蓝牙控制音乐水幕系统的研究与设计

塔里木大学信息工程学院 陈金锋 肖仁伟

为更大程度的推进音乐喷泉走进人们的日常生活，融入智能家居系统。设计了基于MH-M28蓝牙模块为输入信号控制系统的小型音乐水幕系统。输入信号经ADC0832模块采样与LM386功率放大后由喇叭播出。根据单片机不同的时延信息输入水泵从而控制形成水幕。整体系统由STC89C52单片机为核心控制器。经多次试验结果表明：系统运行稳定，水幕完整形成，各模块均能正常工作。

多年来音乐水幕系统凭借其炫彩的音乐、灯光和水幕的变化博得大众的喜爱。为了简化音乐水幕系统的控制同时缩小其体积来弥补家庭市场的空缺，我们进行了新的系统设计，将音频输入的控制方式也变得更加多样化。为了更加方便的控制音频输入满足产品需要，本系统采用STC89C52单片机为核心处理器，以MH-M28蓝牙模块和音频输入口来控制音频输入。

此系统通过更加精简化的控制方案配合蓝牙模块的无线音频输入和外置设备的线控音频输入来确保在缩减体积的同时又能满足产品性能的多种需求。

1 系统总体设计

经过对大量相关资料的分析与研究，本系统需要实现蓝牙输入、音乐播放、彩灯及水幕变化等多种功能。考虑到产品的实用性、成本、系统稳定性和产品体积等因素，本系统采用STC89C52单片机作为主要控制单元，同时辅以LED频谱彩灯、MH-M28蓝牙模块、ADC0832模数转换模块、LM386外放喇叭和水泵等模块来实现系统的相关功能。最终决定总方案设计如图1所示。

图1 系统总体框图

此次设计的整体系统主要从两大方面入手：一是硬件电路设计，二是软件编程设计。

硬件电路设计部分主要包括核心控制系统、水泵电路、音乐播放系统、LED信号指示灯电路和蓝牙音频输入电路等。

软件设计部分主要包括单片机核心系统主程序、声音信号采集子程序、LED灯控制子程序和输出驱动水泵子程序、流程图及Protues软件仿真来实现预期功能。所有程序设计均采用C语言编程完成。在软件仿真实现全部预期功能后，通过电路板焊接、电子元器件组装、软硬件调试来实现整体水幕系统设计的全部功能。

2 硬件设计

硬件部分采用STC89C52单片机为主控制单元，音频信号通过线控输入或者蓝牙输入后经功率放大器（LM386）后通过喇叭播放音乐，同时进入ADC0832转换为数字信号后输入单片机，单片机根据时延次数来控制水泵的工作形成水幕。此外，8只LED彩灯与单片机控制器相连，根据音频信号的振幅和频率变化来实现彩灯的亮灭。

2.1 核心控制系统设计

本设计的主控芯片STC89C52单片机的最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统原理图

最小系统主要由三部分构成：一是时钟电路，电容和晶振的组合可以让时钟电路上电后开始正常工作。二是电源电路，由单片机引脚图可以看出将引脚VCC和GND与外部电源连接即可构成供电回路。三是复位电路，由按键、电阻和电解电容组成，具有上电后自动复位的功能，此外，还可以通过按键手动复位。

2.2 水泵电路设计

水泵系统通过5V电源供电，水泵为微型水泵，作为蓝牙音乐水幕的喷水口。水泵电路通过单片机P37口进行连接，通过单片机处理音频信号得到的时延次数来决定水泵的工作时间，从而实现水幕的变化。（由于水泵属于大功率元器件，无法用单片机直接对其进行驱动。所以需要通过三极管来实现水泵的驱动。）

2.3 喇叭电路设计

本设计采用的是LM386芯片作为扬声器放大电路的控制芯片，音频输入口与LM386芯片连接，音频信号通过单片机和功率放大器处理后，由外接喇叭播放出来。音频输入口还可通过连接线将MH-M28蓝牙模块与系统进行连接，从而通过蓝牙模块实现音频的无线输入。

图3 水泵控制电路原理图

2.4 LED信号指示灯电路设计

本设计采用了8个发光二极管作为氛围渲染灯。其中1号LED灯为电源通电指示灯。其余7个为音频音调变换指示灯。当音频音调交错变换时，LED灯会依据不同的音调有不同数目的彩灯闪烁。

2.5 蓝牙模块设计

本设计采用的是MH-M28蓝牙模块与手机或电脑蓝牙进行连接。可以直接用MICRO USB安卓线5V直接进行供电使用。其连接方式简单，稳定性强。并且它能够直接通过手机、电脑控制，自由调节音乐音量的大小和音乐切换，较为方便。

3 软件设计

整个蓝牙音乐水幕系统的设计由软件设计硬件设计共同实现，通过编写C语言来控制单片机的运行从而实现预期效果。整个程序主要分为水泵控制部分、A/D转换部分以及LED灯光渲染部分。主程序接收到中断信号时，启动A/D转换，转换完毕后由单片机读取数据，根据读取到的数据控制产生PWM波。

3.1 A/D采样模块的软件设计

根据本设计要求A/D采样模块的软件设计流程图如图4所示。

图4 A/D采样模块软件流程图

由A/D采样模块的软件设计流程图可以看出，首先，系统通电后，启动A/D采样，A/D采样模块通过蓝牙无线输入或外部设备线控输入接收到音频信号，将采集到的信号进行模数转换，经储存器保存转换结果后，修改参数，直至完成8路采集，由单片机读取转换结果，驱动水泵电路工作。

3.2 音频脉冲的设计

首先，通过查阅资料得到音符频率对照表。音调一般分为低音、中音和高音。每一种音调又分为7个音符“Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si”。这些音符都有特点的频率划分，如低音Do的频率为262Hz，根据频率可以计算其周期（T=1/f），经计算T=1/262=3816μs。利用单片机内部定时器计时半个周期的时间，每当计时终止后，就将I/O反相，以此重复计时再反相。如此便可在I/O引脚上得到这个频率的脉冲。利用单片机工作在计数器模式（MODE1）下，此时可通过改变单片机计数值TH0和TL0来产生不同频率，于是就产生了不同的音调。再以低音Do为例，其频率为262Hz，周期为3816μs，可计算出半周期时间t=1908μs，所以计数器计时1908次时将I/O反相，即可得到低音Do（262Hz）。

3.3 水泵输出电路设计

水泵喷出水幕的高低主要是由水泵转速决定的。因此只要改变水泵的转速即可达到水幕的高低变化。本设计改变转速的方式是通过电流作用于电机的时间长短来控制的。

利用可控硅调相的方式控制电流导通时间。接收到音频信号后，首先由单片机内部定时器找到每个音频周期的起点。然后再根据AD采样决定不等的延时来输出矩形波导通可控硅。

AD采样结果越大，每个周期的延时也就越短。此时，可控硅导通的时间越长，水泵电机转速越快，喷泉喷出的水柱越高。反之，喷泉喷出水柱越低。由于喷泉喷出水柱的高低不仅与转速有关，还与出水口的直径、出水管的长度等诸多因素有关，不能得出具体的高度变化情况。

整体设计采用有线输入音频与无线输入音频两种音频控制方式相结合。实现了音频输入的多元化，在以往的研究设计中还属于创新设计。同时实现了将音乐水幕喷泉搬至家中的突破，让居家装修设计更加多元化。