基于單片機(jī)的室內(nèi)移動(dòng)式音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的室內(nèi)移動(dòng)式音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，公共噴泉通常只與音樂(lè)泉河的高度相配合，不能真正反映音樂(lè)的旋律和節(jié)奏?；蛘卟捎酶叱杀?、復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，建立復(fù)雜的外圍電路，實(shí)現(xiàn)功能。此外，許多人只能在現(xiàn)場(chǎng)觀看，不能進(jìn)入家庭。本文介紹基于AT89S52單片機(jī)控制的小型室內(nèi)移動(dòng)式音樂(lè)噴泉。它使用了較少的外圍器件和較為簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì),成本低、體積小、水型變換多樣,實(shí)用性強(qiáng),適合室內(nèi)觀賞。1at29s52分散裝置本系統(tǒng)采集音樂(lè)信號(hào),根據(jù)音樂(lè)信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及LED彩燈的亮滅。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由音樂(lè)輸入部分、音響放大部分、單片機(jī)控制部分和1輸出控制部分組成。AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主芯片,一方面采集音樂(lè)信號(hào),另一方面依據(jù)采集到的音樂(lè)信號(hào)的強(qiáng)弱輸出延時(shí)不等的矩形波來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間,進(jìn)而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到控制噴水高度的目的。彩燈的亮滅也由單片機(jī)依據(jù)音樂(lè)采樣值的大小來(lái)控制。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)由單片機(jī)電路、音頻電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、彩燈控制電路、電源電路等組成。2.1標(biāo)準(zhǔn)分帶與顯示單片機(jī)要采集音樂(lè)信號(hào),并據(jù)此調(diào)節(jié)I/O口的輸出來(lái)控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89S52單片機(jī)。采用Atmel公司的擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)AT89S52作為控制器。AT89S52是一個(gè)低功耗,高性能的51內(nèi)核的CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦些1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器,具有256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),32個(gè)I/O口,1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器,3個(gè)16位可編程定時(shí)器,具有ISP功能,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。使用簡(jiǎn)單且價(jià)格非常低廉。故系統(tǒng)的主控制器采用此方案。2.2音樂(lè)信號(hào)的采樣2.2.1處理電路的設(shè)計(jì)音頻電路由音響放大器和音樂(lè)預(yù)處理電路兩部分組成。音響放大電路將音樂(lè)外放,包括兩級(jí)放大和一級(jí)功放。音樂(lè)預(yù)處理電路是將音頻信號(hào)經(jīng)由放大濾波輸入到單片機(jī)供片內(nèi)AD采集。整個(gè)系統(tǒng)采用單電源5V供電,選用可以使用單電源供電的運(yùn)算放大器LM324。功放由4V～12V供電,功率由可達(dá)1.25W的LM386完成,可以推動(dòng)喇叭達(dá)到揚(yáng)聲器的作用。信號(hào)經(jīng)音頻電路初步處理后送入單片機(jī)內(nèi)部AD,由定時(shí)器控制以8k采樣率采集音樂(lè)信號(hào)。2.2.2d、vu信號(hào)轉(zhuǎn)換音樂(lè)信號(hào)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的量,實(shí)踐證明,采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)音量計(jì)量單位VU信號(hào)對(duì)噴泉進(jìn)行音樂(lè)控制,能取得較為理想的效果。將音樂(lè)信號(hào)經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為VU(volumeunit音量單位)信號(hào)(隨音樂(lè)變化),再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)處理,輸出控制信號(hào)控制噴泉。圖1中音樂(lè)分頻段處理主要是為了拾取音樂(lè)更多的信息量,提高控制效果并能實(shí)現(xiàn)對(duì)噴泉按各種噴型組合進(jìn)行控制。本控制設(shè)備可進(jìn)行的分頻段最多不超過(guò)6段。最簡(jiǎn)單的可將音樂(lè)三分頻(高、中、低頻),各頻段分別控制某幾組噴型的開(kāi)、關(guān)及組合,如中頻段一般用于控制“雪松”、“禮花”等水花型,中高頻段一般用于控制“旋轉(zhuǎn)”、“擺動(dòng)”、“直射”等。圖2是VU信號(hào)的具體線路,圖中C2起到延時(shí)作用,其值取得過(guò)小,則VU信號(hào)變化過(guò)快,取值過(guò)大VU信號(hào)又反應(yīng)過(guò)慢,經(jīng)實(shí)際調(diào)試C2取值20微法至100微法(用于全音樂(lè)信號(hào)時(shí)可取20微法左右,用于控制噴型組合時(shí),可以取100微法左右)。電路如圖2。2.2.3芯片芯片di采集輸入的電壓為交流模擬量,不能直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。因此首先采用全橋整流,濾波。使其成為直流信號(hào),再采用了ADC電路。其中AD芯片為ADC0832。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片,其最高分辨可達(dá)256級(jí),可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用,使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS,據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn),以減少數(shù)據(jù)誤差,轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入,使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò)DI數(shù)據(jù)輸入端,可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。串行通信節(jié)約單片機(jī)I/O資源。AT89S52與ADC0832采用SPI串行接口方式,將ADC0832的CS和CLK分別接單片機(jī)的P0.0和P0.1引腳,將D1和D0分別接P0.2和P0.3引腳。對(duì)CH0通道的模擬信號(hào)實(shí)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給數(shù)組mo＿shu。其與單片機(jī)的接線如圖3所示。2.3對(duì)器件的電路組成文中所控制的步進(jìn)電機(jī)是四相單極式35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器由AT89C52單片機(jī)、光電耦和器、集成芯片L297和L298組成。L297是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器(包括環(huán)形分配器),L298是高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器雙H橋式驅(qū)動(dòng)器。其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的,例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。具有兩抑制輸人來(lái)使器件不受輸入信號(hào)影響。每橋的三級(jí)管的射極是連接在一起的,相應(yīng)外接線端可用來(lái)連接外設(shè)傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個(gè)引出腳的高功率直插式封裝的集成芯片。AT89S52通過(guò)串口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換之后與微機(jī)相連,接受上位機(jī)指令,向L297發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)及使能控制等信號(hào)。由于L297內(nèi)部帶有斬波恒流電路,繞組相電流峰值由Uref確定。當(dāng)采用兩片L297通過(guò)L298分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩繞組,且通過(guò)兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的Uref時(shí),即組成了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。另外,為了有效地抑制電磁干擾,提高系統(tǒng)的可靠性,在單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中利用兩個(gè)16引腳光電耦合器件TLP521—4組成隔離電路。其作用是切斷單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路之間電的直接聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)回路系統(tǒng)地線的分別聯(lián)接,防止處于大電流感性負(fù)載下工作的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)以及電網(wǎng)負(fù)載突變產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)線路串入單片機(jī),影響單片機(jī)的正常工作。2.4綠黃三種顏色的設(shè)計(jì)彩燈是為了渲染色彩增強(qiáng)節(jié)奏感而設(shè)計(jì)的。使用高亮LED圍繞在噴頭的周圍,有紅綠黃三種顏色,設(shè)計(jì)成上下環(huán)繞的三層構(gòu)成樹(shù)形結(jié)構(gòu),每層六個(gè)燈,顏色搭配得當(dāng)。每圈的燈并聯(lián)占用一個(gè)I/O口,用三極管8050放大提供足夠的電流驅(qū)動(dòng),依據(jù)音樂(lè)采樣值大小決定點(diǎn)亮的燈的圈數(shù)。噴頭布置如圖4所示,LED控制電路如圖5所示。3水泵驅(qū)動(dòng)電路在硬件上本系統(tǒng)使用了AD、比較器、定時(shí)器、中斷等資源,故軟件編程就包含這幾個(gè)方面的設(shè)置和使用。定時(shí)器T0控制AD的采樣速率。定時(shí)器T1在比較器的下降沿中斷中被啟動(dòng),延時(shí)一段時(shí)間,找到100Hz脈動(dòng)直流每個(gè)周期的起點(diǎn)。定時(shí)器T2在定時(shí)器T1的中斷中被啟動(dòng),依據(jù)不同的AD采樣值延時(shí)不等的時(shí)間,在T2的中斷程序中輸出矩形波啟動(dòng)水泵驅(qū)動(dòng)電路。圖6給出了音樂(lè)噴泉的主程序框圖。4噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的音樂(lè)噴泉LED彩燈經(jīng)過(guò)熱縮管的絕緣處理后用導(dǎo)線纏繞在塑料軟管上,然后再固定在盆內(nèi)。圍繞塑料軟管開(kāi)幾個(gè)小孔,再安裝塑料插頭作為噴水裝置?？梢杂秒娔X或者M(jìn)P3作為音源,噴泉高低和彩燈隨著音樂(lè)的啟停節(jié)奏發(fā)生變化。系統(tǒng)的主要控制電路被安裝在盒子里放置于旁邊,注意絕緣,安全用電。設(shè)計(jì)