一种新型智能音乐喷泉设计

姜方琴，梁龙果

（兴义民族师范学院，贵州 兴义 562400）

喷泉作为一项艺术建筑，在国内外一直都有很长的历史，音乐喷泉最初是为了满足贵族的娱乐需求。现在，音乐喷泉逐渐走入人们的日常生活，为了让音乐喷泉更好地融入人们的生活，设计一款音乐喷泉控制系统以满足人们的需要。首先音乐喷泉控制系统是一种集娱乐及观赏为一体的娱乐休闲设备，该设备在进行推广的过程当中能够得到大量的普及，紧接着带来了市场上的需求，因此国家关于音乐喷泉的研究工作也在加大力度。传统音乐喷泉控制系统功能单一，无法紧跟时代的发展，已经无法满足人们的使用需求。随着科学技术的不断进步与发展，各种各样新式的音乐喷泉出现在了人们的眼前，音乐喷泉中加入了烟雾灯光，可以产生绚丽多彩的灯光效果，甚至还加入了舞台表演等设备，极大地拓展了音乐喷泉控制系统的表现内容。本文设计的新式智能音乐喷泉控制系统加入了流水灯，并通过PWM 形式智能控制喷水柱的高度，而且可以通过手机播放器、移动端设备来控制音乐，随着音乐频率的振幅变化，水柱也会随之变化。总之，本文设计的智能音乐喷泉控制系统是能够实现根据音乐幅度大小控制喷泉的高低及LED 灯亮灭数量的智能控制设备。

1 系统设计方案

该音乐喷泉控制系统是利用STC89C52 单片机设计的一个音乐喷泉控制系统，本系统以外部音频信号作为输入参数，如用手机音乐播放器进行播放或在电脑端播放音乐，也可以由蓝牙音频接收单元输出的音频信号作为输入参数，极大程度上方便了人们选择自己喜欢的音乐，增加了人们的一个参与感，让人们可以更好地来体会时代的进步。这个音乐喷泉的设计根据有无音频信号随时启动或者暂停喷泉的水柱表演和LED 的亮灭。系统对该接收到的音频信号进行放大处理，利用外部模数转换芯片将模拟数字转化为数字信号，STC89C52 单片机采集到转化后的数字信号，并对该数字信号系统地进行处理。STC89C52 单片机控制外部LED 灯带的点亮，同时控制水泵电机按照接收到的不同的音乐幅度来实现喷射水柱的高低变化。

本系统由单片机最小系统、音频输入单元、音频信号放大器、模数转换模块、电机驱动器和喷水电机模块及LED 灯带等组成，通过KEIL4 软件平台编程，在PROTEUS 软件上进行仿真，通过多次的仿真及测试实验，最终实现设计功能。系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统电路

单片机又称单片微控制器，属于一种集成式电路芯片，其是把一个计算机系统集成到一个微小的电路上，即将电路包括半导体设备或者被动组件等以小型化的方式，整合在半导体晶圆的表面上，具有体积小、重量轻和价格相对实惠等优点，其中的单片机由中央处理器CPU、存储器、接口电路、计数器、中断控制器、转换器、调制解调器及其他部件组成。单片机最小系统电路主要包括时钟电路和复位电路，其主要的作用是能够保证单片机的稳定工作。时钟电路能够为单片机的运行提供时钟频率信号。单片机复位电路的功能是在单片机控制系统出现死机或者在单片机系统程序运行紊乱时能够实现单片机的重新启动运行，在整体上保证单片机能进行正常的工作。单片机最小系统电路设计原理图如图2 所示。

图2 单片机最小系统电路图

2.2 音频功放电路

LM386 是美国半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。LM386 与通用型集成运放相类似，其是1 个3 级放大电路，第一级为差分放大电路，第二级为共射放大电路。LM386 为音频功率放大器，其5 脚为音频输入，6 脚接地，7 脚控制输入波形不失真，其电路设计原理图如图3 所示。

2.3 ADC0832 模数转换模块

ADC0832 是美国半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D 转换芯片。由于其体积小，兼容性高及性价比高而深受用户欢迎。该芯片能实时采集2 路模拟电压，该芯片在进行处理模拟电压的时候，具有8位的精准度，采集模拟电压数值后，采用逐次比较法，转换为8 位数字量输出。其能够在不同的场合中进行使用。电路设计原理图如图4 所示。

2.4 电机驱动电路

电机调速可分成3 大部分，即控制、驱动和反馈。本系统采用PWM 控制方式来调节喷泉水泵的转速，进而达到控制喷水高度的目的。由图3 可知，由单片机的P1.4 引脚依据音乐采样结果输出PWM 波，通过控制三极管的导通时间，来控制水泵电机的转速，调整喷泉的输出高度，具体应用电路如图5 所示。

图3 LM386 电路设计原理图

图4 ADC0832 电路设计原理图

图5 电机驱动电路设计

2.5 LCD1602 显示模块

LCD1602 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动及易于实现全彩色显示的特点。上拉电阻驱动LCD1602，对音频电压信号进行数字化转化后，通过单片机控制，显示到液晶显示器上。同时需要单片机对采集到的电压进行实时判断，进一步控制水泵和LED 灯。

2.6 灯光控制模块

LED 是一种发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，发光二极管可高效地将电能转化为光能。本设计采用LED 灯，通过LED 灯的亮暗可以直接把电转化为光，单片机对采集到的电压信息进行等级分类判断后，通过LED 灯根据电压等级通过P3 端口，控制外部的LED 灯进行工作，不同电压等级对应不同的亮灭个数。

2.7 PWM 原理

脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的，可以通过调整PWM 的周期，使PWM 的占空比达到控制充电电流的目的。彩灯控制系统和水泵电机控制系统均由PWM调压程序进行主控。电机工作的时候，电源并不是连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以脉冲的形式提供电能，不同占空比的信号能对电机起到调速作用。不同的占空比能改变加在电机2 端的电压大小，从而改变转速。

3 软件测试

在本次音乐系统的设计过程中，需要对数据采集及输出部分进行初始化处理，初始化完毕之后，单片机要对模拟音频信号进行处理，将其数字化的音频量显示到液晶显示器上；同时需要对采集到的电压进行实时判断，不同电压等级点亮不同的LED 灯个数，每一个等级上都设置电机的转速，通过控制输出PWM信号来控制电机的转速，进而控制喷泉的高度。系统的硬件和软件部分设计完成后，需要对各个模块进行调试，从而观察效果并发现问题，然后对设计进行改进。本次系统调试主要对单片机程序及硬件电路进行调试，在仿真检测中，使用PROTEUS 软件进行画图，通过KEIL4 软件平台编程，编译成功后就在仿真软件上进行仿真。仿真电路图如图6 所示。

图6 仿真电路图

4 实物测试

通过仿真设计验证，最终得到了符合理想的状态。当焊接单片机、LM386、液晶显示模块、LED 灯和电机等元器件出现焊点不牢时，会导致验证时LED 灯不亮、水泵喷射出现不高的情况。通过手机播放器给该系统输入音频电源，充电宝提供电源，在手机播放音乐的时候，音频信号越大，输出的电压信号也会越大。单片机接收到音频信号的输入时，该信号通过模数转换后，水泵会随着音乐的节奏喷射水柱，实现了随着音乐频率不断发生变化而进行喷水，再次播放不同的音乐，水泵也会不断地喷涌出不同的水柱，同时也会控制LED 灯的点亮个数。与此同时，喇叭将接收到的音频信号进一步扩大后，实现在每一个场合都能够将音乐播放出去，从而实现音乐喷泉的设计思路。实物测试图如图7 所示。

图7 实物测试图

5 结束语

该系统可以根据音乐的声调、节奏变化而影响水泵出水的高低及灯光的亮暗。用户可以选择喜欢的音乐进行播放，选择音乐的途径也比较方便，可帮助人们实现随时更换音乐就能解决水柱变化情况，从而达到音乐、水花与灯光气氛同步进行的效果。总之，通过软硬件设计和仿真，采用单片机作为主控制器，把输入的音频信号转换为数字信号传输给单片机，单片机根据音频信号控制和调节外部水泵电机的转速，实现喷射水柱高度的智能调节，同时调整LED 灯点亮个数，实现喷泉的智能化控制。