基于单片机的音乐喷泉设计
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作者:王晨晨 杨锦烨 彭璐 张煜启 逯玉兰
摘 要： 随着生活水平的提高，人们对精神文化的追求已不仅仅局限于旅游、游览风景等耗费大量时间的活动。本文以AT89C52单片机为核心，设计了一种小型音乐喷泉系统，该系统具有面积小、观赏性强、造型美观、成本低、实用性强、对任何场所和场合都有良好的兼容性等特点，由彩灯控制电路、喷泉执行器、功率放大器和音频模块组成，该微型音乐喷泉具有很高的实用性和商业价值。
关键词： AT89C52单片机;音乐喷泉;中断响应;8255电路
中图分类号： TP368.1 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.021
本文著录格式：王晨晨，杨锦烨，彭璐，等. 基于单片机的音乐喷泉设计[J]. 软件，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，随着公共基础设施的不断完善，作为娱乐休闲产业的主流项目，很多大型户外音乐喷泉受到人们的喜爱[1-2]。音乐喷泉的水型随着音乐的旋律和节奏有规律地变化，为大家献上一场美丽的视听盛 宴[3-4]。由于地域和面积的限制，它只能在平面上呈现喷泉的外观，不可能随时随地观看音乐喷泉，也不能带来临场的感觉。为此，本文设计了一种基于AT89C52单片机的室内音乐喷泉。它以观众的视听体验为出发点，将一个大型的户外展览作品浓缩成小规模的工艺展品，以小规模的展品代替庞大的展品，实现大型文艺景观的恢弘之美。
1 系统总体设计
系统的总体由硬件设计和软件设计两个部分组成。在程序控制喷泉动作的基础上，补充音乐系统，实现喷泉与音乐的结合。硬件主要由AT89C52单片机控制，由彩灯控制电路、喷泉执行器、功率放大器和音频模块组成。喷泉执行器包括水泵的设计、水泵压力的调节和喷射角的控制。根据水泵的功率和喷射角度，选择合适的动力装置。功率放大器的设计包括音乐节奏和音量联动，喷泉的节奏，并将一个小型音乐播放器和水泵串联起来组成功率放大器音频模块。功率放大器的音乐经过限幅放大、分频、AD转换后转换成数字信号，送入单片机，成为节拍控制的信号源。当系统检测到有音频信号时，输入接口获得旋律并通过模拟量卡实时输出到变频器，变频器作用于步进电机，使喷泉水柱产生随音乐波动的效果。系统总体框图如图1所示。
2 系统硬件设计
系统硬件设计主要包括单片机电路、音频电路、步进电机控制电路和彩灯控制电路这四个组成部分。
（1）单片机电路。电路结构图如图2所示。本系统选用AT89C52作为主控芯片，它是一款8位CMOS微控制器，灵活的8位运算性能使得它可以广泛应用于许多控制系统中[5-6]。AT89C52单片机具有节电模式和断电模式，在很大程度上保证了单片机的稳定运行。该模块使用简单，价格低廉[7]。单片机电路模块主要用于采集音乐信号，并根据调节I/O口的输出控制水泵和彩灯。
（2）音频电路。电路结构图如图3所示。由音频放大器和音频预处理电路组成。音频放大器用来放大音乐信号，音频预处理电路是对放大后的音乐信号进行滤波，然后将处理后的音乐信号传送到单片机的AD转换后进行采集。
（3）步进电机控制电路。电路结构图如图4所示。系统采用四相步进电机。本系统中的L297步进电机采用四相八拍的驱动方式，可以降低信号对装置的影响，并与L298结合形成一个完整的控制电路，可以驱动步进电机产生更强大的力量，产生层次分明的喷泉水柱，增强观赏效果[8]。
（4）彩灯控制电路。电路结构图如图5所示。Led水下彩灯具有色彩鲜艳、水下密封性好等优点，被广泛应用于各种喷泉中[9]。在该系统中，采用了Led水下灯，主要包裹在喷嘴周围。喷泉的外围是由顶部和底部环绕的树形结构。六盏灯是放置在喷嘴周围的每一圈灯上。三极管为灯提供电流驱动。灯光的数量取决于收集到的音乐信号的强度。
3 软件系统设计
软件部分由主程序模块和中断控制模块组成。软件设计流程图如图6所示。将电源接通以后，首先对整个电路系统状态进行初始化，由主程序模块完成。主程序包括从USB接口接收MP3格式的音频信号动作的启停，水泵的启停和彩灯的启停。系统接收音频信号后，对其进行A/D转换，使用11025 Hz的声音采样频率。由基本乐理可以知道，高音，中音，低音的1，2，3，4，5，6，7和休止符0等音阶可以基本完整地演奏出整个乐曲，通过给每一个音阶的出现对应设置一种水花姿态和电机转速，然后控制步进电机和彩灯[10]。如果音乐尚未结束，终端将继续接收音频信号，循环这一过程。中断控制模块采用独立的键盘和单片机的小型遥控器来实现音乐切换和音量调节以及程序出现跑飞情况时的复位功能。由于系统的实际过程是通过步进电机控制系统单片机的实时控制状态来实现音乐和灯光的同步变化，步进电机控制系统由8255控制模型编写，调节电机的旋转频率，进而影响各端口的喷水高度。系统软件采用定时/计数器定时中断产生周期性脉冲序列，对其进行编程，无需使用延时子程序，即可实现对时间的准确控制。
4 结论
本文设计了一种基于AT89C52单片机，辅以L298芯片的音乐喷泉控制系统控制系统，该系统能根据USB接口输入的音乐来控制喷泉水柱的高度和彩灯的变化频率，通过了proteus仿真实验和实物搭建，具有音乐控制喷泉波动效果的特点，能够满足用户的审美需求，具有一定的商业价值。
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