基于8571單片機的音樂噴泉設計

PAGE1基于8751單片機的室內(nèi)音樂噴泉設計目前在公共場所噴泉一般只是將音樂和噴泉高低簡單配合，無法真正體現(xiàn)音樂的旋律、節(jié)奏；或者是采用了高成本復雜的控制系統(tǒng)，搭建復雜的外圍電路實現(xiàn)功能；并且多數(shù)只能在現(xiàn)場觀賞，不能進入家庭。本文介紹基于8751單片機控制的小型室內(nèi)移動式音樂噴泉。它使用了較少的外圍器件和較為簡單的電路設計，成本低、體積小、水型變換多樣，實用性強，適合室內(nèi)觀賞。1系統(tǒng)設計本系統(tǒng)采集音樂信號，根據(jù)音樂信號的強弱來控制LED彩燈的亮滅以及水泵電機的轉(zhuǎn)速，進而達到控制噴泉管路中的流量,就可以控制水柱的高度和花形大小了。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由音樂輸入部分、音響放大部分、單片機控制部分和～～輸出控制部分組成?？刂葡到y(tǒng)是由單片機、延遲放大電路、光電隔離電路及電磁閥和變頻器組成,其控制結(jié)構(gòu)形式如圖2(a)所示。該控制方案是通過對音樂信號的處理,將其轉(zhuǎn)換成匯編程序存入單片機,使單片機唱歌,而且在改程序之中還加入其他控制語句。由控制原理圖2(a)可以看出,單片機還需噴泉中的電磁閥和變頻器的動作及燈光的變化,其中電磁閥對噴頭控制思想是:預先根據(jù)設計的花形種類和變化方式,通過對電磁閥的開閉進行組合,編制不同的控制字制成表存入單片機,當單片機執(zhí)行程序時,通過查表的方式去取不同的花形,以達到預想的花形變化,這樣花形的變化就隨音樂的節(jié)奏而變化。同樣,單片機對變頻器的控制也與之類似,只不過控制的編制是根據(jù)音樂的頻率進行編制的,而且查表的方式也有所不同,因而變頻器根據(jù)所接受的信號,輸出不同的頻率值,以控制水泵的轉(zhuǎn)速,進而達到控制噴泉管路中的流量,就可以控制水柱的高度和花形大小了。燈光和音響是由同一個口經(jīng)延遲放大電路后,使它們達到同步動作,而燈光之前須接一個固態(tài)繼電器,以驅(qū)動燈具,并使之與單片機隔離。8751單片機作為系統(tǒng)的主芯片，一方面采集音樂信號，另一方面依據(jù)采集到的音樂信號的強弱輸出延時不等的矩形波來控制可控硅的導通時間，進而控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而達到控制噴水高度的目的。彩燈的亮滅也由單片機依據(jù)音樂采樣值的大小來控制。功放音響功放音響8751單片機燈光SSR延遲放大8751單片機燈光SSR延遲放大光電隔離→→→光電隔離噴頭電磁閥噴頭電磁閥潛水泵潛水泵變頻器AU轉(zhuǎn)換音樂限幅放大分頻段AD轉(zhuǎn)換AU轉(zhuǎn)換音樂限幅放大分頻段AD轉(zhuǎn)換圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2系統(tǒng)硬件設計硬件系統(tǒng)由單片機電路、音頻電路、潛水泵控制電路、彩燈控制電路、噴頭控制電路、電源電路等組成。2.1單片機電路單片機要采集音樂信號，并據(jù)此調(diào)節(jié)I／O口的輸出來控制潛水泵、噴頭和彩燈。主芯片選用8751單片機。采用Atmel公司的擅長處理多開關量的標準單片機8751作為控制器。8751是一個低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS8位單片機，片內(nèi)含8k空間的可反復擦些l000次的Flash只讀存儲器，具有256bYtes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個I／O口，1個看門狗定時器，3個16位可編程定時器，具有ISP功能，能夠滿足設計要求。使用簡單且價格非常低廉。故系統(tǒng)的主控制器采用此方案。2．2音樂信號的采樣2．2．1音頻功放音頻電路由音響放大器和音樂預處理電路兩部分組成。音響放大電路將音樂外放，包括兩級放大和一級功放。音樂預處理電路是將音頻信號經(jīng)由放大濾波輸入到單片機供片內(nèi)AD采集。整個系統(tǒng)采用單電源5V供電，選用可以使用單電源供電的運算放大器LM324。功放由4V～l2V供電，功率由可達1．25w的LM386完成，可以推動喇叭達到揚聲器的作用。信號經(jīng)音頻電路初步處理后送入單片機內(nèi)部AD，由定時器控制以8k采樣率采集音樂信號。2．2．2音樂控制音樂信號是一個相當復雜的量，實踐證明，采用國際標準音量計量單位Vu信號對噴泉進行音樂控制，能取得較為理想的效果。將音樂信號經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為VU(volumeunit音量單位)信號(隨音樂變化)，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號進入單片機處理，輸出控制信號控制噴泉。圖1中音樂分頻段處理主要是為了拾取音樂更多的信息量，提高控制效果并能實現(xiàn)對噴泉按各種噴型組合進行控制。本控制設備可進行的分頻段最多不超過6段。最簡單的可將音樂三分頻(高、中、低），單片機根據(jù)頻率的高低控制變頻器接受信號，控制輸出不同的頻率值,以控制水泵的轉(zhuǎn)速,進而達到控制噴泉管路中的流量,就可以控制水柱的高度。圖2是VU信號的具體線路，圖中C2起到延時作用，其值取得過小，則VU信號變化過快，取值過大VU信號又反應過慢，經(jīng)實際調(diào)試c2取值20微法至100微法(用于全音樂信號時可取20微法左右，用于控制噴型組合時，可以取100微法左右)。電路如圖2。2．2．3AD轉(zhuǎn)換電路輸入的電壓為交流模擬量，不能直接送入單片機進行處理。因此首先采用全橋整流，濾波。使其成為直流信號，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256級，可以適應一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。串行通信節(jié)約單片機I／0資源。8751與ADC0832采用SPI串行接口方式，將ADC0832的CS和CLK分別接單片機的P0·0和PO．1引腳，將Dl和DO分別接PO.02和PO.03引腳。對CH0通道的模擬信號實行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給數(shù)組mo_shou。其與單片機的接線如圖3所示。CSCSCHOCLKD1D0P0.0P0.1P0.2P0.38571ADC0832圖38571與ADC0832連接方式2．3噴嘴的控制文中所控制噴嘴是由步進電機驅(qū)動的，選用的步進電機是四相單極式35BY48HJl20減速步進電動機。本文所設計的步進電機控制驅(qū)動器由8571單片機、光電耦和器、集成芯片L297和L298組成。L297是步進電動機控制器(包括環(huán)形分配器)，L298是高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器雙H橋式驅(qū)動器。其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機。具有兩抑制輸人來使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的，相應外接線端可用來連接外設傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有l(wèi)5個引出腳的高功率直插式封裝的集成芯片。8751單片機通過串口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換之后與微機相連，接受上位機指令，向L297發(fā)出時鐘信號、正反轉(zhuǎn)信號、復位信號及使能控制等信號。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。當采用兩片L297通過L298分別驅(qū)動步進電機的兩繞組，且通過兩個D／A轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的Uref時，即組成了步進電機細分驅(qū)動電路。另外，為了有效地抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，在單片機與步進電動機驅(qū)動回路中利用兩個l6引腳光電耦合器件TLP52I一4組成隔離電路。其作用是切斷單片機與步進電動機驅(qū)動回路之間電的直接聯(lián)系，實現(xiàn)了單片機與驅(qū)動回路系統(tǒng)地線的分別聯(lián)接，防止處于大電流感性負載下工作的驅(qū)動電路產(chǎn)生的干擾信號以及電網(wǎng)負載突變產(chǎn)生的干擾信號通過線路串入單片機，影響單片機的正常工作。24彩燈控制電路彩燈是為了渲染色彩增強節(jié)奏感而設計的。使用高亮LED圍繞在噴頭的周圍，有紅綠黃三種顏色，設計成上下環(huán)的三層構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu)，每層六個燈，顏色搭配得當。每圈的燈并聯(lián)占用一個I／0口，用三極管8050放大提供足夠的電流驅(qū)動，依據(jù)音樂采樣值大小決定點亮的燈的圈數(shù)。噴頭布置如圖4所示，LED控制電路如圖5所示。R15.1K1KL1L2…LED1LED2R2…P1.0P1.05.1K…P1.11KP1.1…R3R37575…P1.2P1.23系統(tǒng)軟件設計在硬件上本系統(tǒng)使用了．AD、比較器、定時器、中斷等資源，故軟件編程就包含這幾個方面的設置和使用。定時器TO控制AD的采樣速率。定時器Tl在比較器的下降沿中斷中被啟動，延時一段時間，找到l00Hz脈動直流每個周期的起點。定時器T2在定時器Tl的中斷中被啟動，依據(jù)不同的AD采樣值延時不等的時間，在T2的中斷程序中輸出矩形波啟動水泵驅(qū)動電路。圖6給出了音樂噴泉的主程序框圖。器的接口和參數(shù)。3．2系統(tǒng)運行效果4設計結(jié)果設計的音樂噴泉LED彩燈經(jīng)過熱縮管的絕緣處理后用導線纏繞在塑料軟管上，然后再固定在盆內(nèi)。圍繞塑料軟管開幾個小孔，再安裝塑料插頭作為噴水裝置?？梢杂秒娔X或者MP3作為音源，噴泉高低和彩燈隨著音樂的啟停節(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。設計的噴泉控制系統(tǒng)基于8751單片機，采用了音頻放大，可控硅控制等簡潔的外圍電路，經(jīng)過焊接、組裝、調(diào)試后，可以很好實現(xiàn)控制功能，具有很強的實用性，尤其是具有體積小、易移動、適合家庭和室內(nèi)使用的特點。本方案也可以在功能上加以擴展，如加上對樂曲的頻域分析，結(jié)合頻域特點控制水泵；還可以制作霧化器來渲染效果等。不很明顯，圖象質(zhì)量都較好。參考