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本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 小型音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 機(jī)械學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名 學(xué) 號(hào) 學(xué)習(xí)年限 2013年10月 至 2017年6月 指導(dǎo)教師 職稱 申請(qǐng)學(xué)位 2017年 5月 23日 小型音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 摘 要 噴泉作為一項(xiàng)優(yōu)美的建筑藝術(shù)與人文景觀，以水設(shè)景的方式在中外歷史上都很有特點(diǎn)，在人類歷史上留下了光輝的印記。好的噴泉就仿佛是一個(gè)精美的藝術(shù)品一樣，它的價(jià)值不僅僅在于觀賞，還有頗高的令人喜愛的實(shí)用價(jià)值。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是用單片機(jī)制作一個(gè)聲控噴泉，對(duì)象為直流機(jī)控制的一個(gè)水泵，最終實(shí)現(xiàn)噴泉的噴水高度按音調(diào)高低進(jìn)行同步的變化。這里采用模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換、程序控制信號(hào)輸出、PWM變頻調(diào)速等方法，提出了一種較為先進(jìn)的音樂噴泉設(shè)計(jì)方案和控制途徑。 關(guān)鍵詞：音樂噴泉 單片機(jī) 直流機(jī) 變頻調(diào)速 Design of small music fountain control system Author’s Name: Tutor: ABSTRACT：Fountain as a beautiful architectural art and cultural landscape, the way the water in the history of Chinese and foreign history are very characteristic, in the history of mankind left a glorious mark. A good fountain is like a fine artwork, its value is not just watch, there are quite high practical value. The main content of this design is to use a single-chip production of a voice fountain, the object of the DC machine control of a pump, and ultimately to achieve the fountain of the water level by the pitch level of synchronization changes. Here the use of analog signal conversion, program control signal output, PWM frequency control and other methods, put forward a more advanced music fountain design and control methods. KEYWORDS：music fountain SCM DC machine Frequency 目 錄 1 引言 1 1.1 本課題的研究背景 1 1.2 本課題的研究意義 2 1.3 音樂噴泉在生活中的諸多作用 2 1.4 本課題的基本內(nèi)容 3 2 總體設(shè)計(jì)方案 3 2.1 方案比較 3 2.2 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 4 2.3 音樂噴泉控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 6 2.4 系統(tǒng)框圖 6 3 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 3.1 音樂信號(hào)的采集 7 3.2 單片機(jī)電路 9 3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 10 3.4 潛水泵調(diào)速硬件方案設(shè)計(jì) 12 3.5 燈光硬件方案設(shè)計(jì) 14 3.6 元件清單 14 4 噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 15 4.1 噴池?cái)?shù)據(jù) 15 4.2 主程序框圖 16 4.3 控制潛水泵軟件設(shè)計(jì)模塊 17 4.4 歌曲存儲(chǔ)模塊 18 4.5 燈光控制模塊 20 4.6 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真 21 總結(jié)與致謝 23 參考文獻(xiàn) 24 附 錄 26 1 引言 1.1 本課題的研究背景 音樂噴泉作為人文景觀中一項(xiàng)不可多得的建筑藝術(shù)，這條靚麗的風(fēng)景線在中外歷史上都享譽(yù)盛名。上世紀(jì)八十年代以前，噴泉只作為一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)被排水和美化專業(yè)施工人員所使用，從構(gòu)思，設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，測(cè)試，到最后的工程安裝沒有形成規(guī)模。只有在展覽廳和公園等公共建筑可以看到一些小噴泉，產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平相對(duì)簡(jiǎn)單，效果是單一的。上世紀(jì)八十年代起，社會(huì)的進(jìn)步風(fēng)氣開始上升，國(guó)民經(jīng)濟(jì)取得了一定的恢復(fù)和發(fā)展，人民生活水平和科學(xué)技術(shù)水平均有明顯改善與提高。一些城市的相關(guān)部門對(duì)于噴泉提出了推陳出新的要求，他們的目的是希望將新型的音樂噴泉應(yīng)用到城市建設(shè)、城市改造的過程中，還包括噴泉的景觀設(shè)置和文藝空氣的設(shè)計(jì)與制造方面。對(duì)建筑、園藝、水利科學(xué)院、高等教育研究所等機(jī)構(gòu)來說，他們獲得了一個(gè)機(jī)遇，在綜合了土木工程、供排水系統(tǒng)等一些工科技能后，再加上當(dāng)時(shí)先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)以及機(jī)電控制理論，依據(jù)學(xué)術(shù)理論改變特定量達(dá)到控制電磁閥和直流電機(jī)調(diào)速的目的，設(shè)計(jì)并制造了一批與之前全然不同的噴泉設(shè)備，營(yíng)造了全新的景觀效果，收到良好的社會(huì)和社會(huì)反應(yīng)。同期，部分具有加工噴泉設(shè)備專業(yè)能力的工人和具有獨(dú)到眼光的投資人合伙建廠或者成立研發(fā)公司，這些工廠以及公司的發(fā)展推動(dòng)了我國(guó)噴泉行業(yè)的進(jìn)步，為噴泉的行業(yè)的發(fā)展提供了中堅(jiān)力量，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二十世紀(jì)90年代以后，社會(huì)風(fēng)氣推動(dòng)思想解放，各界人士的觀念都發(fā)生了翻天覆地的變化，在物質(zhì)生活逐漸得到滿足的社會(huì)背景下，他們開始注重精神生活，對(duì)高品質(zhì)的文化氛圍和優(yōu)雅的生活環(huán)境有了需求。就是因?yàn)檫@樣，有市場(chǎng)就會(huì)有商品，有商品就會(huì)有更好的商品，與此同理，噴泉行業(yè)亦取得了巨大的發(fā)展。噴泉已經(jīng)不單是公園、花園和廣場(chǎng)的專屬品，開始延伸到人們的各種社會(huì)活動(dòng)中。就在這一時(shí)期，研發(fā)和制造噴泉的工作室和工廠順應(yīng)潮流萌芽生長(zhǎng)，以至于壯大起來。噴泉設(shè)計(jì)人員把現(xiàn)代工業(yè)的各種相關(guān)技術(shù)都應(yīng)用到了噴泉中，把噴泉行業(yè)的技術(shù)水平推上了一個(gè)新高度，為人們提供視覺震撼的同時(shí)也為應(yīng)用領(lǐng)域開辟了廣闊的領(lǐng)土，人人都開始注意這一特殊的人文景觀。中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)給水排水設(shè)備分會(huì)在2001成立了水景噴泉專業(yè)委員會(huì)，這一組織有效的調(diào)配了各種資源，統(tǒng)籌安排了發(fā)展規(guī)劃路線，以促進(jìn)噴泉行業(yè)健康有序快速發(fā)展為宗旨，希望通過提供各種服務(wù)滿足人們的精神追求。在普通高校的建筑專業(yè)，園林專業(yè)也設(shè)置了水景，噴泉等相關(guān)課程，這一舉措為噴泉行業(yè)的發(fā)展提供了知識(shí)和人才儲(chǔ)備，初衷自然是希望噴泉行業(yè)有更好的發(fā)展。自此以后，噴泉產(chǎn)業(yè)在人們的希冀中進(jìn)入又好又快發(fā)展的新階段。 時(shí)代在發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步，這一切都?xì)w結(jié)于人的進(jìn)步，思想的進(jìn)步，追求的進(jìn)步，對(duì)健康優(yōu)雅環(huán)境的要求讓他們對(duì)噴泉情有獨(dú)鐘，特別是噴泉在城市和社區(qū)環(huán)境建設(shè)中的作用是無(wú)可取代的。于是以高新科技為支撐的各種新型水景在我國(guó)紛紛涌現(xiàn)，音樂噴泉是其中最具代表性的一例，以它悠揚(yáng)的曲調(diào)，動(dòng)感的節(jié)奏，繽紛的花樣，多變的色彩征服了觀眾的心。程序控制噴泉的方式已經(jīng)成為噴泉藝術(shù)呈現(xiàn)的新的主流形式，現(xiàn)代控制技術(shù)與傳統(tǒng)人工噴泉的完美結(jié)合，通過單片機(jī)程序令噴泉水姿呈現(xiàn)不一樣的變化。采用單片機(jī)控制技術(shù)，通過單片機(jī)控制電路以及初始化程序，完全可以實(shí)現(xiàn)噴泉與光的協(xié)同控制，形成美輪美奐的活水景觀。 1.2 本課題的研究意義 如果把噴泉看做藝術(shù)，那么在現(xiàn)代社會(huì)的住宅小區(qū)和酒店大廳都應(yīng)該有它的身影，營(yíng)造優(yōu)雅靜美靈動(dòng)的環(huán)境的同時(shí)增加空氣濕度，不單有利于身體健康還能放松心情。我相信，很多人都有一個(gè)同樣的疑問：噴泉的關(guān)鍵是什么，我認(rèn)為是控制系統(tǒng)。模仿大型噴泉的系統(tǒng)做個(gè)小型噴泉，像它一樣控制核心采用單片機(jī)，可以控制水泵的電機(jī)達(dá)到調(diào)節(jié)水流的目的，彩燈同樣可以用單片機(jī)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心使用單片機(jī)，注意是考慮到它的物理應(yīng)用特性。比如體積小、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作環(huán)境要求不高、價(jià)錢便宜、可靠性高等都是使用優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)代社會(huì)研究小型噴泉的控制系統(tǒng)不但可以帶來經(jīng)濟(jì)效益還會(huì)收獲相應(yīng)的社會(huì)效益。在運(yùn)用成熟水平制作音樂噴泉的國(guó)際背景下，生產(chǎn)廠家為消費(fèi)者提供了包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備安裝等專業(yè)服務(wù)。智能化、集成化、多元化已經(jīng)成為了音樂噴泉發(fā)展的主流方向，同時(shí)這一發(fā)展方向也對(duì)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者也提出了全然不同的要求，這對(duì)工程師來說既是挑戰(zhàn)又是機(jī)遇。 本課題研究的小型音樂噴泉控制系統(tǒng)就是以單片機(jī)為核心的，不但可以推廣噴泉在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，凸顯其在美化環(huán)境中的作用，還可以有力的推動(dòng)噴泉控制技術(shù)的發(fā)展。對(duì)我個(gè)人而言，研究本課題，可以加深我對(duì)單片機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和機(jī)電一體化系統(tǒng)的理解，方便知識(shí)應(yīng)用。復(fù)習(xí)C語(yǔ)言課程，自學(xué)protei99 SE軟件并使用該軟件繪制電路原理圖。通過解決設(shè)計(jì)過程中遇到的各式各樣的問題，獲得更多的知識(shí)以提升自己的專業(yè)能力。 1.3 音樂噴泉在生活中的諸多作用 音樂噴泉作為人文景觀中一項(xiàng)不可多得的建筑藝術(shù)，這條靚麗的風(fēng)景線在中外歷史上都享譽(yù)盛名。音樂噴泉被譽(yù)為一項(xiàng)流動(dòng)的藝術(shù)，音樂噴泉那美輪美奐藝術(shù)體驗(yàn)給人以無(wú)限的享受。伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，與此同時(shí)，景觀在生活中被越來越多的人關(guān)注與向往，在現(xiàn)代都市生活的園林景觀設(shè)計(jì)中，水的靈動(dòng)已然令其成為了不可缺少的組成部分，音樂噴泉便是其中最為重要的景觀，因此無(wú)論是在公園景觀布局、城市環(huán)境規(guī)劃及水景制造還是在小區(qū)風(fēng)景的設(shè)計(jì)中，音樂噴泉的應(yīng)用必不可少，其設(shè)計(jì)與效果更是至關(guān)重要的。為了使水靈動(dòng)起來，音樂噴泉特別采用了現(xiàn)代循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，這樣做不僅避免了水池里的水變成死水或者臭水，在一定程度上節(jié)約了本就匱乏的水資源，達(dá)到提高水利用率的目的。音樂噴泉花姿百態(tài)活靈活現(xiàn)，有很高的觀賞價(jià)值。音樂噴泉能夠利用水和音樂做出及其壯美的聲效景觀，形隨音動(dòng)，能夠表現(xiàn)出很多姿態(tài)，形成活潑而又絢爛的景觀，是夜晚的主題。特別注意，水是生命之源，增加空氣濕度來改善生活環(huán)境的方法也是音樂噴泉最重要的作用。 1.4 本課題的基本內(nèi)容 基本任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)音樂噴泉，控制核心使用ST89C51單片機(jī)，對(duì)噴水高度的控制是要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，要達(dá)到這一目標(biāo)，可以調(diào)節(jié)水泵的水流量，由基礎(chǔ)知識(shí)可以知道只有調(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速才能完成這一基礎(chǔ)任務(wù)。那么調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速就成為我們關(guān)注的焦點(diǎn)了?？刂葡到y(tǒng)最核心的部分采用的是程序控制的辦法，通過編寫準(zhǔn)確合適的程序并將其輸入單片機(jī)內(nèi)，外部信號(hào)由單片機(jī)獲取并經(jīng)程序處理最終輸出預(yù)定的數(shù)據(jù)來控制三極管工作，通過改變加在電機(jī)兩端的電壓進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速的預(yù)期目標(biāo)。輸入音頻信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換程序處理等將輸出信號(hào)作用到三極管的基極最終控制電機(jī)，水流量的變換會(huì)呈現(xiàn)出水姿高低變化的情形。各個(gè)彩燈分別與單片機(jī)的I/O引腳相連，內(nèi)部程序可以達(dá)到每種音調(diào)的狀態(tài)組合的效果。這次設(shè)計(jì)方案最驚艷的地方在于是否有音頻的輸入來決定噴泉啟停狀態(tài)。LED燈也會(huì)顯示出一系列變換表示音樂的運(yùn)行狀態(tài)。 2 總體設(shè)計(jì)方案 2.1 方案比較 方案一：基于硬件電路采樣的前饋補(bǔ)償音樂噴泉控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：在同類的音樂噴泉中該控制系統(tǒng)的采樣結(jié)果是完全有能力直接反映音樂信號(hào)強(qiáng)度的，采集音樂信號(hào)和該信號(hào)后續(xù)的處理都是由噴泉的控制器等配合工作來完成的，這個(gè)方法的采樣周期是0.1秒。這次系統(tǒng)中補(bǔ)償方法采用的是控制輸出前饋補(bǔ)償方式，而這里前饋控制的時(shí)間長(zhǎng)度可以系統(tǒng)設(shè)置的“前饋”時(shí)間得到確定。使用這種時(shí)間補(bǔ)償方式的目的就是要消除音樂與噴泉?jiǎng)幼鞯臅r(shí)間差，因?yàn)檫@種方式能夠滿足音樂噴泉前饋補(bǔ)償控制的需求，實(shí)現(xiàn)噴泉?jiǎng)幼麟S音樂的和諧律動(dòng)。 缺點(diǎn)：系統(tǒng)條件的限制較為苛刻，各硬件組件要求精密度高，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能力的要求也頗為嚴(yán)格，實(shí)施起來比較困難。 方案二：基于全數(shù)字集成電路音樂噴泉控制器 這個(gè)設(shè)計(jì)方案采用既能音控又能程控的兩用控制器，而且音控、程控可用開關(guān)手動(dòng)切換。程控時(shí)，電位器能夠起到的作用是調(diào)節(jié)速度；音控時(shí)，輸入音樂的音量便能直接控制彩燈，控制思路是以音樂音量的大小來決定彩燈打開組數(shù)的多少，音量越大彩燈亮的組數(shù)越多。整個(gè)控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用普遍廣泛，項(xiàng)目的可行性論證比較可靠。但是，實(shí)現(xiàn)的效果有限，無(wú)法達(dá)到較高的要求。 方案三：基于單片機(jī)的音樂噴泉控制系統(tǒng) 以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)是小型音樂噴泉控制系統(tǒng)中用的最廣泛而普遍的。靈活的編程設(shè)計(jì)，豐富的I/O端口，精確的控制單片機(jī)的這些特點(diǎn)能夠簡(jiǎn)單而又實(shí)用的將音樂與噴泉的動(dòng)作密切而默契的配合起來。而且這類控制器性價(jià)比理想，體積小，易于操控，簡(jiǎn)便可行。 經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，方案三以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)與本次設(shè)計(jì)的要求較為符合，并且經(jīng)濟(jì)適用。我認(rèn)為選取方案三作為這次設(shè)計(jì)方案較為合理。 2.2 單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用 管控功能好、體積小、價(jià)錢低是單片機(jī)的主要特點(diǎn)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)特有的良好的管制功用和非常靈敏的嵌入質(zhì)量，在智能儀表、機(jī)電一體化產(chǎn)品、家用電器等多個(gè)范疇內(nèi)在近些年來都獲得了非常重要的地位。 2.2.1 單片機(jī)及其特點(diǎn) 把一臺(tái)完整的微型計(jì)算機(jī)濃縮在一個(gè)微小的芯片內(nèi)，就可以把這個(gè)芯片叫做單片機(jī)芯片。而單片機(jī)內(nèi)部的主要零部件包括：CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O口。簡(jiǎn)單說，單片機(jī)就相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，能夠準(zhǔn)確反映它的定義本質(zhì)的說法應(yīng)該是微控制器。 設(shè)計(jì)單片機(jī)的初衷就是想把許多大體積的外圍設(shè)備和管理中心CPU全部放置在一個(gè)微小的芯片中，令計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最小化，使其能夠方便快捷的應(yīng)用到復(fù)雜而又要求極高的控制部分去。 單片機(jī)最大的特點(diǎn)就是可以應(yīng)用特定的程序完成特定的任務(wù)，在控制的極端條件下使用較多，這是其他控制器無(wú)法比擬的特殊性。用戶完全可以根據(jù)自己的控制需求編寫自己的單片機(jī)程序，這不僅是智能與效率的體現(xiàn)而且非?？煽浚? 2.2.2 單片機(jī)的應(yīng)用 單片機(jī)獨(dú)有的特點(diǎn)決定了它必然會(huì)受到社會(huì)青睞的結(jié)果，不論是在工業(yè)、民用甚至事業(yè)部門都在發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。大概把它歸屬為以下不同的應(yīng)用層面： 表2-1 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 智能 儀器儀表 憑借控制功能好的長(zhǎng)處單片機(jī)在儀器儀表中廣泛使用，與不同傳感器配合可測(cè)量不同的物理量。而且儀器儀表憑借單片機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、微型化，而且功能也越來越強(qiáng)大。例如，示波器就采用的單片機(jī)。 工業(yè)控制 單片機(jī)能夠按不同的需要組成不同的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。最常見的例子就是電梯的智能化控制。 家電 很負(fù)責(zé)任的說，在目前的家電市場(chǎng)上，電器的控制部分絕大部分都采用單片機(jī)控制。生活中我們經(jīng)常使用的洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)、都有單片機(jī)的身影，毫不夸張的說處處都有。 網(wǎng)絡(luò)通信 單片機(jī)發(fā)展到今天，通信接口已經(jīng)在其上普及，能夠和計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，它作為物質(zhì)基礎(chǔ)在算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間起到了巨大的作用。依照目前的發(fā)展?fàn)顩r看，通信設(shè)備大體上都做到了基于單片機(jī)的智能控制，從固定電話，手機(jī)到日常生活中經(jīng)常見到的移動(dòng)電話，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。 醫(yī)療方面 在各種醫(yī)療設(shè)備中也普遍活躍著單片機(jī)單片機(jī)的身影，像醫(yī)用呼吸機(jī)，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 除了以上工作層面，單片機(jī)在辦公，營(yíng)銷，移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等范圍內(nèi)都在扮演著自己的角色。總而言之，單片機(jī)已然成為了控制領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，而且會(huì)越來越重要。 2.2.3 單片機(jī)的選擇 對(duì)于許多專業(yè)人士來講，單片機(jī)的的選型是一件極其重要卻又很費(fèi)心思的一件事情,如若能夠獲得合適的單片機(jī)型號(hào),但就成本來講，該系統(tǒng)就會(huì)節(jié)約很大一部分花銷,而且工作可靠、穩(wěn)定;如若沒有獲得合適的單片機(jī)型號(hào),系統(tǒng)的運(yùn)行一定會(huì)出現(xiàn)反常的現(xiàn)象，嚴(yán)重的話甚至根本達(dá)不到功能預(yù)期,在成本方面也會(huì)造成一部分浪費(fèi)。 不論是芯片個(gè)數(shù)還是芯片包含的功能數(shù)量都要略大于設(shè)計(jì)需求，芯片有的功能盡量靠芯片執(zhí)行不要采用外部設(shè)備替代。購(gòu)買芯片的時(shí)候要買大廠的不買小廠的，要買產(chǎn)品批量多的不買產(chǎn)品批量少的，盡量選用名牌不用不知名的牌子，在保證質(zhì)量的前提下盡量選擇價(jià)錢低的。這是工程師選擇單片機(jī)芯片時(shí)必須秉承的理念。 對(duì)單片機(jī)選型,必須考慮幾個(gè)因素： (1)技術(shù)性:保證控制系統(tǒng)在一定范圍的技術(shù)指標(biāo)下能夠可靠運(yùn)行; (2)實(shí)用性:根據(jù)廠家以往供貨的產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析，選用質(zhì)量好，耐用的產(chǎn)品，以保證單片機(jī)被應(yīng)用到系統(tǒng)中之后能長(zhǎng)期、可靠的運(yùn)行； (3)可開發(fā)性：所選用的單片機(jī)必須要有類似程序編輯、仿真調(diào)試等可以開發(fā)的手段。 下面我們來比較89C51和89C52： 表2-2 AT89C51和AT89C52單片機(jī)的比較 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器 定時(shí)器 中斷 51系列 128B 4KB 2 5 52系列 256B 8KB 3 8 通過數(shù)據(jù)比較及功能需求的分析，本課題中，選用51系列單片機(jī)，即AT89C51單片機(jī)，完全能夠滿足設(shè)計(jì)預(yù)期功能的要求。 2.3 音樂噴泉控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 電路輸入/輸出模塊 采集模塊 單片機(jī)模塊 電源電路模塊 A\D 轉(zhuǎn)換模塊 圖2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架 2.4 系統(tǒng)框圖 就像大家都知道的一樣，所有聲音的產(chǎn)生源都是震動(dòng)，聲音中音調(diào)高低主要取決于描述物體振動(dòng)的頻率，所以我們可以通過單片機(jī)來進(jìn)行頻率信號(hào)的控制輸出，這樣多種音調(diào)就能夠控制產(chǎn)生了；不同音調(diào)所持續(xù)的時(shí)間也需要控制，這一任務(wù)可以利用單片機(jī)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)來完成，簡(jiǎn)言之，就是實(shí)現(xiàn)節(jié)拍的控制與變換。音調(diào)的流轉(zhuǎn)和節(jié)拍的變換都有章可循，那就是樂譜，根據(jù)樂譜排列章法加以變換表現(xiàn)的就是樂曲的演奏功能。水泵的電動(dòng)機(jī)控制電路和彩燈控制電路要注意，令他們分別與單片機(jī)上相應(yīng)的輸出點(diǎn)連接，每種音調(diào)都有和它相對(duì)應(yīng)的一組輸出點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)組合，這一控制就是通過單片機(jī)內(nèi)的程序完成的，就是按照這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)樂曲控制噴泉的動(dòng)作的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。 單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換 功放 喇叭 頻譜彩燈顯示 驅(qū)動(dòng) 水泵 電源 音頻 圖2-2 系統(tǒng)總體框圖 用于噴泉控制的音樂只要能夠輸入到控制系統(tǒng)就可以了，用像VCD、DVD一樣的外部設(shè)備或者通過計(jì)算機(jī)直接播放控制音樂的效果都是一樣的。噴泉的啟動(dòng)或停止?fàn)顟B(tài)是通過有沒有音樂信號(hào)的輸入控制的。如果音樂播放時(shí)，先將音樂信號(hào)放大，再通過一系列變換，作用到電機(jī)上，通過改變水壓力來使噴頭噴出的水柱達(dá)到起伏的效果，與音樂配合，水隨曲動(dòng)，相互輝映。音樂噴泉的單片機(jī)控制系統(tǒng)功能齊全，包含捕獲音樂、啟動(dòng)噴泉、彩燈，噴泉和彩燈的狀態(tài)通過程序控制輸出的信號(hào)變換，所達(dá)到的效果包括停止噴泉、彩燈閃和一定時(shí)間內(nèi)按樂譜曲調(diào)為準(zhǔn)則的彩燈變換。 3 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 音樂信號(hào)的采集 按前文所述，此次課題的設(shè)計(jì)方案擬采用外部音源的音樂噴泉控制系統(tǒng)，要想利用音樂信號(hào)的特征控制此系統(tǒng)首先要面臨的一個(gè)重大問題就是如何有效的采集音樂信號(hào)。由我們學(xué)過的基礎(chǔ)知識(shí)就可以知道，信號(hào)放大和 A/D 轉(zhuǎn)換這兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立又緊密銜接的過程可以解決采集音樂信號(hào)的問題。 3.1.1 音頻放大電路的設(shè)計(jì) 音頻放大對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)必不可少，因?yàn)椴シ乓魳返囊粼葱盘?hào)的幅度相對(duì)來說比較微弱，為了能夠有效全面的利用音樂信號(hào)，只有放大原來的音樂信號(hào)才能避免系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的漏采，之后再將信號(hào)送入A/D 轉(zhuǎn)換器。在這里選擇 LM386 芯片作為設(shè)計(jì)音頻放大電路的核心。LM386 芯片在電子應(yīng)用中有著不可替代的作用，這都是由它的特點(diǎn)決定的，功耗低、工作電壓范圍較寬為 4~12V、所需外圍元件少，所以在相關(guān)領(lǐng)域的中應(yīng)用及其普遍。LM386 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能包括輸入級(jí)、電壓增益和電流驅(qū)動(dòng)級(jí)。從圖 3-1 可以看出，LM386 采用雙列 8 腳封裝結(jié)構(gòu)；物理特性也頗受青睞工作電壓范圍為 4~12V，靜態(tài)電流 4mA，最大輸出功率 660mW，最大電壓增益 46dB，增益帶寬 300kHz，諧波失真只有0.2%。 圖3-1 LM386 封裝形式及引腳定義 圖 3-2 是本次設(shè)計(jì)采用的音頻放大電路，可以看出該電路的具體細(xì)節(jié)。在 LM386 芯片的 1 腳和 8 腳之間串接一個(gè) 10 微法的電容，如此便能使放大電路的增益能達(dá)到最大值，200 倍數(shù)（46dB）。前面是放大電路的核心部分，此外圖中還包括對(duì)音頻放大電路的外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的內(nèi)容，電路中電容 C1、C6 的作用同為隔直流，電位器 P1 可以幫你達(dá)到想對(duì)音量的大小有絕對(duì)控制的權(quán)利，降低旁邊電路高頻噪音，提升輸出音質(zhì)的水平是元件 R2、C5 所要做的事情。去耦電容 C3 既能蓄能還能把旁路產(chǎn)生的高頻噪聲最小化。 圖 3-2 音樂信號(hào)采集放大 3.1.2 采樣定理 模擬信號(hào)經(jīng)過A/D變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程被稱為采樣。奈奎斯特發(fā)現(xiàn)了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間聯(lián)系的橋梁，我們稱之為采樣定理。它作為連續(xù)信號(hào)離散化的基本依據(jù)反映的是采樣頻率與信號(hào)頻譜之間的關(guān)系。通常情況下，連續(xù)信號(hào)又被稱為模擬量信號(hào)，離散信號(hào)與數(shù)字量信號(hào)是相同的。采樣定理的具體內(nèi)容描述為“當(dāng)對(duì)一個(gè)模擬（連續(xù)）信號(hào)進(jìn)行離散化時(shí)，必須滿足采樣頻率fs 大于或等于被采樣信號(hào)的最高頻率fm的2 倍，只要這樣才能通過理想的低通濾波器，從變換后的樣本值序列信號(hào)中準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始模擬信號(hào)”，此處fm 為香農(nóng)頻率。 如圖 3-2 所示，在本次設(shè)計(jì)中，被放大的音樂信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并以其形式被輸送到計(jì)算機(jī)，這便完成了音樂信號(hào)的采樣。 3.2 單片機(jī)電路 采集的數(shù)字量音樂信號(hào)最終要輸入到單片機(jī)，并根據(jù)輸入的信號(hào)經(jīng)過一系列變換來調(diào)節(jié)I/O口的輸出電平，進(jìn)而控制水泵和彩燈。前面已經(jīng)提到，本次設(shè)計(jì)單片機(jī)主芯片選用AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)是一個(gè)低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有128字節(jié)的RAM，32個(gè)I/O口，還包括定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，振蕩電路等，完全可以滿足我們的設(shè)計(jì)要求。最重要的是其使用簡(jiǎn)便價(jià)格低廉。 圖3-3 AT89C51芯片 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) AT89C51芯片內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。XTAL1是反相放大器的輸入端，XTAL2為輸出端。輸入端與輸出端跨接晶振及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖3-4所示。 其中，電容 C2 也有著不可取代的作用，它作為旁路電容，可以把該信號(hào)的中高頻噪聲連接到地，減弱系統(tǒng)噪聲。而晶振所起的作用就是為控制系統(tǒng)提供最基本卻又很重要的時(shí)鐘信號(hào)，所以在單片機(jī)系統(tǒng)中晶振已經(jīng)成為不可或缺的一部分。晶振與單片機(jī)內(nèi)部的電路連接并配合，可以產(chǎn)生單片機(jī)運(yùn)行時(shí)所必須的時(shí)鐘頻率，可以這樣形容，如果晶振能夠提供足夠高的時(shí)鐘頻率，那么單片機(jī)的運(yùn)行速度也隨之足夠快。晶振可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩，是因?yàn)橐环N特殊的晶體（能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化）在共振的狀態(tài)下工作的原因。 圖3-4 自激振蕩器 3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 經(jīng)過放大電路的音頻信號(hào)是音樂噴泉是否有動(dòng)作的決策者，對(duì)噴泉控制系統(tǒng)有著絕對(duì)的控制權(quán)，單片機(jī)要根據(jù)音樂信號(hào)對(duì)噴泉進(jìn)行控制，所以，音樂信號(hào)應(yīng)該被輸入到單片機(jī)來使用。但是，單片機(jī)無(wú)法對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并使用，為了完成這一任務(wù)，特地在此加入了A/D轉(zhuǎn)換電路，它的作用就是將放大的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)輸入到單片機(jī)，以供控制噴泉?jiǎng)幼髋c燈光閃爍。 本次設(shè)計(jì)中，AD轉(zhuǎn)換電路的主芯片采納ADC0832。ADC0832芯片主要有這些特征：8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，兼容性好，體積小，性價(jià)比高，有能力滿足一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。所以，在業(yè)內(nèi)ADC0832吸引了無(wú)數(shù)人的眼球，被廣泛采用。連接圖如圖3-5。該芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間是32s，與其他同類產(chǎn)品相比較快，數(shù)據(jù)誤差小，轉(zhuǎn)換速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)等都是其長(zhǎng)相。此外，獨(dú)立的芯片使能輸入也使它的應(yīng)用變得快捷、方便、有效。 ADC0832芯片的接口說明如表3-1所示。 表3-1 ADC0832各引腳說明表 接口 說明 CS 片選使能，低電平芯片使能 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用 CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用 GND 芯片參考0 電位（地） DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制 DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出 CLK 芯片時(shí)鐘輸入 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用） 3.3.1 ADC0832與單片機(jī)89C51的連接 音樂信號(hào)是音樂噴泉的控制量。單片機(jī)是噴泉控制系統(tǒng)的核心，但是必須以音樂信號(hào)作為根據(jù)，才能發(fā)出動(dòng)作指令，并且不能識(shí)別模擬量信號(hào)。而A/D轉(zhuǎn)換電路可以把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)。所以，把這兩部分結(jié)合起來就可以構(gòu)成控制系統(tǒng)的輸入部分，具體接口電路如圖3-5所示。 ADC0832的時(shí)鐘信號(hào)用單片機(jī)AT89C51的P1.2控制輸入。用P1.0控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)，用P1.3控制A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束后數(shù)字量的讀取與選擇通道。 3.3.2 輸入電路 在這里，輸入電路是指能對(duì)樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強(qiáng)弱等進(jìn)行檢測(cè)的裝置。簡(jiǎn)而言之，這里僅用音頻接收裝置將收到的音頻信號(hào)送入音頻放大電路即可（如圖3-2），而后音頻放大信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換將信號(hào)輸入單片機(jī)就可以了。因?yàn)橛辛诉@一系列傳輸與變換，音樂已經(jīng)不單純的擁有背景音樂這一個(gè)身份了，它也可以用來控制整個(gè)噴泉是否有動(dòng)作產(chǎn)生，由此可以說，音樂噴泉最基本的要求已經(jīng)達(dá)到了。 圖3-5 ADC0832與AT89C51連接圖 3.4 潛水泵調(diào)速硬件方案設(shè)計(jì) 在本次的設(shè)計(jì)方案中所選用的水泵型號(hào)較小，其內(nèi)的電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。所以，要完成對(duì)水壓的調(diào)節(jié)，只要對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)就可以了。 目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案采用最多的就是變壓調(diào)速的原理。在變壓調(diào)速前提下，調(diào)速方案又包括可控整流式調(diào)速系統(tǒng)和直流PWM調(diào)速系統(tǒng)兩種。而這兩種變壓調(diào)速方案又各有千秋，各自表現(xiàn)出自己的優(yōu)劣。但是，總的來說PWM調(diào)速表現(xiàn)的更好一些。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬;響應(yīng)快速,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng);主電路損耗小,裝置效率高。所以，此處采用變壓調(diào)速中的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，硬件電路圖結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，如圖3-6所示。其中，電容起到穩(wěn)壓作用。 這里采用的變壓調(diào)速原理是通過對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使單片機(jī)的輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖。在這個(gè)電路中通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，用軟件控制的方式起作用，可以這樣理解，軟件的延時(shí)循環(huán)程序可以改變單片機(jī)端口二進(jìn)制位輸出邏輯狀態(tài)進(jìn)而產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，在程序內(nèi)設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間能夠得到不同的占空比（輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比）。 圖3-6 電機(jī)電路圖 圖3-7 彩燈的連接圖 3.5 燈光硬件方案設(shè)計(jì) 燈光在音樂噴泉之中的使用尤為重要，在夜里，動(dòng)人心魄的旋律，百變起伏的水姿形態(tài)，再加以絢爛奪目的燈光效果，會(huì)使噴泉的效果最大化，不僅可以成為一道亮麗的風(fēng)景吸引人們的眼球，還可以給人們帶來3D式的感官效果，心隨律動(dòng)，眼隨水動(dòng)，絢麗的燈光照亮你的世界，給人以不一樣的震撼。所以燈光的選擇就顯得更加重要了。 本次設(shè)計(jì)方案采用LED水下低壓彩燈作為閃光彩燈使用。該燈被廣大噴泉設(shè)計(jì)者普遍使用，產(chǎn)品機(jī)構(gòu)合理，密封和防護(hù)方面都很好，而且色彩較為艷麗。連接電路如圖3-7所示，其中電阻的作用是限流，保護(hù)。 3.6 元件清單 選擇使用的元器件列表如3-2所示。 元件名稱 元件標(biāo)號(hào) 數(shù)量 10uf 電容 C1, C3 2 20pf 電容 C2, C4 2 104pf 電容 C5, C7, C9 3 220uf 電容 C6, C8 2 LED 發(fā)光二極管 D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 8 喇叭 LS1 1 電機(jī) M1 1 9012 三極管 Q1 1 1K 電阻 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 8 10K 電阻 R9 1 10K 可調(diào)電位器 R10 1 4.7Ω 電阻 R11 1 1K 電阻 R12 1 SW 按鍵 S1 1 電源開關(guān) SW1 1 ADC0832 AD采集芯片 U1 1 AT89C51 單片機(jī) U2 1 LM386 功放芯片 U3 1 12M 晶振 Y1 1 表3-2 硬件選擇表 4 噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，即不同的功能通過單塊程序完成，程序中所有用到的常數(shù)或數(shù)組都用DATA或DB偽指令定義與命名，以易于程序修改、調(diào)試和升級(jí)。 4.1 噴池?cái)?shù)據(jù) 噴池?cái)?shù)據(jù)就是用來對(duì)噴泉池內(nèi)的水泵和彩燈等進(jìn)行啟?？刂频目刂屏繑?shù)據(jù)。一組特定的噴池?cái)?shù)據(jù)，就可以決定噴泉和彩燈的一組相對(duì)應(yīng)的變化形態(tài)。我們也可以把組噴池?cái)?shù)據(jù)叫做花樣數(shù)據(jù)。對(duì)一個(gè)已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)的噴池，我們可以編寫出很多花樣數(shù)據(jù)，是噴池內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化形態(tài)。 本次設(shè)計(jì)中噴池采用圖4-1所示的樣例，并簡(jiǎn)要說明花樣數(shù)據(jù)的編排方法。假設(shè)希望外圈噴頭連續(xù)噴水，水下LED燈按頻譜分析不斷亮滅變化。在這期間，中心噴頭是否噴水及水柱高低一直連續(xù)變化。如果要完成設(shè)計(jì)預(yù)期，該噴池只要1個(gè)輸出寄存器就可以了，其各位控制LED燈定義如下： 8 7 6 5 4 3 2 1 以上各位若為1時(shí)相應(yīng)的彩燈亮，為0時(shí)不亮，則彩燈數(shù)據(jù)應(yīng)為： 0000 0011B 0000 1111B 0011 1111B 1111 1111B 1111 1100B 1111 0000B 1100 0000B 0000 0000B 若該花樣數(shù)據(jù)定義為HYSJ01則數(shù)據(jù)定義如下： DB 03H，0FH，3FH，0FFH，0FCH，0FOH，0COH，00H。 每次將花樣數(shù)據(jù)輸出時(shí)都是順次取一列輸出的，且可循環(huán)取用。顯然這樣的花樣數(shù)據(jù)可以編不少，還可將兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)搭配起來，組成新的更復(fù)雜一些的花樣數(shù)據(jù)。 1號(hào)LED燈 圖4-1噴頭布局例 4.2 主程序框圖 音樂開始，噴泉啟動(dòng)，其流程圖如圖4-2所示。音頻信號(hào)經(jīng)初始化即放大電路放大后，被輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)。單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并保存，經(jīng)內(nèi)部程序處理后將結(jié)果以電平的形式輸出。執(zhí)行完后又返回到A/D轉(zhuǎn)換之前再次執(zhí)行，循環(huán)下去。也就是奏曲每停一次(大多數(shù)樂曲奏曲中間不會(huì)停)，下次再奏曲就重新開始執(zhí)行程序，即多個(gè)樂曲依次輪流循環(huán)使用編制好的數(shù)據(jù)。 圖4-2 主程序框圖 4.3 控制潛水泵軟件設(shè)計(jì)模塊 前面已經(jīng)提到，本次設(shè)計(jì)中我們使用脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)來對(duì)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。脈寬調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)是一種模仿管制方脈沖寬度調(diào)制，它的本質(zhì)是運(yùn)用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行管理的一種十分有效的技術(shù)，普遍使用于測(cè)量、通信、功率控制與變換等很多與生活息息相關(guān)的領(lǐng)域中。 4.3.1 潛水泵開關(guān)調(diào)速的原理 從以前學(xué)過的知識(shí)中我們可以知道，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變加在它兩端的電壓得到改變。PWM調(diào)速控制的原理就是按固定頻率來接通和斷開加在電動(dòng)機(jī)兩端的電源，與此同時(shí)，根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開電源的時(shí)間比(占空比)來改變直流電機(jī)電樞上電壓的"占空比"。簡(jiǎn)單形容就是用時(shí)間的占空比改變電壓的占空比。這樣平均電壓也就隨之改變了，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就間接得到了控制。只需要知道，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。如果我們按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，那么電機(jī)轉(zhuǎn)速也就在控制范圍內(nèi)了。不可忽略的是采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)均無(wú)沖擊，啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)。 4.3.2 潛水泵開關(guān)調(diào)速的軟件設(shè)計(jì) 單相潛水泵采用單片機(jī)AT89C51控制，單片機(jī)的輸出端口P3.7經(jīng)變阻器與三極管的基極連接。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)的數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過PWM調(diào)壓程序處理，由P3.7端口輸出電平信號(hào)。PWM調(diào)壓程序控制輸出電平的高低，根據(jù)三極管的工作特性進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)兩端電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。 三極管的工作特性：三極管顧名思義有三個(gè)極，分別為發(fā)射極（E）、基極（B）、集電極（C）。簡(jiǎn)單點(diǎn)說基極的電流大小直接控制著集電極電流的大小，由于是倍數(shù)關(guān)系可以起到信號(hào)放大的作用。三極管在電路中主要起到電流、電壓放大和轉(zhuǎn)變相位的作用，由于它是非線性元器件，在坐標(biāo)圖上可以劃成三個(gè)區(qū)域，既截止區(qū)域、工作區(qū)域、飽和區(qū)域。截止?fàn)顟B(tài)是指在基極沒有電壓或沒有足夠的偏置電流，集電極輸出電流幾乎為零，就像一個(gè)開關(guān)沒有施加控制電壓被斷開一樣。工作狀態(tài)是指隨著基極電流的增加，三極管進(jìn)入近似于線性的工作區(qū)域，此時(shí)集電極電流的輸出電流為基極電流的β倍，Ib*β=Ic。飽和狀態(tài)是當(dāng)基極電流增加到一點(diǎn)程度，集電極電流增加緩慢或不再增加即此三極管已經(jīng)達(dá)到飽和，三級(jí)管就是利用這個(gè)特性來控制電路的通斷。 此處隨采用PWM調(diào)速，但是，其還有不可避免的缺點(diǎn)：有污染電網(wǎng)的諧波產(chǎn)生；PWM波會(huì)令電機(jī)、電纜額外發(fā)熱；電機(jī)軸的壽命可能會(huì)隨著共模電壓的產(chǎn)生而降低。 4.4 歌曲存儲(chǔ)模塊 4.4.1 音頻脈沖的產(chǎn)生 如果要利用數(shù)字量形式的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為音頻脈沖，我們要做的就是求出任意一個(gè) 音頻的周期（1/頻率），然后再取這個(gè)周期的一半，簡(jiǎn)單說就是求半周期的時(shí)間。每到半周期時(shí)間，就把I/O反相，重復(fù)執(zhí)行這一過程。而在這個(gè)過程中，半周期的時(shí)間可以通過計(jì)時(shí)器得到。那么這個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的脈沖便能在I/O引腳上獲取了。在單片機(jī)的內(nèi)部就有定時(shí)器，令定時(shí)器工作在計(jì)數(shù)器模式（MODE1）下，如果利用改變計(jì)數(shù)值TH0及TL0便可以產(chǎn)生不同頻率的方法來制造不相同的音階。比如，音頻頻率是523Hz，它的周期T是1/523也就是1912μs，所以只需要讓計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956μs/1μs即956，每次計(jì)數(shù)956次時(shí)把I/O反相，那么中音DO（523Hz）就得到了。 表4-1 C調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值T的對(duì)照表 音符 頻率Hz 簡(jiǎn)譜碼(T值) 音符 頻率Hz 簡(jiǎn)譜碼(T值) 低1DO 262 63628 #4FA# 740 64860 #DO# 277 63731 中5SO 784 64898 低2RE 294 63835 #5SO# 831 64934 #2RE# 311 63928 中6LA 880 64968 低3M 330 64021 #6 932 64994 低4FA 349 64103 中7SI 988 65030 #4FA# 370 64185 高1DO 1046 65058 低5SO 392 64260 #1DO# 1109 65085 #5SO# 415 64331 高2RE 1175 65110 低6LA 440 64400 #2RE# 1245 65134 #6 466 64463 高3M 1318 65157 低7SI 494 64524 高4FA 1397 65178 中1DO 523 64580 #4FA# 1480 65198 #1DO# 554 64633 高5SO 1568 65217 中2RE 587 64684 #5SO# 1661 65235 #2RE# 622 64732 高6LA 1760 65252 中3M 659 64777 #6 1865 65268 中4FA 698 64820 高7SI 1967 65283 這里用一個(gè)字節(jié)表示一個(gè)音符，音符的高低可以通過對(duì)應(yīng)字節(jié)的高4位表示，音符的節(jié)拍就用該字符的低4位表示，表4-2列出來了節(jié)拍和節(jié)拍碼一一對(duì)應(yīng)的狀況。若1拍的時(shí)間是0.4秒，那么1/4拍的時(shí)間便是0.1秒，要求得節(jié)拍對(duì)應(yīng)的時(shí)間通過設(shè)定延遲時(shí)間的辦法就好了。比如說，若1/4拍的時(shí)間是DELAY，則1拍對(duì)應(yīng)的節(jié)拍時(shí)間就是4DELAY。因此，如果1/4拍的DELAY時(shí)間清楚了，依照簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)原理，其他的結(jié)拍時(shí)間便是它的倍數(shù)，表3-3所列的是1/4和1/8拍的時(shí)間設(shè)定。 4.4.2 音樂程序 按照表4-1所列的音符與T值計(jì)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立T值表的順序，如果T值表建立在TABLE1處，就可以把構(gòu)成發(fā)音符的計(jì)數(shù)值放在TABLE中了；簡(jiǎn)譜碼（參照表4-4）是字符的高4位，節(jié)拍（參照表4-2）是字符的低4位，如此便可將音符與節(jié)拍碼放在控制程序的“TABLE”處了。 表4-2 節(jié)拍與節(jié)拍碼的對(duì)照表 節(jié)拍碼 節(jié)拍數(shù) 節(jié)拍碼 節(jié)拍數(shù) 1 1/4拍 1 1/8拍 2 2/4拍 2 1/4拍 3 3/4拍 3 3/8拍 4 1拍 4 1/2拍 5 1又1/4拍 5 5/8拍 6 1又1/2拍 6 3/4拍 8 2拍 8 1拍 A 2又1/2拍 A 1又1/4拍 C 3拍 C 1又1/2拍 F 3又3/4拍 表4-3 各調(diào)1/4節(jié)拍的時(shí)間設(shè)定表 曲調(diào)值 DELAY 曲調(diào)值 DELAY 調(diào)4/4 125毫秒 調(diào)4/4 62毫秒 調(diào)3/4 187毫秒 調(diào)3/4 94毫秒 調(diào)2/4 250毫秒 調(diào)2/4 125毫秒 表4-4簡(jiǎn)譜對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜碼、T值表 簡(jiǎn)譜 發(fā)音 T值 簡(jiǎn)譜碼 簡(jiǎn)譜 發(fā)音 簡(jiǎn)譜碼 T值 5 低音 64260 1 6 中音 9 64968 6 低音 64400 2 7 中音 A 65030 7 低音 64524 3 1 高音 B 65058 1 中音 64580 4 2 高音 C 65110 2 中音 64684 5 3 高音 D 65157 3 中音 64777 6 4 高音 E 65178 4 中音 64820 7 5 高音 F 65217 5 中音 64898 8 高音 0 4.5 燈光控制模塊 如圖3-4所示，單片機(jī)I/O接口P0.0到P0.7分別經(jīng)電阻與二極管負(fù)極連接額，組成彩燈控制電路。由硬件電路圖可以看出二極管正極與電源相連，根據(jù)二極管的性質(zhì)可知，如果單片機(jī)輸出端P0.1～P0.7中任意一個(gè)輸出低電平時(shí)，與之相連接的二極管就會(huì)接通發(fā)光，正極高電位，負(fù)極低電位符合二極管的導(dǎo)通條件，相反當(dāng)單片機(jī)輸出端輸出高電平時(shí)，二極管中沒有電流通過，熄滅。 這里采取的是離散傅立葉變換的快速算法（簡(jiǎn)稱FFT），提取信號(hào)頻譜是它頗為得意的一個(gè)應(yīng)用方向，而且這種方法在頻譜分析方面經(jīng)常用到，效果很是明顯。所以，這里希望通過FFT算法控制頻譜彩燈。 放大的音頻信號(hào)經(jīng)過ADC采樣之后，模擬量信號(hào)就變成了數(shù)字信號(hào)。當(dāng)然，這一過程也必須滿足一些特定的要求，那便是采樣定理，它要求采樣頻率必須要大于信號(hào)頻率的兩倍。模擬量信號(hào)經(jīng)過采樣得到的數(shù)字信號(hào)，按頻率抽取算法，做FFT變換（快速傅里葉變換）。假設(shè)N個(gè)采樣點(diǎn)，通過FFT之后，就可以獲取這N個(gè)點(diǎn)的FFT后果。如果采樣的頻率是Fs，有N個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過快速傅里葉變換以后，任意一點(diǎn)n（n值從1起）體現(xiàn)的頻率公式表達(dá)是：Fn=(n-1)*Fs/N；這一點(diǎn)的模值比N/2就得到了關(guān)于對(duì)應(yīng)頻率下的信號(hào)的幅度（如果直流信號(hào)就比N）。這里涉及到的具體過程都是由單片機(jī)內(nèi)編制的程序控制完成，在輸出端口輸出對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)，控制LED燈的亮滅。 4.6 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真 系統(tǒng)仿真（system simulation），顧名思義，就是希望按照系統(tǒng)剖析的目標(biāo)，在剖析系統(tǒng)各個(gè)部分特點(diǎn)及其彼此關(guān)系的基本層面上，建設(shè)一個(gè)能夠形容系統(tǒng)構(gòu)造或動(dòng)作過程的、且擁備合理的邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿照實(shí)體的模型，用它來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和定量分析，目的是為了擁有各種信息為做出恰當(dāng)正確的決策所服務(wù)。 系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的作用是巨大的：仿真就是實(shí)驗(yàn)，可以系統(tǒng)地收集和積累各種利于完善該系統(tǒng)的信息；仿真模型可以簡(jiǎn)單明了的預(yù)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)以后會(huì)遇到的各種問題；分解問題，使復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，便于分析；刺激思維，促進(jìn)人腦設(shè)計(jì)構(gòu)造更加合理優(yōu)化的相似方案。 近年來隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展，單片機(jī)仿真技術(shù)也隨之取得了巨大提高。就現(xiàn)在看來，能夠用于單片機(jī)仿真的工具實(shí)在不勝列舉，雖然作用類似，但是它們的工作重心都不相同。一些主要測(cè)試軟件，比較注重驗(yàn)證算法；另外一些用于硬件仿真的工具表現(xiàn)出的能力似乎有限，甚至于對(duì)有些較為復(fù)雜的硬件仿真已經(jīng)束手無(wú)策。Proteus軟件在單片機(jī)CPU及其外部器件仿真方面表現(xiàn)出優(yōu)良能力，廣受好評(píng)。 Proteus仿真軟件的優(yōu)越特點(diǎn)主要有以下幾條： （1）面對(duì)單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)它表現(xiàn)的盡善盡美，無(wú)一不足； （2）仿真能力及范圍寬泛，模電、數(shù)電、單片機(jī)及外圍電路都可以用其仿真； （3）目前支持的單片機(jī)類型范圍比較寬泛，主要有68000系列、51系列、AAVR系列等，在應(yīng)用方面都相當(dāng)普遍； （4）支持有效的存儲(chǔ)擴(kuò)展及外圍設(shè)備的引入，能夠更加準(zhǔn)確的模仿系統(tǒng)的具體工作。 本次設(shè)計(jì)方案使用Proteus來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，具體步驟描述如下： 第一步：安裝Proteus軟件，打開其繪制電路圖的界面。 第二步：按照之前所敘述的選用電路元件添加系統(tǒng)仿真所需的電器元件，依據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖連接電路元件和芯片端口完成該電路圖。本設(shè)計(jì)所需元件有：AT89C51、LED燈、電動(dòng)機(jī)、LM386、揚(yáng)聲器、ADC0832等。 第三步：制作仿真文件，設(shè)置單片機(jī)屬性，將程序音頻信號(hào)等加入。 第四步：?jiǎn)螕衾L圖界面的開始圖標(biāo)，仿真執(zhí)行，音樂噴泉開始運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行源代碼的調(diào)試。 總結(jié)與致謝 經(jīng)過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了好多很扎實(shí)，很實(shí)用的東西。 對(duì)音樂噴泉有了一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)。我們都知道水是生命之源，與我們的生活息息相關(guān)，世間萬(wàn)般物，水是最吸引人們注意力的。音樂噴泉，把水和音樂結(jié)合在了一起，讓我們不僅感受到了音樂的魅力，陶冶性情，更讓我們感受到了水的靈動(dòng)，令人無(wú)限向往。音樂噴泉的發(fā)展也經(jīng)歷了一個(gè)繁瑣又崎嶇的過程，但是最終還是受到了極大地好評(píng)，而且音樂噴泉已經(jīng)漸漸扮演起了很重要的角色，融入了我們的生活，成為了我們生活中不可或缺的一部分。在2016年的20國(guó)集團(tuán)峰會(huì)的文藝現(xiàn)場(chǎng)，大型的音樂噴泉作為晚會(huì)的開場(chǎng)，可以明白其中的意義。所以，我認(rèn)為在將來，音樂噴泉依然會(huì)有其用武之地，其發(fā)展會(huì)越來越好。 本次設(shè)計(jì)我所做的是小型音樂噴泉的控制系統(tǒng)。在我的理解中，小型音樂噴泉造型優(yōu)美，并且具有控制簡(jiǎn)單可靠，成本較低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。 對(duì)自我能力有了一個(gè)質(zhì)的提升。加深了我對(duì)單片機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和機(jī)電一體化系統(tǒng)等知識(shí)的理解，方便以后再相關(guān)方面的應(yīng)用。復(fù)習(xí)C語(yǔ)言課程，自學(xué)protei99 SE軟件并使用該軟件繪制電路原理圖。通過解決設(shè)計(jì)過程中遇到的各式各樣的問題，獲得更多的知識(shí)以提升自己的專業(yè)能力。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目我能夠順利完成，這與 老師的幫助是分不開的，是她不辭辛苦悉心教導(dǎo)，若不是老師提出的許多有建設(shè)性的意見和指導(dǎo)，我相信我不會(huì)把這次的設(shè)計(jì)完成的這么漂亮。從設(shè)計(jì)方案的選擇，硬件電路的設(shè)計(jì)，軟件的設(shè)計(jì)，程序的編寫直到最后仿真系統(tǒng)的制作完成，每一階段的工作都受益于許老師的督促與指導(dǎo)。 另外，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成與我同學(xué)的熱心幫助也是分不開的，我們相互激勵(lì)，互幫互助，互相找問題，查閱資料，討論問題，解決問題，這一過程讓我們彼此的專業(yè)能力都有所提高，也令我們對(duì)自己，對(duì)彼此有了一個(gè)新的充分認(rèn)識(shí)，我們收獲的不僅是知識(shí)還有友誼。 參考文獻(xiàn) [1]李啟丙. 高精度多功能時(shí)間校驗(yàn)儀的研究與設(shè)計(jì)[D]. 電子科技大學(xué), 2009. 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