基于51單片機的音樂噴泉設計與制作

湖南商務職業(yè)技術學院畢業(yè)設計

目錄

1產(chǎn)品功能分析.........................................................................................................1

2設計方案遴選.........................................................................................................1

2.1單片機的選擇...............................................................................................1

2.2按鍵方式的選擇...........................................................................................2

2.3系統(tǒng)框圖設計...............................................................................................2

3產(chǎn)品硬件設計.........................................................................................................3

3.1AT89C51單片機的概述................................................................................3

3.2時鐘電路的設計...........................................................................................4

3.3AD轉(zhuǎn)換電路..................................................................................................4

4產(chǎn)品軟件設計.........................................................................................................5

4.1主程序流程圖...............................................................................................5

4.2噴泉設計.......................................................................................................5

4.3音頻脈沖的設計...........................................................................................7

4.4燈光硬件方案設計.......................................................................................9

5產(chǎn)品使用說明.......................................................................................................10

5.1產(chǎn)品裝配圖.................................................................................................10

5.2產(chǎn)品實物操作過程.....................................................................................11

5.3產(chǎn)品使用說明.............................................................................................11

6產(chǎn)品設計技術標準...............................................................................................12

7參考資料...............................................................................................................12

附錄.............................................................................................................................14

附錄1元器件清單.......................................................................................14

附錄2電路原理圖.......................................................................................15

附錄3PCB設計圖........................................................................................16

附錄4產(chǎn)品實物圖.......................................................................................16

附錄5主程序代碼.......................................................................................16

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基于51單片機的音樂噴泉設計與制作

1產(chǎn)品功能分析

利用MCS—51單片機對音樂噴泉進行了設計，并對其進行了調(diào)速，從而達

到了對水柱高度和水泵壓力的連續(xù)控制。為達到以上目的，本系統(tǒng)利用變頻調(diào)

速技術對電動機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)速。當三相感應電動機連接到一個頻率變化的電

源時，它的速度就會維持一定的速度。通過程序設計，利用單片機的默認輸出，

對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)了對水泵轉(zhuǎn)速的控制，并對水柱進行了相應的

改變。

在接收到音樂信號的時候，獲得音樂信號的強度，模擬電路板將訊號傳給

變頻器，進而作用于馬達，讓噴口跟著樂曲而改變。噴嘴與彩色管道分別與對

應的輸出端相連，通過編程實現(xiàn)各種顏色的組合。噴泉的起停是由鍵盤輸入來

完成的，并且可以根據(jù)鍵盤的輸入來進行操作。發(fā)光二極管是用來顯示水龍頭

的工作狀況。在變頻調(diào)速過程中，變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制電壓為零時，變頻調(diào)速

系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)，水泵也就停止運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了變頻調(diào)速。

2設計方案遴選

2.1單片機的選擇

單片機的運行速度依賴于它的時鐘頻率，指令集，以及每一次循環(huán)所需要

的循環(huán)次數(shù)。在選擇一個微處理器的時候，除了要看它的高速之外，還應該看

它的穩(wěn)定性，容錯性以及其它一些符合下列條件的參數(shù)，選擇STC89C51RC和

AT89C51。

第一類：STC89C51RC是一個使用8051內(nèi)核的ISP（系統(tǒng)內(nèi)編程）芯片，最

大工作頻率為80MHz，包含4000字節(jié)的Flash程序存儲器，有1000個重寫選項，

與標準的MCS-51控制系統(tǒng)和80C51引腳結(jié)構兼容。該微控制器與8051單時鐘/

周期（1T）內(nèi)核兼容。它是新一代低功耗、高速8051微控制器的一部分，具

有新的流水線/嵌入式結(jié)構和集成MAX810復位電路。

第二：AT89C51具有標準功能，如4千字節(jié)的閃存，256字節(jié)的板載存儲器

（00H-7FH為板載RAM，80H-FFH為專用SFR存儲器），32個I/O端口，兩個16位

定時器/計數(shù)器，一個5矢量二級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信端口，以及內(nèi)

置振蕩器和時鐘技術。此外，AT89C51可以在0赫茲的靜態(tài)邏輯模式下運行，并

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有兩種可以通過軟件選擇的省電運行模式。在待機模式下，處理器停止工作，

但RAM、定時器/計數(shù)器、串行通信端口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。在睡眠模式下，

數(shù)據(jù)存儲在RAM中，但發(fā)生器停止工作，直到下一次硬件復位。

該系統(tǒng)選擇了AT89C51，它是一款51核心的8位高/低功耗CMOS單片機，

它的特點是：8K-1000x可讀寫Flash內(nèi)存、256字節(jié)的內(nèi)存、32個輸入輸出接

口、看門狗定時器、16位可編程定時器以及ISP函數(shù)。

2.2按鍵方式的選擇

電容式觸摸屏，通過對人體施加電流而工作。電容式觸摸屏由四層復合玻

璃屏組成；玻璃屏的內(nèi)層和中層涂有ITO（鍍膜導電玻璃）層，外層是薄薄的稀

土金屬保護層，以ITO涂層作為工作面，四個電極被放置在四個角落，內(nèi)層ITO

層為保護層提供了良好的工作環(huán)境。在觸摸板、人體和觸摸板之間的電場中，

觸摸板是電容耦合和電容之間的直接電導體，所以觸摸板和人體接觸時產(chǎn)生的

電流非常小。這些電流從位于觸摸板四個角的四個電極流出，流經(jīng)這四個電極

的電流與手指和四個角之間的距離成正比，控制單元通過準確計算四個電流的

比例來計算出觸摸點的位置信息。

輕觸按鍵，屬于一種電子開關，輕輕一按，就能打開，一松手，就能切斷，

其工作原理主要是用輕觸鍵內(nèi)的金屬彈片，使其產(chǎn)生受力壓力，從而達到接通

和斷開的目的。當你按下時，會出現(xiàn)一個兩腳開關，即為兩腳短路，通常是按

下引起彈開開關的觸點會按下，使得線路彼此感應連接，所以按下彈片就可以

實現(xiàn)電路的連通或斷開連接的功能。如果不能連續(xù)按下或關掉，就需要將觸摸

開關的信號與其它電路相連。

輕觸按鍵的特點

1、開關聲清晰，手感不錯，節(jié)奏感也不錯。

2、開關尺寸小，產(chǎn)品符合ROHS環(huán)境保護要求。

3、產(chǎn)品采用超聲波焊接，回波焊接，波峰焊接，波峰焊接。

4、有多種外型和大小設計，開關有清晰的聲響，手感好，節(jié)奏感好。

5、開關式接點可采用單點差分法或雙點差分法。

電容器開關在溫、濕變化較大時，其工作穩(wěn)定性較差，需頻繁標定，不宜

用于金屬箱體；如果外部有感應和磁感，就會導致觸摸屏失效。該設計采用了

一種輕型觸摸開關基本上使用兩個相對的絕緣箔，其上印有導電線，在開關結(jié)

構中被壓力粘合,按下彈片即可實現(xiàn)電路的接通或斷開連接的功能。

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2.3系統(tǒng)框圖設計

圖2.1顯示了音樂噴泉控制系統(tǒng)的一般結(jié)構，其中包括音樂輸入系統(tǒng)、數(shù)

模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)。

圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構框圖

3產(chǎn)品硬件設計

3.1AT89C51單片機的概述

AT89C51是一個高性能、低功耗的8位CMOS微控制器，具有4千字節(jié)的可編

程和可擦除閃存（FPEROM），也稱為單片機。本單片機的可擦寫ROM可重復擦

寫100次。此裝置是以ATMEL高密度非簡式記憶體制作工藝制作而成，ATMEL

AT89C51是一個高性能的8位處理器和帶有閃存的嵌入式微控制器，而AT89C2051

是一個簡化版本。

AT89C51是ATMEL公司推出的一款高性能、低功耗的8位微控制器。它有4K

字節(jié)的可編程只讀存儲器（PEROM）和128字節(jié)的隨機存取存儲器（RAM），基

于ATMEL的高密度非易失性存儲器技術，與MCS-51標準指令集兼容，有一個8位

通用中央處理單元（CPU）和一個片上Flash存儲器元件。AT89C51具有4K字節(jié)

的閃存，128字節(jié)的內(nèi)存，32個I/O端口，兩個16位定時器，一個用于二級中

斷的五矢量結(jié)構，兩個全電路串行通信端口，一個集成振蕩器，以及一個時鐘

電路。AT89C51還可以在0赫茲下進行靜態(tài)邏輯操作，并具有軟件配置的省電模

式。在睡眠模式下，處理器停止工作，但RAM、定時器、串行通信端口和中斷系

統(tǒng)可以繼續(xù)工作。在省電模式下，RAM保持不變，但振蕩器停止運行，其他部件

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不工作，直到下一次硬件復位。

3.2時鐘電路的設計

AT89C51單片機配備了一個強大的反相放大器，可以產(chǎn)生一個振蕩器。反相

放大器的輸入是XTAL1，輸出是XTAL2。如圖3.1所示，通過連接一個晶體和兩

個電容的兩端，就可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的振蕩器：

圖3.1自激振蕩器

3.3AD轉(zhuǎn)換電路

該電路的輸入是一種不能直接送到MCU中的交流模擬量。所以第一次使用

了全橋整流、濾波的方法。該電路采用了全橋整流、濾波的方法。將其轉(zhuǎn)換成

直流，并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用ADC0832作為AD芯片。ADC0832是一款8位分

辨率的A/D變換器，其分辨率可達到256個量級，能夠滿足各種模數(shù)變換的需

要。其內(nèi)部功率輸入和基準電壓多路復用，可提供0-5V的模擬電壓輸入。該芯

片的轉(zhuǎn)換過程只需要32秒，根據(jù)兩個數(shù)據(jù)的輸出，可以用來做數(shù)據(jù)的檢驗，從

而降低了數(shù)據(jù)的錯誤。采用獨立的晶片支持輸入，便于多設備掛接及微機控制。

利用DI的數(shù)據(jù)輸入，可以方便地進行信道函數(shù)的選擇。串行通訊節(jié)省了MCU的

輸入輸出資源。

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4產(chǎn)品軟件設計

4.1主程序流程圖

開始

初始化

休止符

自檢

取音符常數(shù)

調(diào)花形子程序

取節(jié)拍常數(shù)

取簡譜碼指針

啟動T0

查表取常數(shù)

節(jié)拍時間到

結(jié)束碼

循環(huán)TR0清零，指針+1

TR0清零0

5S？

結(jié)束

圖4.1主程序流程圖

4.2噴泉設計

噴水池的數(shù)值是用來控制水泵，電磁閥，彩色燈光等的開關。一套這樣的

可回收的數(shù)據(jù)，就構成了一個固定的、變化多端的噴泉和彩燈。這個噴池資料

集合可以叫做風格資料。

作為一個例子，使用圖4.2來解釋如何安排風格數(shù)據(jù)。假設外側(cè)的圓形噴

嘴以固定的間隔連續(xù)噴出2個噴頭，如果每隔4個噴嘴按順時針方向?qū)婎^數(shù)

量從2個增加到8個，然后以相同的方向和速度逐漸減少2個噴頭，即從8個

噴嘴減少到4個噴頭。在減少到0個。此后，按照以上的規(guī)則，不斷地進行著

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變化。

在此過程中，內(nèi)圈及中央噴頭均未噴射。除其他控制外，圖4.2中的噴水

池2個輸出寄存器是必需的，其相應的控制噴頭被確定為如下：

87654321

XXX131211109

圖4.2噴頭布局示例

如果上述各值在相應的噴嘴噴水時為1，在不噴水時為0，則外環(huán)噴嘴的數(shù)

據(jù)如下：

00000011B

00001111B

00111111B

11111111B

11111100B

11110000B

11000000B

00000000B

如果這個風格資料是HYSJ01，資料的定義是：

HYSJ01：

DB03H，0FH，3FH，0FFH，0FCH，0FOH，0COH，00H；外環(huán)噴頭數(shù)據(jù)

DB0,0，0，0，0，0，0，0；內(nèi)環(huán)及中心噴頭數(shù)據(jù)

每一次輸出風格數(shù)據(jù)時，都會依次輸出一列，并可以重復使用。這種類型

的數(shù)據(jù)有很多，甚至可以組合兩種以上類型的數(shù)據(jù)，形成一種更加復雜的類型。

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4.3音頻脈沖的設計

要生成一個聲音脈沖，只要計算出某個聲音的循環(huán)（1/頻率），然后把這

個循環(huán)除以2，就可以得到一半的循環(huán)時間。使用計時器對半個循環(huán)的時間進行

定時，每次定時結(jié)束后輸入/輸出被反轉(zhuǎn)，然后時間被重新設定并再次反轉(zhuǎn)。這

樣，輸入和輸出線上就有了該頻率的脈沖。利用微控制器的內(nèi)部定時器，它可

以在計數(shù)器模式（MODE1）下工作，通過改變TH0和TL0計數(shù)器的值產(chǎn)生不同的

頻率，從而產(chǎn)生不同的音階。

舉例來說，一個頻率是523赫茲，它的周期T=1/523=1912微秒，所以，只

需使計數(shù)器計時956微秒/1微秒=956，并且在每次956次的時候，反轉(zhuǎn)I/O，

就可以獲得一個中間的DO（523赫茲）。

表4.3C調(diào)每一個音的頻率對比

音符頻率Hz簡譜碼(T音符頻率Hz簡譜碼(T

值)值)

低1DO26263628#4FA#74064860

#DO#27763731中5SO78464898

低2RE29463835#5SO#83164934

#2RE#31163928中6LA88064968

低3M33064021#693264994

低4FA34964103中7SI98865030

#4FA#37064185高1DO104665058

低5SO39264260#1DO#110965085

#5SO#41564331高2RE117565110

低6LA44064400#2RE#124565134

#646664463高3M131865157

低7SI49464524高4FA139765178

中1DO52364580#4FA#148065198

#1DO#55464633高5SO156865217

中2RE58764684#5SO#166165235

#2RE#62264732高6LA176065252

中3M65964777#6186565268

中4FA69864820高7SI196765283

每個音符由一個字節(jié)組成，字節(jié)的高4位表著音符的高、低4位代表著音

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符的節(jié)拍，表4.3.1節(jié)拍與節(jié)拍碼的對應。如果1拍為0.4秒，1/4拍是0.1秒，

如果你改變了設置，你就可以獲得這個節(jié)奏。如果1/4拍子的拍子是delay，

那么1拍子應該是4delay，以此類推。因此，如果你能找到1/4的“DELAY”，

那么其他的拍子就會乘以1/4，如表4.3.2為1/4和1/8節(jié)拍的時間設定。

表4.3.1節(jié)拍與節(jié)拍碼的對比

節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)

11/4拍11/8拍

22/4拍21/4拍

33/4拍33/8拍

41拍41/2拍

51又1/4拍55/8拍

61又1/2拍63/4拍

82拍81拍

A2又1/2拍A1又1/4拍

C3拍C1又1/2拍

F3又3/4拍

表4.3.2各調(diào)1/4節(jié)拍的時間設定

曲調(diào)值DELAY曲調(diào)值DELAY

調(diào)4/4125毫秒調(diào)4/462毫秒

調(diào)3/4187毫秒調(diào)3/494毫秒

調(diào)2/4250毫秒調(diào)2/4125毫秒

表4.3.3簡譜對應的簡譜碼、T值

簡譜發(fā)音T值簡譜碼簡譜發(fā)音簡譜碼T值

5低音6426016中音964968

6低音6440027中音A65030

7低音6452431高音B65058

1中音6458042高音C65110

2中音6468453高音D65157

3中音6477764高音E65178

4中音6482075高音F65217

5中音648988高音0

首先根據(jù)樂譜的上弦，依照表4.3建立T值表的次序，在將T值表建立在

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TABLE上，組成發(fā)音符的計數(shù)放在TABLE里；其中，譜圖代碼（注釋，見表

4.3.3）是高4位，節(jié)拍代碼（注釋，見表4.3.1）是低4位，注釋節(jié)拍代碼是

在“TABLE”一欄內(nèi)。

4.4燈光硬件方案設計

用發(fā)光二極管在水中的低壓彩色照明。本產(chǎn)品除適用于噴泉、瀑布等水下

照明，也適用于假山、橋梁等的透光性照明。該水底彩燈是由荷蘭菲利蒲公司

研制而成，設計合理，顏色亮麗，并對水底彩燈的密封，保護，配線等進行了

改良，使其可用于各類噴泉中。

本次設計中使用了水下燈光和閃光燈，其中水下燈光使用了兩種LED水下

低電壓燈光，而閃光燈則使用了不同色彩的LED。

圖4.4彩燈的連接

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5產(chǎn)品使用說明

5.1產(chǎn)品裝配圖

本產(chǎn)品主要由AT89C51單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、1602液晶顯示、DC電源插

口、復位按鍵、可調(diào)電位器、三極管、晶振、電容、喇叭、水泵和上位排阻等

構成其產(chǎn)品配置圖如下。

圖5.1產(chǎn)品實物裝配圖

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5.2產(chǎn)品實物操作過程

圖5.2產(chǎn)品接通電源初始圖

圖5.2.1產(chǎn)品連接音樂噴泉噴起

5.3產(chǎn)品使用說明

音樂噴泉是通過計算計控制聲音、光線和噴孔的結(jié)合，從而產(chǎn)生出各種形

狀和顏色，并與音樂節(jié)奏相結(jié)合的整體水景。在AT89C51單片機的基礎上設計一

個適合室內(nèi)使用的小型移動音樂噴泉控制系統(tǒng)，并詳細描述，包括單片機控制

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電路、水泵控制電路、彩燈控制電路和部分單片機I/O口初始化程序。噴泉造型

可根據(jù)樂曲的高低音節(jié)拍而改變，配合LED燈泡的明暗交替使用，使其具有移

動方便、實用的特點，適合居家及室內(nèi)使用。

音樂噴泉可以降低異味，使周圍的空氣變得濕潤，使附近的灰塵變得更少。

在流動的噴泉中，能夠持續(xù)的釋放出大量的負離子。在噴泉中，微小的水滴與

空氣分子發(fā)生碰撞，會產(chǎn)生大量的負氧離子，并能進一步凈化空氣中漂浮的正

離子，異味，有害粉塵，并能吸收來自于家電的二氧化碳和電磁輻射，使室內(nèi)

空氣清新。周圍充滿了負離子，你會覺得很舒服，很有活力！音樂噴泉對提高

室內(nèi)空氣品質(zhì)也有一定的作用。而且還能遮蔽喧囂，給人一種安寧的感覺，那

是一種輕柔的水聲，水珠的飛濺，敲打在罐子上面的天然節(jié)奏，可以將很多不

必要的喧囂都給人一種寧靜而輕松的感覺。

6產(chǎn)品設計技術標準

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術軟件工程術語；

[5]GB/T8566-2007信息技術軟件生存周期過程標準；

[6]GB/T8567-2006計算機軟件文檔編制規(guī)范。

7參考資料

[1]童詩白，華成英編著《模擬電子技術基礎》高等教育出版社2011年5月

[2]李朝青編著《單片機原理及接口技術》北京航天航空大學出版社2011年

1月

[3]馬忠梅編著《單片機的C語言應用程序設計》航空航天出版社2003年7

月

[4]佘新平編著《數(shù)字電子技術》華中科技大學出版社2011年2月

[5]薛永毅，王淑英，何希才編著《新型電源電路應用實例》電子工業(yè)出版社

2001年10月

[6]張靖武，周靈斌,單片機原理、應用與PROTEUS仿真,電子工業(yè)出版社,2008

[7]郭天祥,51單片機C語言教程,電子工業(yè)出版社,2010

[8]郭天祥，10天學會單片機教學視頻

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[9]單片機開發(fā)箱附贈的光盤--STC89C52單片機開發(fā)箱原理圖

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附錄

附錄1元器件清單

實物圖片名稱型號數(shù)量

電容10uF2

電容220uF2

電容30pf2

電容1043

5MM紅色發(fā)光二極管LED08

3MM發(fā)光二極管紅RED1

5V喇叭喇叭1

晶振12M1

音頻裝置

Header31

DC電源裝置Header21

PNP三極管90121

電阻1k10

電阻10K1

電阻4.71

可調(diào)電位器10K1

按鍵SW1

電源開關電源開關

1

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC08321

IC插座8P1

單片機

5189C51/C521

單片機插座40P1

運放LM3861

IC插座8P1

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5V水泵1

附錄2電路原理圖

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附錄3PCB設計圖

附錄4產(chǎn)品實物圖

附錄5主程序代碼

#include<reg51.h>

#defineucharunsignedchar

#defineu