基于單片機的音樂噴泉設(shè)計

王晨晨 楊錦燁 彭璐 張煜啟 逯玉蘭

摘? 要： 隨著生活水平的提高，人們對精神文化的追求已不僅僅局限于旅游、游覽風(fēng)景等耗費大量時間的活動。本文以AT89C52單片機為核心，設(shè)計了一種小型音樂噴泉系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有面積小、觀賞性強、造型美觀、成本低、實用性強、對任何場所和場合都有良好的兼容性等特點，由彩燈控制電路、噴泉執(zhí)行器、功率放大器和音頻模塊組成，該微型音樂噴泉具有很高的實用性和商業(yè)價值。

關(guān)鍵詞： AT89C52單片機;音樂噴泉;中斷響應(yīng);8255電路

中圖分類號： TP368.1? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.021

本文著錄格式：王晨晨，楊錦燁，彭璐，等. 基于單片機的音樂噴泉設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（09）：7677+95

【Abstract】： With the improvement of living standard， people's pursuit of spiritual culture is not limited to travel， sightseeing scenery and other time-consuming activities. Based on the at89c52 single chip microcomputer， a small music fountain system is designed in this paper. The system has the characteristics of small area， strong appreciation， beautiful shape， low cost， strong practicability and good compatibility for any place and occasion. It is composed of color lamp control circuit， fountain actuator， power amplifier and audio module. The micro music fountain has high practicability and commercial value.

【Key words】： AT89C52 MCU; Music fountain; Interrupt response; 8255 electric circuit

0? 引言

近年來，隨著公共基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，作為娛樂休閑產(chǎn)業(yè)的主流項目，很多大型戶外音樂噴泉受到人們的喜愛[1-2]。音樂噴泉的水型隨著音樂的旋律和節(jié)奏有規(guī)律地變化，為大家獻上一場美麗的視聽盛? ? 宴[3-4]。由于地域和面積的限制，它只能在平面上呈現(xiàn)噴泉的外觀，不可能隨時隨地觀看音樂噴泉，也不能帶來臨場的感覺。為此，本文設(shè)計了一種基于AT89C52單片機的室內(nèi)音樂噴泉。它以觀眾的視聽體驗為出發(fā)點，將一個大型的戶外展覽作品濃縮成小規(guī)模的工藝展品，以小規(guī)模的展品代替龐大的展品，實現(xiàn)大型文藝景觀的恢弘之美。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分組成。在程序控制噴泉動作的基礎(chǔ)上，補充音樂系統(tǒng)，實現(xiàn)噴泉與音樂的結(jié)合。硬件主要由AT89C52單片機控制，由彩燈控制電路、噴泉執(zhí)行器、功率放大器和音頻模塊組成。噴泉執(zhí)行器包括水泵的設(shè)計、水泵壓力的調(diào)節(jié)和噴射角的控制。根據(jù)水泵的功率和噴射角度，選擇合適的動力裝置。功率放大器的設(shè)計包括音樂節(jié)奏和音量聯(lián)動，噴泉的節(jié)奏，并將一個小型音樂播放器和水泵串聯(lián)起來組成功率放大器音頻模塊。功率放大器的音樂經(jīng)過限幅放大、分頻、AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入單片機，成為節(jié)拍控制的信號源。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有音頻信號時，輸入接口獲得旋律并通過模擬量卡實時輸出到變頻器，變頻器作用于步進電機，使噴泉水柱產(chǎn)生隨音樂波動的效果。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括單片機電路、音頻電路、步進電機控制電路和彩燈控制電路這四個組成部分。

（1）單片機電路。電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。本系統(tǒng)選用AT89C52作為主控芯片，它是一款8位CMOS微控制器，靈活的8位運算性能使得它可以廣泛應(yīng)用于許多控制系統(tǒng)中[5-6]。AT89C52單片機具有節(jié)電模式和斷電模式，在很大程度上保證了單片機的穩(wěn)定運行。該模塊使用簡單，價格低廉[7]。單片機電路模塊主要用于采集音樂信號，并根據(jù)調(diào)節(jié)I/O口的輸出控制水泵和彩燈。

（2）音頻電路。電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。由音頻放大器和音頻預(yù)處理電路組成。音頻放大器用來放大音樂信號，音頻預(yù)處理電路是對放大后的音樂信號進行濾波，然后將處理后的音樂信號傳送到單片機的AD轉(zhuǎn)換后進行采集。

（3）步進電機控制電路。電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。系統(tǒng)采用四相步進電機。本系統(tǒng)中的L297步進電機采用四相八拍的驅(qū)動方式，可以降低信號對裝置的影響，并與L298結(jié)合形成一個完整的控制電路，可以驅(qū)動步進電機產(chǎn)生更強大的力量，產(chǎn)生層次分明的噴泉水柱，增強觀賞效果[8]。

（4）彩燈控制電路。電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。Led水下彩燈具有色彩鮮艷、水下密封性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種噴泉中[9]。在該系統(tǒng)中，采用了Led水下燈，主要包裹在噴嘴周圍。噴泉的外圍是由頂部和底部環(huán)繞的樹形結(jié)構(gòu)。六盞燈是放置在噴嘴周圍的每一圈燈上。三極管為燈提供電流驅(qū)動。燈光的數(shù)量取決于收集到的音樂信號的強度。

3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件部分由主程序模塊和中斷控制模塊組成。軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。將電源接通以后，首先對整個電路系統(tǒng)狀態(tài)進行初始化，由主程序模塊完成。主程序包括從USB接口接收MP3格式的音頻信號動作的啟停，水泵的啟停和彩燈的啟停。系統(tǒng)接收音頻信號后，對其進行A/D轉(zhuǎn)換，使用11025 Hz的聲音采樣頻率。由基本樂理可以知道，高音，中音，低音的1，2，3，4，5，6，7和休止符0等音階可以基本完整地演奏出整個樂曲，通過給每一個音階的出現(xiàn)對應(yīng)設(shè)置一種水花姿態(tài)和電機轉(zhuǎn)速，然后控制步進電機和彩燈[10]。如果音樂尚未結(jié)束，終端將繼續(xù)接收音頻信號，循環(huán)這一過程。中斷控制模塊采用獨立的鍵盤和單片機的小型遙控器來實現(xiàn)音樂切換和音量調(diào)節(jié)以及程序出現(xiàn)跑飛情況時的復(fù)位功能。由于系統(tǒng)的實際過程是通過步進電機控制系統(tǒng)單片機的實時控制狀態(tài)來實現(xiàn)音樂和燈光的同步變化，步進電機控制系統(tǒng)由8255控制模型編寫，調(diào)節(jié)電機的旋轉(zhuǎn)頻率，進而影響各端口的噴水高度。系統(tǒng)軟件采用定時/計數(shù)器定時中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列，對其進行編程，無需使用延時子程序，即可實現(xiàn)對時間的準(zhǔn)確控制。

4? 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于AT89C52單片機，輔以L298芯片的音樂噴泉控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)USB接口輸入的音樂來控制噴泉水柱的高度和彩燈的變化頻率，通過了proteus仿真實驗和實物搭建，具有音樂控制噴泉波動效果的特點，能夠滿足用戶的審美需求，具有一定的商業(yè)價值。

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