采用濾波、整流處理；最后由A/D轉換電路將其轉換成數(shù)字信號才傳輸給單片機控制。對于A/D轉換的芯片我選擇的是ADC0804。ADC0804是屬于連續(xù)漸進（ Successive Approximation Method）的A/D轉換器。它除了有著轉換速度快、分辨率高外，還有著價格便宜的優(yōu)點。其主要的電氣特性如下： * 工作電壓為+5V，即VCC=+5V。 * 模擬輸入電壓范圍：0-5V，即0≤ Vin ≤5V * 分辨率是8位，即分辨率為1/256，轉換值介于0-255之間。 * 當f=640KHz時，A/D轉換時間為100us。 * 轉換誤差為1LSB。 * 參考電壓為2.5V。 ADC0804的管腳圖如圖3.3.1所示： 圖3.3.1： ADC0804的芯片管腳 該芯片的各個引腳功能如下： *CS：用于芯片選擇信號（CS=0時，允許A/D轉換） *RD：外部讀取轉換結果的控制輸出信號。RD為高電平狀態(tài)時，DB0~DB7為高阻抗；RD為低電平狀態(tài)時，轉換好的數(shù)字數(shù)據(jù)才會輸出。 *WR：用來啟動轉換的控制輸入，相當于ADC轉換的開始（CS=0時），當WR由高電平轉變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)時，轉換器中的數(shù)據(jù)被清除；當WR由低電平轉換為高電平狀態(tài)時，A/D轉換正式開始。 *CLK IN,CLK R：分別對應時鐘輸入和接震蕩無件（R,C），頻率范圍約100KHZ~1460KHZ之間，如果使用RC震蕩電路則其震蕩頻率為1 *INTR：是中斷請求信號輸出端，低電平動作。 *VIN（+）,VIN（-）:差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時，VIN(-)接地；而差動輸入時，直接加入VIN（+）和VIN（-）。 *AGND,DGND：模擬信號以及數(shù)字信號的接地。 *VREF:輔助參考電壓。 *DB0~DB7：8位的數(shù)字輸出。 *VCC：電源供應以及作為電路的參考電壓。 3.4 電機驅動L298N L298N是ST公司生產(chǎn)的 一種高壓的，大電流的電機驅動。該芯片采用的是15個引腳的封裝。它的主要特點如下： *工作電壓較高，最高的工作電壓可達到46V； *輸出電流也較大,瞬間峰值電流可達到3A,持續(xù)工作電流為2A； *芯片內部含有兩個H橋的全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機或者步進電動機、繼電器線圈等感性負載； *該芯片的信號控制采用的是標準邏輯電平； *同時該芯片具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止元器件的工作； *有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作； *可以外接檢測電阻，其作用是將變化量反饋給控制電路。 使用L298N芯片驅動電機，既可以驅動接步進電機，也可以驅動直流電機，但本設計驅動的是直流電機，其使用操作比較方便。其引腳如圖3.4.1所示： 圖3.4.1： L298N引腳圖 由上圖可以看出引腳8管腳說明為GND（接地），且它與L298N芯片的散熱片緊密靠在一起。由于該芯片的工作電流比較大，所以芯片產(chǎn)生的熱量也比較多，所以在該芯片的散熱片上連接一塊鋁合金片，以增強它的散熱效果。 該芯片的一些主要參數(shù)如下： (1) 邏輯部分輸入電壓為6～7V (2) 驅動部分輸入電壓為4.8～46V (3) 邏輯部分工作電流小于等于36mA (4) 驅動部分工作電流小于等于2A (5) 最大耗散功率為25W (6) 控制信號輸入電平的范圍：高電平為2.3V≤Vin≤Vss，低電平為-0.3V~1.5V (7) 工作溫度的范圍是-25℃～＋130℃ (8)雙路大功率H橋驅得驅動形式 3.5 電機的選擇與確定 3.5.1 步進電機的介紹 步進電機是一種開環(huán)控制元件，它將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移。在電機非超載的情況下，電機的轉速以及位置的變化只取決于脈沖信號的脈沖數(shù)和頻率，而不受負載變化所帶來的影響，也就是說只要給電機加一個脈沖信號，電機就能轉過一個角度。由于該線性關系的存在，再加上步進電機只有周期性的誤差而沒有累積誤差等特點，使步進電機得在速度、位置等控制領域得到了廣泛的應用。 步進電機控制原理：它將外部接收的脈沖信號轉變成角位移，也就是說只要給步進電機一個脈沖信號，它就轉動一個角度，因此步進電機適合單片機的控制。目前步進電機有三種分別是反應式步進電機、混合式步進電機和永磁式步進電機。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 3.5.2 直流電機的介紹 直流電機是一種旋轉電機，它能夠將直流電能跟機械能相互轉換，它具有良好的調速特性，其調速的效果是平滑、方便、調速的范圍也比較廣；同時直流電機也具有很好過載能力，能承受頻繁的負載沖擊；它能實現(xiàn)無級快速啟動、制動和反轉，以及能滿足各種自動化設計的要求。 直流電機的PWM調速原理：PWM控制是對脈沖寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度來進行控制，從而有效的獲得所需要的波形?；赑WM控制的調速電路相當于把“直流電壓”切割成一系列脈沖，通過改變這些脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。 在PWM驅動控制的調速控制中，是通過改變電機電樞電壓的導通時間與導通周期的比值（即占空比）來控制直流電機的轉速。如圖3.5.1所示，在脈沖的作用下，按一定的頻率來接通和斷開電源，電機的速度就能得到很好的控制。當電機通電的時間增加時，電機的轉速就會加快；反之，當電機的通電時間減少時，電機的轉速就會減慢。設計時只要按照一定的規(guī)律，改變一個周期內電機“導通”和“斷開”的時間比例即可實現(xiàn)電機速度的控制。由圖3.5.1可以很形象的看出電樞電壓與平均電壓之間的關系。 圖3.5.1：電樞電壓“占空比”與平均電壓的關系 3.5.3 電機的選擇 通過對于步進電機跟直流電機的對比，可以發(fā)現(xiàn)直流電機相對于步進電機具有以下優(yōu)點： *直流電機的調速性能好； *直流電機能承受頻繁的負載沖擊，同時直流電機的過載能力很強； *直流電機能夠實現(xiàn)頻繁快速制動效果 而步進電機相對于直流電機的最大的優(yōu)點就是對于位置的控制，即可以控制電機轉過的角度。但是對于音樂噴泉控制器來說，并不需要特別高的位置控制。由于音樂信號時經(jīng)處理之后再有單片機輸出控制信號給驅動電路來驅動電機的，所以一定范圍內的誤差是可以的，而本設計還需要能夠快速反應當前信號狀態(tài)，同時從價格上以及驅動電路的復雜程度來考慮，直流電機更加有優(yōu)勢。所以最終采用小型直流電機作為本系統(tǒng)的電機。 4 硬件電路的設計 整個電路的設計總共包含8個模塊，分別是：音樂MP3模塊（即信號產(chǎn)生模塊）、音樂信號的濾波放大模塊 、A/D轉換電路、運放模塊、單片機控制模塊、電機驅動模塊、繼電器模塊和彩燈控制模塊。整個電路的設計本著模塊化設計，更能夠方便細化每個模塊的功能，同時也方便出現(xiàn)問題之后能夠快速的找出問題的出處以及問題的解決辦法。 4.1 音樂MP3模塊 該設計的MP3模塊是音樂噴泉的信號產(chǎn)生模塊。如圖4.1.1所示： 圖4.1：音樂MP3模塊 首先該MP3模塊體積小、使用簡單、靈活、用處廣泛的一款高保真放音模塊。供電電壓范圍比較寬，適用于各種場合，同時具有可以一鍵對應一首歌曲直接播放（最多8首），也可以單鍵觸發(fā)循環(huán)播放，32M到1G的儲存空間對于本設計的音樂產(chǎn)生模塊完全適合。同時該模塊的使用比較方便，適合簡單的單片機設計。 該模塊本設計所用到的引腳功能如下： P1：更換目錄 P2：快退10首 P3：快進10首 P4：音量減小 P5：音量增大 P6：停止播放 P7：下一首 P8：上一首 p9：音量減 P10：音量加 p14：暫停/播放 P17:右聲道音頻輸出 P18：左聲道音頻輸出 P19：電源地 P20：電源+ 音樂信號經(jīng)p17和p18口分別輸出給音頻放大模塊跟濾波放大模塊。此模塊的功能和普通MP3一樣，把管腳對地接一個按鍵，即可使用。PL（播放/暫停鍵）的使用方法是把PL對地接一個按鍵，按一下，模塊開始全部歌曲循環(huán)播放直到按STOP鍵或者斷電為止，播放過程中如果按PL鍵，則暫停播放，暫停時按PL鍵，則恢復播放。播放順序為：目錄1的第1首一直到目錄1的最后一首，然后播放目錄2的第1首，依次循環(huán)播放。使用快進10首或快退10首的功能時，系統(tǒng)會自動計算并自動跳轉目錄。如當前正在播放目錄1的倒數(shù)第5首，若此時按快進10首鍵，則系統(tǒng)自動跳轉到目錄2的第5首開始播放。P0為更換目錄鍵，假設當前正在播放目錄1中的歌曲，按下P0后，系統(tǒng)變更當前目錄為目錄2，并自動開始播放該目錄的第1首歌曲。該模塊的歌曲是通過將歌曲存儲在SD卡里面，在通過此模塊讀出來的。 4.2 音樂信號的濾波放大模塊 音樂信號的濾波放大模塊是整個音樂噴泉控制系統(tǒng)對信號的處理模塊。這個模塊的放大部分跟運放模塊一樣，都是用的LM386N-1這個芯片對音樂信號進行功率放大處理。處理的信號進過一個RC-Ⅱ型濾波電路帶通濾波之后起到了帶通濾波的作用，最后進行一個阻低頻的處理使得整個音樂信號得到了充分的處理，最終輸出的是正電壓信號。電路圖連接如圖4.2.1所示： 圖4.2.1： 濾波放大模塊 該電路的前半部分是由主芯片LM386N-1構成的音頻信號放大電路。圖中1口和8口有電容電阻串聯(lián)來控制電路的放大倍數(shù)，本設計的放大倍數(shù)是50倍。第3口是音樂信號的輸入端，進過芯片內部放大后從第5口輸出之后接濾波電路。由圖的第二個部分可以看出該濾波電路是RC濾波電路。圖中電阻R11對于交流、直流都具有降壓的作用，但是它與電容串聯(lián)、并聯(lián)形成圖中電路之后，就是脈動電壓的交流分量大部分分在了電阻兩端，較小的部分分在了負載上，這樣就起到了一個濾波的效果。圖中R11跟C1越大，電路的濾波效果就越好。接下來就是對濾波后的信號進行加直流、整流的處理。該部分的PCB圖如圖4.2.2所示。 圖4.2.2：濾波放大模塊PCB 4.3 A/D轉換電路 A/D轉換模塊是本設計的核心模塊之一。因為MP3產(chǎn)生的音樂信號如果直接輸入給單片機也是可以的，但是精度不是很高。將音樂信號經(jīng)過一個A/D轉換之后再輸給單片機這樣能更加準確的表達音樂信號所包含的信息。A/D模塊如圖4.3.1所示： 圖4.3.1：A/D轉換電路 這個模塊我用的是ADC0809CN這個芯片，該芯片是8位COMS依次逼近型的A/D轉換器。通過該芯片采集前面整流放大處理過的電壓信號，處理之后再送給單片機進行處理。首先A/D轉換芯片的CS、RD、WR、INTR口分別接89S52單片機的P3.0口、P3.1口、P3.2口，P3.3口，這四個端口共同控制A/D轉換的啟動與停止。當CS=0時,也就是CS口是低電平時，允許A/D轉換，當WR口由低電平跳轉到高電平時，A/D轉換開始，當INTR口為高電平時，且CS口也為高電平時停止A/D轉換。圖中A/D芯片的CLK IN跟CLK OUT口構成了A/D轉換芯片的振蕩電路，且有2個1K的電阻使其參考電壓為2.5V。DB0口到DB7口是A/D轉換的數(shù)據(jù)輸出口。圖中IN+口是信號的輸入端，圖中是由一個電阻跟一個滑動變阻器代替信號的輸入，方便對A/D轉換進行調試。A/D轉換的PCB如圖4.3.2所示。 圖4.3.2：A/D轉換的PCB 4.4 運放模塊（音頻放大） 運放模塊是將MP3模塊產(chǎn)生的音樂信號經(jīng)過一個運放通過小喇叭輸出。由于MP3模塊產(chǎn)生的音樂信號強度不是很大，如果直接通給喇叭或者其他外部廣場信號的話，我們通過耳朵并不能聽到音樂信號，所以需要經(jīng)過一個運放之后給喇叭我們才能在喇叭聽到MP3模塊產(chǎn)生的音樂。運放模塊如圖4.4.1所示： 圖4.4.1：運放模塊 該運放模塊用的是芯片LM386N-1，由圖可以看出放大芯片的3口是音樂信號的輸入端，1口跟8口是控制放大倍數(shù)的端口。本設計采用的放大倍數(shù)是50倍，由于可以看出由一個1.2K和一個10uf的電容組成即可。第7口是一個旁路，濾掉一些雜波。第5口是該芯片的音樂信號輸出口，該端口連接的是電容跟電阻組成的濾波電路。圖中C18電容的較大起到了阻低頻的效果，另一路的電容C17由于其阻值較小起到了一個低通濾波的效果。最后經(jīng)過處理的音樂信號提供給喇叭外放。 4.5 單片機控制模塊 音樂噴泉控制器的設計涉及到通過單片機采集音樂信號，來調節(jié)I/O口的輸出來控制彩燈以及電機的轉動，從而達到聲、光、水的完美控制。作為整個設計核心，我選用的是AT89S52單片機的最小系統(tǒng)來實現(xiàn)的。該系統(tǒng)如圖4.5.1所示： 圖4.5.1： AT89S52單片機的最小系統(tǒng) 該圖中分別有AT89S52單片機，復位電路，時鐘電路組成。其中復位電路是用來確定單片機的起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。單片機在接通電源時產(chǎn)生復位信號，完成單片機的啟動，同時手動按鍵也能產(chǎn)生復位信號完成單片機的啟動。復位電路還有一個比較重要的用途就是，在單片機工作出現(xiàn)混亂或者“死機”時，使用手動手段可以使單片機“重啟”。這樣可以便于我們更好的控制和保護單片機以及各個芯片。復位電路如圖4.5.2所示： 圖4.5.2：AT89S52的復位電路 時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機工作的節(jié)奏，決定單片機的工作速度。時鐘電路也就是振蕩電路，向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的速度。AT89S52的時鐘頻率范圍是：0-33MHz。圖4.5.3為AT89S52單片機的時鐘電路。 圖4.5.3：AT89S52的時鐘電路 整個單片機是本設計的核心控制部分。單片機的P0口用來連接A/D轉換的數(shù)據(jù)輸出線，P1口本設計中沒有使用，P2口用來接彩燈電路，P3口是整個系統(tǒng)的控制位以及電機口和繼電器口。首先單片通過P3口控制A/D轉7換的開啟以及數(shù)據(jù)的接收，將接收到的數(shù)據(jù)按照一定的要求輸出控制位，從而控制整個系統(tǒng)的運行。整個單片機最小系統(tǒng)的PCB如圖4.5.4所示。 圖4.5.4：單片機最小系統(tǒng)PCB 4.6電機驅動模塊 對于驅動電路的芯片的選擇，我選擇了L298N。該芯片具有體積小，控制方便的特點，是一種專用的驅動電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率越強，其輸出電流為2A，最高電流為4A，最高工作電壓為50V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相連，從而很方便的接受單片機的控制。 對于電機的調速，我們采用PWM的調速方法。其原理就是開關管在一個周期內導體的時間為t，周期為T，則電機兩端的平均電壓U=Vcc*（t/T）=aVcc。其中，a=t/t（占空比），Vcc是電源電壓。電機的轉速與電機兩端的電壓成正比，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉的越快。硬件原理圖如圖4.6.1所示： 圖4.6.1：電機驅動原理圖 在硬件電路的連接上，我們將單片機的P3.7口連接到LN298的IN1口上，IN2口接地。通過改變P3.7口上的高低電平的占空比以控制電機的轉速。 電機驅動模塊的PCB如圖4.6.2所示： 圖4.6.2：電機驅動PCB 4.7 繼電器模塊 該模塊的設計主要針對的是當整個系統(tǒng)的控制位輸出的控制量達到最大時，也就是彩燈全部被點亮，電機轉速也達到最快時，這就說明系統(tǒng)需要添加新的噴頭，這里用繼電器代替。如圖4.7.1所示。 圖4.7.1：繼電器模塊 該模塊主要的使用的是三極管跟繼電器。這里三極管充當?shù)氖情_關的作用，而繼電器則是作為信號相應端。由圖可以看出三極管的基極這一端連接的單片機最小系統(tǒng)的P3.6口。當系統(tǒng)需要繼電器工作時，單片機P3.6口輸出為高電平，這時使得三極管Q1導通從而使得繼電器工作。這樣就能使得單片能夠很好的控制繼電器的開關。 4.8彩燈控制模塊 彩燈控制模塊，采用的是直接通過52單片機直接控制的。發(fā)光二極管一端接電源，另一端接一個保護電阻再直接接到單片機的P0口。如圖4.8.1所示： 圖4.8.1：彩燈控制電路 單片機把MP3模塊產(chǎn)生的音樂信號經(jīng)過濾波放大時候，再通過A/D轉換之后的信號給單片處理之后，按照我們需要達到的效果，合理的輸出，這樣就能達到一個很好的效果。如果要是其中一個燈亮，只要控制相應的P0口為低電平即可，這樣既能簡單的控制彩燈的亮滅，同時也簡化了編程的難度。 5 硬件設計與調試方法 5.1 硬件原理圖設計環(huán)境 本設計的原理圖使用的是Altium Designer。Altium Designer是一個完整的電子產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，它提供了統(tǒng)一電子產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，涵蓋了電子產(chǎn)品發(fā)展過程中的各個方面包括： * 系統(tǒng)的設計與輸入； * 物理PCB設計； * FPGA硬件設計 * 嵌入式軟件開發(fā) * 混合信號電路仿真 * 信號完整性分析 * PCB制作 * FPGA系統(tǒng)的設計與調試 上述的單一的設計領域統(tǒng)一集中在Altium Designer的設計開發(fā)集成平臺上。它不僅包含了99se與Protel的版本功能，還增加了改進許多功能。在PCB部分，除了Protel中的通道復制，阻抗控制布線功能，自動布線器等功能以外還實現(xiàn)了PCB與FPGA之間的全面集成，從而實現(xiàn)自動引腳優(yōu)化和非凡的布線效果。還提高了對高密度封裝的交互布線功能，總布線功能，器件精確移動，快速鋪銅等功能。其次在原理圖部分，可以將一些不同的對象拷貝到原理圖當中。比如一些網(wǎng)絡標號，一頁圖紙的BOM表，都可以拷貝粘貼到原理圖當中。在信號仿真部分，提供了完善的混合信號仿真，在對XSPICE標準的支持之外，還支持對Pspice模型和電路的仿真。對FPGA設計提供了豐富的IP內核，包括各種處理器、存儲器、外設、接口、以及虛擬儀器。 圖5.1.1： Altium Designer的工作界面 5.2 硬件調試 在硬件設計的過程中，我采用的是模塊設計的方法，先進行每個模塊的設計與調試，等每個模塊的功能都基本實現(xiàn)之后再將所有的模塊整合連接起來形成整個設計。具體設計的時候，關于整個系統(tǒng)的電路連接方面并沒有出現(xiàn)太多的問題，只是出現(xiàn)了一些細節(jié)性的錯誤，這些錯誤后來細心檢查的時候很快就進行了修正。主要的幾個大的問題還是在模塊電路工作不正常所引起的問題。下面介紹我遇到的幾個問題以及解決辦法： 1.LM386運放模塊接喇叭不出聲 原因及解決辦法：經(jīng)過整個模塊的多次調試發(fā)現(xiàn)，剛開始信號輸入運放時接有電阻，使信號很弱，最后將電阻調為零，問題解決。 2.RC濾波電路，剛開始濾波效果不好。 原因及解決辦法：用電位器代替電阻，通過調節(jié)電位器，最終使效果達到設計需要。 3.電機驅動模塊，一開始電機和單片機一起供電，PWM波調節(jié)電機轉速時，轉速改變不明顯。 原因及解決辦法：經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn)，是電機供電不足的原因，一開始設計的時候本著簡便的設想，電機跟單片機一起供電，PWM波調節(jié)電機轉速時變化不是很明顯，所以最后電機采用外部電源供電。 4.A/D轉換模塊調試，A/D芯片燒壞 原因及解決辦法：在調試A/D轉換電路的時候，由于A/D轉換芯片的電源正負極接反導致整個A/D芯片被燒壞，只能從新更換A/D轉換芯片進行調試。 通過整個硬件的調試過程，我發(fā)現(xiàn)了許多的在設計階段不會碰到的問題。比如電源電路正負極接反而導致整個調試心血付諸東流。同時我還發(fā)現(xiàn)實際操作與理論設計中有很大的出入，在理論設計的時候，我們并沒有把所有的干擾都考慮進去。一開始的時候，我就范過這個錯誤，沒注意到干擾而導致模塊功能實現(xiàn)不了。 6 軟件程序設計及流程圖 6.1系統(tǒng)整體軟件設計的環(huán)境 本系統(tǒng)的軟件設計實在Keil C51軟件環(huán)境下實現(xiàn)的。Keil C51是美國Keil Software公司出品的基于C語言的單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)。它與匯編相比，C語言在功能上、結構上、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而很容易實施。如果用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，會有更加深刻的體會。Keil C51軟件有著豐富的庫函數(shù)和很強的集成開發(fā)調試工具。另外更重要的一點， Keil C51生成目標代碼的效率相對于匯編來說是非常效率的，而且很容易被理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 Keil C51的優(yōu)點有: 1.Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 2.與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而很容易實現(xiàn)。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，會更深刻的體會。同時Keil C51軟件擁有豐富的庫函數(shù)和集成開發(fā)調試工具。 6.2 軟件設計流程圖 N 圖6.2.1系統(tǒng)軟件設計原理圖 由上圖可以看出整個軟件設計由剛開始啟動A/D轉換程序、到讀A/D轉換的數(shù)據(jù)（電壓值）、再到對電壓數(shù)據(jù)進行分析、最后在輸出到控制位，控制電機以及彩燈的狀態(tài)。整個數(shù)據(jù)分析有五個選擇： 當電壓V≤0.56時：彩燈1號燈亮，電機的速度設置為1； 當電壓0.56
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