基于AT89C51型单片机的小型音乐喷泉的设计

倪军远

(烟台机电工业学校，山东 烟台 265205)



基于AT89C51型单片机的小型音乐喷泉的设计

倪军远

(烟台机电工业学校，山东 烟台 265205)

摘要：小型音乐喷泉因小巧而炫丽多彩被广泛应用到室内很多场所。AT89C51型单片机成本低，工作可靠，具有丰富的接口资源和指令功能，越来越多被应用到微型控制电路，本文根据大型音乐喷泉的工作原理和控制方法，确定了适合AT89C51型单片机控制的设计方案，来实现小型音乐喷泉的声、光、水完美控制。

关键词：小型喷泉；AT89C51；单片机控制

我们日常生活中的音乐喷泉是根据音乐节奏来实现喷泉的喷水频率和水柱的高度变化，使水柱高度的变化及频率的变化与乐曲的节奏同步。水泵调节喷泉管路中的水流，而水泵是由三相异步电动机驱动的，所以，只要对三相异步电动机的转速进行控制，就可以控制管路中的流量。当给三相异步电动机通入工频电源时，则转速是不变化的；当电机的转速采用变频器控制时，可以使管路中的流量发生柔性变化，这样喷泉运行时变化就更灵活。

1小型音乐喷泉控制机构硬件方案

1.1控制机构硬件总方案

小型音乐喷泉控制机构由音乐输入系统、数模转换系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成，如图1所示。

图1　系统总体结构框图

1.2音乐信号识别

本文采用的是外部音源的小型喷泉系统，完成对模拟音乐信号的采集，才能对音乐信号进行特征识别。对于音乐信号的采集分为二个方面，一是音频放大，二是A/D转换。

1.2.1音频放大的实现

我们采用的外部音源信号一般不能直接采用，因为其幅度一般较弱，这需要我们要对外部原信号进行放大处理，然后送入A/D转换器进行采用。通常使用LM386芯片实现音频放大，其具有功耗低，工作电压范围宽，所需外围元件少等特点，在电子设备的音频放大电路中应用广泛。如图2所示，LM386采用双列8脚封装结构，它的工作电压范围为4～12 V，静态电流4 mA，最大输出功率660 mW，最大电压增益46 dB，增益带宽300 kHz，谐波失真0.2%[1]。

图2　功放模块和音频输入模块

1.2.2采样定理

对于音乐信号的采样，在对其信号进行放大处理后，通过A/D转换将模拟信号采集进控制器进行识别。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。对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。

1.3单片机电路

AT89C51是一种带4 k字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器， AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机通过采集音乐信号来调节I/O口的输出来控制水泵和彩灯。

1.4A/D转换电路

由于单片机不能直接处理交流模拟量，所以先采用全桥整流、滤波，使电压的交流模拟量转为直流信号，然后采用ADC电路。AD芯片为ADC0832，能适应一般的模拟量转换。如图3所示。

图3　ADC0832

1.4.1音频输入电路

输入电路是指对检测到的乐曲信号以电平、脉冲或数字等形式传至单片机的电路。乐曲信号经混合后进入限幅放大，使弱的乐曲信号强度变大，整流滤波电路将信号转为单向信号，电压比较器将大于基准电压的单向信号变换成低电平有效的乐曲信号输出，可以通过调整基准电压，使电路不受干扰的影响而灵敏度增大，通过乐曲来控制整个喷池的动作。

1.5潜水泵调速硬件方案设计

采用单相电动机调速系统控制喷泉水泵的转速，电路如图4所示，利用脉宽PWM法[2]，控制一个脉宽的变量，根据声音不同，高电平的脉宽不一样，控制着延时，由单片机的I/O口输出矩形波，控制水泵电机的转速，调整喷泉的输出高度。由单片机P20脚，根据乐曲采样波型，控制硅的通断，来达到最终调速目的。

图4　电机电路图

1.6灯光硬件方案设计

彩灯是为了渲染色彩增强节奏感而设计的。彩灯设计

采用音频信号经过单片机控制，对输入的音乐信号进行转换输出，来控制发光二极管的亮和灭[3]。乐曲节奏越强，发光二极管同时亮的越多，同样反之亮的越少。

彩灯硬件设计如图5所示。

图5　彩灯的连接

2喷泉控制系统软件设计

2.1主程序流程图

图6　主程序流程图

3结论

本设计方案实现了喷泉的水柱随着音乐的高低起伏变化，就是说音乐高则水柱高，音乐低则水柱低，随着音乐的不同，喷水的高低会不同，同时彩灯随着音乐一起闪烁。由于时间、水平和经验有限，在音乐处理等方面仍有不足之处，只能实现简单的功能，有些地方并不完善，有待改善。

参考文献

[1]李华，胡汉才.喷泉设计设备手册[M].北京：高等教育出版社，2006：56-70.

[2]李汉.基于单片机的单相电动机调速方法及其实现[J].广州航海高等专科学校学报,2004,12(1)：38-40.

[3]吴仁华，祁大勇.大型广场音乐喷泉控制系统的设计[J].测控技术,2003(9):34-35.

Design of Miniature Music Fountain Based on AT89C51 Type SCM

Ni Junyuan

(YantaiMechanicalandElectronicsSchool,YantaiShandong265205,China)

Abstract:Miniature music fountain is widely applied in many indoor places for its small and dazzle beautiful and colorful. The AT89C51 type single chip microcomputer is applied to the micro control circuit widely, which has the characters of low cost, reliable work, rich interface resources and the instruction function. Based on the working principle and the control method of large music fountain, the article determines the suitable design scheme for the type of AT89C51 single-chip microcomputer to achieve a perfect control on the sound, light and water of small music fountain.

Key words:miniature music fountain; AT89C51; SCM control

收稿日期：2016-01-27

作者简介：倪军远(1979- )，男，山东莒县人，大学本科，从事电气自动化教学研究。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0010- 02

中图分类号：TP273.5

文献标识码：A