小型音乐喷泉控制系统设计.doc

本科毕业设计 题 目 小型音乐喷泉控制系统设计 院 系 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 学 号 学习年限 2013年10月 至 2017年6月 指导教师 职称 申请学位 2017年 5月 23日小型音乐喷泉控制系统设计学生姓名： 指导教师： 摘 要 喷泉作为一项优美的建筑艺术与人文景观，以水设景的方式在中外历史上都很有特点，在人类历史上留下了光辉的印记。好的喷泉就仿佛是一个精美的艺术品一样，它的价值不仅仅在于观赏，还有颇高的令人喜爱的实用价值。本次设计的内容主要是用单片机制作一个声控喷泉，对象为直流机控制的一个水泵，最终实现喷泉的喷水高度按音调高低进行同步的变化。这里采用模数信号转换、程序控制信号输出、PWM变频调速等方法，提出了一种较为先进的音乐喷泉设计方案和控制途径。关键词：音乐喷泉 单片机 直流机 变频调速Design of small music fountain control systemAuthors Name: Tutor: ABSTRACT：Fountain as a beautiful architectural art and cultural landscape, the way the water in the history of Chinese and foreign history are very characteristic, in the history of mankind left a glorious mark. A good fountain is like a fine artwork, its value is not just watch, there are quite high practical value. The main content of this design is to use a single-chip production of a voice fountain, the object of the DC machine control of a pump, and ultimately to achieve the fountain of the water level by the pitch level of synchronization changes. Here the use of analog signal conversion, program control signal output, PWM frequency control and other methods, put forward a more advanced music fountain design and control methods.KEYWORDS：music fountain SCM DC machine Frequency目 录1 引言11.1 本课题的研究背景11.2 本课题的研究意义21.3 音乐喷泉在生活中的诸多作用21.4 本课题的基本内容32 总体设计方案32.1 方案比较32.2 单片机的特点及应用42.3 音乐喷泉控制系统整体设计62.4 系统框图63 音乐喷泉控制系统硬件设计73.1 音乐信号的采集73.2 单片机电路93.3 A/D转换电路103.4 潜水泵调速硬件方案设计123.5 灯光硬件方案设计143.6 元件清单144 喷泉控制系统软件设计154.1 喷池数据154.2 主程序框图164.3 控制潜水泵软件设计模块174.4 歌曲存储模块184.5 灯光控制模块204.6 系统实验仿真21总结与致谢23参考文献24附 录261 引言1.1 本课题的研究背景音乐喷泉作为人文景观中一项不可多得的建筑艺术，这条靓丽的风景线在中外历史上都享誉盛名。上世纪八十年代以前，喷泉只作为一个技术细节被排水和美化专业施工人员所使用，从构思，设计，生产，测试，到最后的工程安装没有形成规模。只有在展览厅和公园等公共建筑可以看到一些小喷泉，产品设计水平相对简单，效果是单一的。上世纪八十年代起，社会的进步风气开始上升，国民经济取得了一定的恢复和发展，人民生活水平和科学技术水平均有明显改善与提高。一些城市的相关部门对于喷泉提出了推陈出新的要求，他们的目的是希望将新型的音乐喷泉应用到城市建设、城市改造的过程中，还包括喷泉的景观设置和文艺空气的设计与制造方面。对建筑、园艺、水利科学院、高等教育研究所等机构来说，他们获得了一个机遇，在综合了土木工程、供排水系统等一些工科技能后，再加上当时先进的单片机技术以及机电控制理论，依据学术理论改变特定量达到控制电磁阀和直流电机调速的目的，设计并制造了一批与之前全然不同的喷泉设备，营造了全新的景观效果，收到良好的社会和社会反应。同期，部分具有加工喷泉设备专业能力的工人和具有独到眼光的投资人合伙建厂或者成立研发公司，这些工厂以及公司的发展推动了我国喷泉行业的进步，为喷泉的行业的发展提供了中坚力量，奠定了坚实的基础。第二十世纪90年代以后，社会风气推动思想解放，各界人士的观念都发生了翻天覆地的变化，在物质生活逐渐得到满足的社会背景下，他们开始注重精神生活，对高品质的文化氛围和优雅的生活环境有了需求。就是因为这样，有市场就会有商品，有商品就会有更好的商品，与此同理，喷泉行业亦取得了巨大的发展。喷泉已经不单是公园、花园和广场的专属品，开始延伸到人们的各种社会活动中。就在这一时期，研发和制造喷泉的工作室和工厂顺应潮流萌芽生长，以至于壮大起来。喷泉设计人员把现代工业的各种相关技术都应用到了喷泉中，把喷泉行业的技术水平推上了一个新高度，为人们提供视觉震撼的同时也为应用领域开辟了广阔的领土，人人都开始注意这一特殊的人文景观。中国建筑金属结构协会给水排水设备分会在2001成立了水景喷泉专业委员会，这一组织有效的调配了各种资源，统筹安排了发展规划路线，以促进喷泉行业健康有序快速发展为宗旨，希望通过提供各种服务满足人们的精神追求。在普通高校的建筑专业，园林专业也设置了水景，喷泉等相关课程，这一举措为喷泉行业的发展提供了知识和人才储备，初衷自然是希望喷泉行业有更好的发展。自此以后，喷泉产业在人们的希冀中进入又好又快发展的新阶段。时代在发展，社会在进步，这一切都归结于人的进步，思想的进步，追求的进步，对健康优雅环境的要求让他们对喷泉情有独钟，特别是喷泉在城市和社区环境建设中的作用是无可取代的。于是以高新科技为支撑的各种新型水景在我国纷纷涌现，音乐喷泉是其中最具代表性的一例，以它悠扬的曲调，动感的节奏，缤纷的花样，多变的色彩征服了观众的心。程序控制喷泉的方式已经成为喷泉艺术呈现的新的主流形式，现代控制技术与传统人工喷泉的完美结合，通过单片机程序令喷泉水姿呈现不一样的变化。采用单片机控制技术，通过单片机控制电路以及初始化程序，完全可以实现喷泉与光的协同控制，形成美轮美奂的活水景观。1.2 本课题的研究意义如果把喷泉看做艺术，那么在现代社会的住宅小区和酒店大厅都应该有它的身影，营造优雅静美灵动的环境的同时增加空气湿度，不单有利于身体健康还能放松心情。我相信，很多人都有一个同样的疑问：喷泉的关键是什么，我认为是控制系统。模仿大型喷泉的系统做个小型喷泉，像它一样控制核心采用单片机，可以控制水泵的电机达到调节水流的目的，彩灯同样可以用单片机控制。控制系统的核心使用单片机，注意是考虑到它的物理应用特性。比如体积小、集成度高、抗干扰能力强、工作环境要求不高、价钱便宜、可靠性高等都是使用优点。在现代社会研究小型喷泉的控制系统不但可以带来经济效益还会收获相应的社会效益。在运用成熟水平制作音乐喷泉的国际背景下，生产厂家为消费者提供了包括系统设计和设备安装等专业服务。智能化、集成化、多元化已经成为了音乐喷泉发展的主流方向，同时这一发展方向也对喷泉控制系统的设计者也提出了全然不同的要求，这对工程师来说既是挑战又是机遇。本课题研究的小型音乐喷泉控制系统就是以单片机为核心的，不但可以推广喷泉在国内的应用，凸显其在美化环境中的作用，还可以有力的推动喷泉控制技术的发展。对我个人而言，研究本课题，可以加深我对单片机技术、数控技术和机电一体化系统的理解，方便知识应用。复习C语言课程，自学protei99 SE软件并使用该软件绘制电路原理图。通过解决设计过程中遇到的各式各样的问题，获得更多的知识以提升自己的专业能力。1.3 音乐喷泉在生活中的诸多作用音乐喷泉作为人文景观中一项不可多得的建筑艺术，这条靓丽的风景线在中外历史上都享誉盛名。音乐喷泉被誉为一项流动的艺术，音乐喷泉那美轮美奂艺术体验给人以无限的享受。伴随经济发展的科学技术取得了巨大进步，与此同时，景观在生活中被越来越多的人关注与向往，在现代都市生活的园林景观设计中，水的灵动已然令其成为了不可缺少的组成部分，音乐喷泉便是其中最为重要的景观，因此无论是在公园景观布局、城市环境规划及水景制造还是在小区风景的设计中，音乐喷泉的应用必不可少，其设计与效果更是至关重要的。为了使水灵动起来，音乐喷泉特别采用了现代循环系统的设计构想，这样做不仅避免了水池里的水变成死水或者臭水，在一定程度上节约了本就匮乏的水资源，达到提高水利用率的目的。音乐喷泉花姿百态活灵活现，有很高的观赏价值。音乐喷泉能够利用水和音乐做出及其壮美的声效景观，形随音动，能够表现出很多姿态，形成活泼而又绚烂的景观，是夜晚的主题。特别注意，水是生命之源，增加空气湿度来改善生活环境的方法也是音乐喷泉最重要的作用。1.4 本课题的基本内容基本任务：设计一个音乐喷泉，控制核心使用ST89C51单片机，对喷水高度的控制是要实现的目标，要达到这一目标，可以调节水泵的水流量，由基础知识可以知道只有调节水泵电动机的转速才能完成这一基础任务。那么调节电机转速就成为我们关注的焦点了。控制系统最核心的部分采用的是程序控制的办法，通过编写准确合适的程序并将其输入单片机内，外部信号由单片机获取并经程序处理最终输出预定的数据来控制三极管工作，通过改变加在电机两端的电压进而实现控制水泵转速的预期目标。输入音频信号，通过A/D转换程序处理等将输出信号作用到三极管的基极最终控制电机，水流量的变换会呈现出水姿高低变化的情形。各个彩灯分别与单片机的I/O引脚相连，内部程序可以达到每种音调的状态组合的效果。这次设计方案最惊艳的地方在于是否有音频的输入来决定喷泉启停状态。LED灯也会显示出一系列变换表示音乐的运行状态。2 总体设计方案2.1 方案比较方案一：基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制系统优点：在同类的音乐喷泉中该控制系统的采样结果是完全有能力直接反映音乐信号强度的，采集音乐信号和该信号后续的处理都是由喷泉的控制器等配合工作来完成的，这个方法的采样周期是0.1秒。这次系统中补偿方法采用的是控制输出前馈补偿方式，而这里前馈控制的时间长度可以系统设置的“前馈”时间得到确定。使用这种时间补偿方式的目的就是要消除音乐与喷泉动作的时间差，因为这种方式能够满足音乐喷泉前馈补偿控制的需求，实现喷泉动作随音乐的和谐律动。缺点：系统条件的限制较为苛刻，各硬件组件要求精密度高，对系统设计者能力的要求也颇为严格，实施起来比较困难。方案二：基于全数字集成电路音乐喷泉控制器这个设计方案采用既能音控又能程控的两用控制器，而且音控、程控可用开关手动切换。程控时，电位器能够起到的作用是调节速度；音控时，输入音乐的音量便能直接控制彩灯，控制思路是以音乐音量的大小来决定彩灯打开组数的多少，音量越大彩灯亮的组数越多。整个控制系统电路的设计相对简单，应用普遍广泛，项目的可行性论证比较可靠。但是，实现的效果有限，无法达到较高的要求。方案三：基于单片机的音乐喷泉控制系统以单片机为核心的控制系统是小型音乐喷泉控制系统中用的最广泛而普遍的。灵活的编程设计，丰富的I/O端口，精确的控制单片机的这些特点能够简单而又实用的将音乐与喷泉的动作密切而默契的配合起来。而且这类控制器性价比理想，体积小，易于操控，简便可行。经过比较发现，方案三以单片机为核心的控制系统与本次设计的要求较为符合，并且经济适用。我认为选取方案三作为这次设计方案较为合理。2.2 单片机的特点及应用管控功能好、体积小、价钱低是单片机的主要特点。因为单片机特有的良好的管制功用和非常灵敏的嵌入质量，在智能仪表、机电一体化产品、家用电器等多个范畴内在近些年来都获得了非常重要的地位。2.2.1 单片机及其特点把一台完整的微型计算机浓缩在一个微小的芯片内，就可以把这个芯片叫做单片机芯片。而单片机内部的主要零部件包括：CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O口。简单说，单片机就相当于一个微型计算机，能够准确反映它的定义本质的说法应该是微控制器。设计单片机的初衷就是想把许多大体积的外围设备和管理中心CPU全部放置在一个微小的芯片中，令计算机系统最小化，使其能够方便快捷的应用到复杂而又要求极高的控制部分去。单片机最大的特点就是可以应用特定的程序完成特定的任务，在控制的极端条件下使用较多，这是其他控制器无法比拟的特殊性。用户完全可以根据自己的控制需求编写自己的单片机程序，这不仅是智能与效率的体现而且非常可靠！ 2.2.2 单片机的应用单片机独有的特点决定了它必然会受到社会青睐的结果，不论是在工业、民用甚至事业部门都在发挥着无可替代的作用。大概把它归属为以下不同的应用层面：表2-1 单片机的应用领域 智能 仪器仪表凭借控制功能好的长处单片机在仪器仪表中广泛使用，与不同传感器配合可测量不同的物理量。而且仪器仪表凭借单片机已经实现了数字化、智能化、微型化，而且功能也越来越强大。例如，示波器就采用的单片机。 工业控制单片机能够按不同的需要组成不同的控制系统和数据采集系统。最常见的例子就是电梯的智能化控制。 家电很负责任的说，在目前的家电市场上，电器的控制部分绝大部分都采用单片机控制。生活中我们经常使用的洗衣机、空调机、都有单片机的身影，毫不夸张的说处处都有。 网络通信单片机发展到今天，通信接口已经在其上普及，能够和计算机进行实时数据传输，它作为物质基础在算机网络和通信设备间起到了巨大的作用。依照目前的发展状况看，通信设备大体上都做到了基于单片机的智能控制，从固定电话，手机到日常生活中经常见到的移动电话，无线电对讲机等。 医疗方面在各种医疗设备中也普遍活跃着单片机单片机的身影，像医用呼吸机，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。除了以上工作层面，单片机在办公，营销，移动通信、计算机外部设备等范围内都在扮演着自己的角色。总而言之，单片机已然成为了控制领域的一个重要方向，而且会越来越重要。 2.2.3 单片机的选择对于许多专业人士来讲，单片机的的选型是一件极其重要却又很费心思的一件事情,如若能够获得合适的单片机型号,但就成本来讲，该系统就会节约很大一部分花销,而且工作可靠、稳定;如若没有获得合适的单片机型号,系统的运行一定会出现反常的现象，严重的话甚至根本达不到功能预期,在成本方面也会造成一部分浪费。不论是芯片个数还是芯片包含的功能数量都要略大于设计需求，芯片有的功能尽量靠芯片执行不要采用外部设备替代。购买芯片的时候要买大厂的不买小厂的，要买产品批量多的不买产品批量少的，尽量选用名牌不用不知名的牌子，在保证质量的前提下尽量选择价钱低的。这是工程师选择单片机芯片时必须秉承的理念。对单片机选型,必须考虑几个因素：(1)技术性:保证控制系统在一定范围的技术指标下能够可靠运行;(2)实用性:根据厂家以往供货的产品数据分析，选用质量好，耐用的产品，以保证单片机被应用到系统中之后能长期、可靠的运行；(3)可开发性：所选用的单片机必须要有类似程序编辑、仿真调试等可以开发的手段。下面我们来比较89C51和89C52：表2-2 AT89C51和AT89C52单片机的比较数据存储器程序存储器定时器中断51系列128B4KB2552系列256B8KB38 通过数据比较及功能需求的分析，本课题中，选用51系列单片机，即AT89C51单片机，完全能够满足设计预期功能的要求。2.3 音乐喷泉控制系统整体设计电路输入/输出模块 采集模块单片机模块电源电路模块AD转换模块图2-1 系统设计构架2.4 系统框图就像大家都知道的一样，所有声音的产生源都是震动，声音中音调高低主要取决于描述物体振动的频率，所以我们可以通过单片机来进行频率信号的控制输出，这样多种音调就能够控制产生了；不同音调所持续的时间也需要控制，这一任务可以利用单片机的计时系统来完成，简言之，就是实现节拍的控制与变换。音调的流转和节拍的变换都有章可循，那就是乐谱，根据乐谱排列章法加以变换表现的就是乐曲的演奏功能。水泵的电动机控制电路和彩灯控制电路要注意，令他们分别与单片机上相应的输出点连接，每种音调都有和它相对应的一组输出点的开关状态组合，这一控制就是通过单片机内的程序完成的，就是按照这个过程实现乐曲控制喷泉的动作的。系统总体结构图如图2-1所示。 单片机A/D转换功放喇叭频谱彩灯显示驱动水泵电源音频图2-2 系统总体框图用于喷泉控制的音乐只要能够输入到控制系统就可以了，用像VCD、DVD一样的外部设备或者通过计算机直接播放控制音乐的效果都是一样的。喷泉的启动或停止状态是通过有没有音乐信号的输入控制的。如果音乐播放时，先将音乐信号放大，再通过一系列变换，作用到电机上，通过改变水压力来使喷头喷出的水柱达到起伏的效果，与音乐配合，水随曲动，相互辉映。音乐喷泉的单片机控制系统功能齐全，包含捕获音乐、启动喷泉、彩灯，喷泉和彩灯的状态通过程序控制输出的信号变换，所达到的效果包括停止喷泉、彩灯闪和一定时间内按乐谱曲调为准则的彩灯变换。3 音乐喷泉控制系统硬件设计3.1 音乐信号的采集按前文所述，此次课题的设计方案拟采用外部音源的音乐喷泉控制系统，要想利用音乐信号的特征控制此系统首先要面临的一个重大问题就是如何有效的采集音乐信号。由我们学过的基础知识就可以知道，信号放大和 A/D 转换这两个相对独立又紧密衔接的过程可以解决采集音乐信号的问题。3.1.1 音频放大电路的设计音频放大对于这个系统必不可少，因为播放音乐的音源信号的幅度相对来说比较微弱，为了能够有效全面的利用音乐信号，只有放大原来的音乐信号才能避免系统对微弱信号的漏采，之后再将信号送入A/D 转换器。在这里选择 LM386 芯片作为设计音频放大电路的核心。LM386 芯片在电子应用中有着不可替代的作用，这都是由它的特点决定的，功耗低、工作电压范围较宽为 412V、所需外围元件少，所以在相关领域的中应用及其普遍。LM386 芯片的内部结构功能包括输入级、电压增益和电流驱动级。从图 3-1 可以看出，LM386 采用双列 8 脚封装结构；物理特性也颇受青睐工作电压范围为 412V，静态电流 4mA，最大输出功率 660mW，最大电压增益 46dB，增益带宽 300kHz，谐波失真只有0.2%。图3-1 LM386 封装形式及引脚定义图 3-2 是本次设计采用的音频放大电路，可以看出该电路的具体细节。在 LM386 芯片的 1 脚和 8 脚之间串接一个 10 微法的电容，如此便能使放大电路的增益能达到最大值，200 倍数（46dB）。前面是放大电路的核心部分，此外图中还包括对音频放大电路的外围电路进行设计的内容，电路中电容 C1、C6 的作用同为隔直流，电位器 P1 可以帮你达到想对音量的大小有绝对控制的权利，降低旁边电路高频噪音，提升输出音质的水平是元件 R2、C5 所要做的事情。去耦电容 C3 既能蓄能还能把旁路产生的高频噪声最小化。图 3-2 音乐信号采集放大 3.1.2 采样定理模拟信号经过A/D变换转换为数字信号的过程被称为采样。奈奎斯特发现了模拟信号与数字信号之间联系的桥梁，我们称之为采样定理。它作为连续信号离散化的基本依据反映的是采样频率与信号频谱之间的关系。通常情况下，连续信号又被称为模拟量信号，离散信号与数字量信号是相同的。采样定理的具体内容描述为“当对一个模拟（连续）信号进行离散化时，必须满足采样频率fs 大于或等于被采样信号的最高频率fm的2 倍，只要这样才能通过理想的低通滤波器，从变换后的样本值序列信号中准确地恢复出原始模拟信号”，此处fm 为香农频率。如图 3-2 所示，在本次设计中，被放大的音乐信号通过A/D转换变为数字信号，并以其形式被输送到计算机，这便完成了音乐信号的采样。3.2 单片机电路采集的数字量音乐信号最终要输入到单片机，并根据输入的信号经过一系列变换来调节I/O口的输出电平，进而控制水泵和彩灯。前面已经提到，本次设计单片机主芯片选用AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含4K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有128字节的RAM，32个I/O口，还包括定时器，计数器，振荡电路等，完全可以满足我们的设计要求。最重要的是其使用简便价格低廉。图3-3 AT89C51芯片 时钟电路的设计AT89C51芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。XTAL1是反相放大器的输入端，XTAL2为输出端。输入端与输出端跨接晶振及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，如图3-4所示。其中，电容 C2 也有着不可取代的作用，它作为旁路电容，可以把该信号的中高频噪声连接到地，减弱系统噪声。而晶振所起的作用就是为控制系统提供最基本却又很重要的时钟信号，所以在单片机系统中晶振已经成为不可或缺的一部分。晶振与单片机内部的电路连接并配合，可以产生单片机运行时所必须的时钟频率，可以这样形容，如果晶振能够提供足够高的时钟频率，那么单片机的运行速度也随之足够快。晶振可以提供稳定、精确的单频振荡，是因为一种特殊的晶体（能把电能和机械能相互转化）在共振的状态下工作的原因。图3-4 自激振荡器3.3 A/D转换电路经过放大电路的音频信号是音乐喷泉是否有动作的决策者，对喷泉控制系统有着绝对的控制权，单片机要根据音乐信号对喷泉进行控制，所以，音乐信号应该被输入到单片机来使用。但是，单片机无法对模拟量信号进行识别并使用，为了完成这一任务，特地在此加入了A/D转换电路，它的作用就是将放大的模拟量信号转换为数字量信号输入到单片机，以供控制喷泉动作与灯光闪烁。本次设计中，AD转换电路的主芯片采纳ADC0832。ADC0832芯片主要有这些特征：8位分辨率、双通道A/D转换芯片，兼容性好，体积小，性价比高，有能力满足一般的模拟量转换要求。所以，在业内ADC0832吸引了无数人的眼球，被广泛采用。连接图如图3-5。该芯片转换时间是32s，与其他同类产品相比较快，数据误差小，转换速度快，稳定性强等都是其长相。此外，独立的芯片使能输入也使它的应用变得快捷、方便、有效。ADC0832芯片的接口说明如表3-1所示。表3-1 ADC0832各引脚说明表接口说明CS片选使能，低电平芯片使能CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用GND芯片参考0 电位（地）DI数据信号输入，选择通道控制DO数据信号输出，转换数据输出CLK芯片时钟输入Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）3.3.1 ADC0832与单片机89C51的连接音乐信号是音乐喷泉的控制量。单片机是喷泉控制系统的核心，但是必须以音乐信号作为根据，才能发出动作指令，并且不能识别模拟量信号。而A/D转换电路可以把模拟量信号转换为单片机可识别的数字量信号。所以，把这两部分结合起来就可以构成控制系统的输入部分，具体接口电路如图3-5所示。ADC0832的时钟信号用单片机AT89C51的P1.2控制输入。用P1.0控制A/D转换的启动，用P1.3控制A/D转换器转换结束后数字量的读取与选择通道。 3.3.2 输入电路在这里，输入电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测的装置。简而言之，这里仅用音频接收装置将收到的音频信号送入音频放大电路即可（如图3-2），而后音频放大信号经AD转换将信号输入单片机就可以了。因为有了这一系列传输与变换，音乐已经不单纯的拥有背景音乐这一个身份了，它也可以用来控制整个喷泉是否有动作产生，由此可以说，音乐喷泉最基本的要求已经达到了。图3-5 ADC0832与AT89C51连接图 3.4 潜水泵调速硬件方案设计在本次的设计方案中所选用的水泵型号较小，其内的电动机是直流电动机。所以，要完成对水压的调节，只要对直流电动机的转速调节就可以了。目前，行业内对直流电动机的调速方案采用最多的就是变压调速的原理。在变压调速前提下，调速方案又包括可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。而这两种变压调速方案又各有千秋，各自表现出自己的优劣。但是，总的来说PWM调速表现的更好一些。PWM调速系统的开关频率较高,可获得平稳的直流电流,低速特性好，稳速精度高，调速范围宽;响应快速,动态抗干扰能力强;主电路损耗小,装置效率高。所以，此处采用变压调速中的直流PWM调速系统，硬件电路图结构也比较简单，如图3-6所示。其中，电容起到稳压作用。这里采用的变压调速原理是通过对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使单片机的输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲。在这个电路中通过单片机来实现脉宽调制，用软件控制的方式起作用，可以这样理解，软件的延时循环程序可以改变单片机端口二进制位输出逻辑状态进而产生脉宽调制信号，在程序内设置不同的延时时间能够得到不同的占空比（输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比）。 图3-6 电机电路图 图3-7 彩灯的连接图3.5 灯光硬件方案设计灯光在音乐喷泉之中的使用尤为重要，在夜里，动人心魄的旋律，百变起伏的水姿形态，再加以绚烂夺目的灯光效果，会使喷泉的效果最大化，不仅可以成为一道亮丽的风景吸引人们的眼球，还可以给人们带来3D式的感官效果，心随律动，眼随水动，绚丽的灯光照亮你的世界，给人以不一样的震撼。所以灯光的选择就显得更加重要了。本次设计方案采用LED水下低压彩灯作为闪光彩灯使用。该灯被广大喷泉设计者普遍使用，产品机构合理，密封和防护方面都很好，而且色彩较为艳丽。连接电路如图3-7所示，其中电阻的作用是限流，保护。3.6 元件清单 选择使用的元器件列表如3-2所示。 元件名称元件标号数量10uf电容C1, C3220pf电容C2, C42104pf电容C5, C7, C93220uf电容C6, C82LED发光二极管D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D88喇叭LS11电机M119012三极管Q111K电阻R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8810K电阻R9110K可调电位器R1014.7电阻R1111K电阻R121SW按键S11电源开关SW11ADC0832AD采集芯片U11AT89C51单片机U21LM386功放芯片U3112M晶振Y11表3-2 硬件选择表4 喷泉控制系统软件设计控制程序采用模块化结构，即不同的功能通过单块程序完成，程序中所有用到的常数或数组都用DATA或DB伪指令定义与命名，以易于程序修改、调试和升级。4.1 喷池数据 喷池数据就是用来对喷泉池内的水泵和彩灯等进行启停控制的控制量数据。一组特定的喷池数据，就可以决定喷泉和彩灯的一组相对应的变化形态。我们也可以把组喷池数据叫做花样数据。对一个已经确定结构的喷池，我们可以编写出很多花样数据，是喷池内呈现出不同的变化形态。本次设计中喷池采用图4-1所示的样例，并简要说明花样数据的编排方法。假设希望外圈喷头连续喷水，水下LED灯按频谱分析不断亮灭变化。在这期间，中心喷头是否喷水及水柱高低一直连续变化。如果要完成设计预期，该喷池只要1个输出寄存器就可以了，其各位控制LED灯定义如下：87654321以上各位若为1时相应的彩灯亮，为0时不亮，则彩灯数据应为：0000 0011B0000 1111B0011 1111B1111 1111B1111 1100B1111 0000B1100 0000B0000 0000B若该花样数据定义为HYSJ01则数据定义如下：DB 03H，0FH，3FH，0FFH，0FCH，0FOH，0COH，00H。 每次将花样数据输出时都是顺次取一列输出的，且可循环取用。显然这样的花样数据可以编不少，还可将两个以上的数据搭配起来，组成新的更复杂一些的花样数据。1号LED灯 图4-1喷头布局例4.2 主程序框图音乐开始，喷泉启动，其流程图如图4-2所示。音频信号经初始化即放大电路放大后，被输入到A/D转换模块，将模拟量信号转换为数字量信号。单片机读取转换结果并保存，经内部程序处理后将结果以电平的形式输出。执行完后又返回到A/D转换之前再次执行，循环下去。也就是奏曲每停一次(大多数乐曲奏曲中间不会停)，下次再奏曲就重新开始执行程序，即多个乐曲依次轮流循环使用编制好的数据。 图4-2 主程序框图4.3 控制潜水泵软件设计模块前面已经提到，本次设计中我们使用脉宽调制调速系统来对水泵转速进行调整。脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)是一种模仿管制方脉冲宽度调制，它的本质是运用微处理器的数字输出来对模拟电路进行管理的一种十分有效的技术，普遍使用于测量、通信、功率控制与变换等很多与生活息息相关的领域中。 4.3.1 潜水泵开关调速的原理从以前学过的知识中我们可以知道，直流电动机的转速可以通过改变加在它两端的电压得到改变。PWM调速控制的原理就是按固定频率来接通和断开加在电动机两端的电源，与此同时，根据需要改变一个周期内接通和断开电源的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比。简单形容就是用时间的占空比改变电压的占空比。这样平均电压也就随之改变了，那么电机的转速也就间接得到了控制。只需要知道，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。如果我们按照一定的规律改变通、断电的时间，那么电机转速也就在控制范围内了。不可忽略的是采用PWM技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统均无冲击，启动功耗小、运行稳。4.3.2 潜水泵开关调速的软件设计单相潜水泵采用单片机AT89C51控制，单片机的输出端口P3.7经变阻器与三极管的基极连接。经A/D转换输入单片机的数字量信号经过PWM调压程序处理，由P3.7端口输出电平信号。PWM调压程序控制输出电平的高低，根据三极管的工作特性进而控制电动机两端电压，达到调速的目的。三极管的工作特性：三极管顾名思义有三个极，分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C）。简单点说基极的电流大小直接控制着集电极电流的大小，由于是倍数关系可以起到信号放大的作用。三极管在电路中主要起到电流、电压放大和转变相位的作用，由于它是非线性元器件，在坐标图上可以划成三个区域，既截止区域、工作区域、饱和区域。截止状态是指在基极没有电压或没有足够的偏置电流，集电极输出电流几乎为零，就像一个开关没有施加控制电压被断开一样。工作状态是指随着基极电流的增加，三极管进入近似于线性的工作区域，此时集电极电流的输出电流为基极电流的倍，Ib*=Ic。饱和状态是当基极电流增加到一点程度，集电极电流增加缓慢或不再增加即此三极管已经达到饱和，三级管就是利用这个特性来控制电路的通断。此处随采用PWM调速，但是，其还有不可避免的缺点：有污染电网的谐波产生；PWM波会令电机、电缆额外发热；电机轴的寿命可能会随着共模电压的产生而降低。4.4 歌曲存储模块4.4.1 音频脉冲的产生 如果要利用数字量形式的音频信号转换成为音频脉冲，我们要做的就是求出任意一个 音频的周期（1/频率），然后再取这个周期的一半，简单说就是求半周期的时间。每到半周期时间，就把I/O反相，重复执行这一过程。而在这个过程中，半周期的时间可以通过计时器得到。那么这个频率对应的脉冲便能在I/O引脚上获取了。在单片机的内部就有定时器，令定时器工作在计数器模式（MODE1）下，如果利用改变计数值TH0及TL0便可以产生不同频率的方法来制造不相同的音阶。比如，音频频率是523Hz，它的周期T是1/523也就是1912s，所以只需要让计数器计时956s/1s即956，每次计数956次时把I/O反相，那么中音DO（523Hz）就得到了。 表4-1 C调各音符频率与计数值T的对照表音符频率Hz简谱码(T值)音符频率Hz简谱码(T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这里用一个字节表示一个音符，音符的高低可以通过对应字节的高4位表示，音符的节拍就用该字符的低4位表示，表4-2列出来了节拍和节拍码一一对应的状况。若1拍的时间是0.4秒，那么1/4拍的时间便是0.1秒，要求得节拍对应的时间通过设定延迟时间的办法就好了。比如说，若1/4拍的时间是DELAY，则1拍对应的节拍时间就是4DELAY。因此，如果1/4拍的DELAY时间清楚了，依照简单的数学原理，其他的结拍时间便是它的倍数，表3-3所列的是1/4和1/8拍的时间设定。4.4.2 音乐程序按照表4-1所列的音符与T值计数的对应关系建立T值表的顺序，如果T值表建立在TABLE1处，就可以把构成发音符的计数值放在TABLE中了；简谱码（参照表4-4）是字符的高4位，节拍（参照表4-2）是字符的低4位，如此便可将音符与节拍码放在控制程序的“TABLE”处了。表4-2 节拍与节拍码的对照表节拍码节拍数节拍码节拍数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 各调1/4节拍的时间设定表曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125毫秒调4/462毫秒调3/4187毫秒调3/494毫秒调2/4250毫秒调2/4125毫秒表4-4简谱对应的简谱码、T值表简谱发音T值简谱码简谱发音简谱码T值5低音6426016中音9649686低音6440027中音A650307低音6452431高音B650581中音6458042高音C651102中音6468453高音D651573中音6477764高音E651784中音6482075高音F652175中音648988高音04.5 灯光控制模块如图3-4所示，单片机I/O接口P0.0到P0.7分别经电阻与二极管负极连接额，组成彩灯控制电路。由硬件电路图可以看出二极管正极与电源相连，根据二极管的性质可知，如果单片机输出端P0.1P0.7中任意一个输出低电平时，与之相连接的二极管就会接通发光，正极高电位，负极低电位符合二极管的导通条件，相反当单片机输出端输出高电平时，二极管中没有电流通过，熄灭。这里采取的是离散傅立叶变换的快速算法（简称FFT），提取信号频谱是它颇为得意的一个应用方向，而且这种方法在频谱分析方面经常用到，效果很是明显。所以，这里希望通过FFT算法控制频谱彩灯。放大的音频信号经过ADC采样之后，模拟量信号就变成了数字信号。当然，这一过程也必须满足一些特定的要求，那便是采样定理，它要求采样频率必须要大于信号频率的两倍。模拟量信号经过采样得到的数字信号，按频率抽取算法，做FFT变换（快速傅里叶变换）。假设N个采样点，通过FFT之后，就可以获取这N个点的FFT后果。如果采样的频率是Fs，有N个采样点数，经过快速傅里叶变换以后，任意一点n（n值从1起）体现的频率公式表达是：Fn=(n-1)*Fs/N；这一点的模值比N/2就得到了关于对应频率下的信号的幅度（如果直流信号就比N）。这里涉及到的具体过程都是由单片机内编制的程序控制完成，在输出端口输出对应的电平信号，控制LED灯的亮灭。4.6 系统实验仿真系统仿真（system simulation），顾名思义，就是希望按照系统剖析的目标，在剖析系统各个部分特点及其彼此关系的基本层面上，建设一个能够形容系统构造或动作过程的、且拥备合理的逻辑关系或数量关系的仿照实体的模型，用它来进行实验和定量分析，目的是为了拥有各种信息为做出恰当正确的决策所服务。系统仿真在系统设计方面的作用是巨大的：仿真就是实验，可以系统地收集和积累各种利于完善该系统的信息；仿真模型可以简单明了的预测、分析和评价以后会遇到的各种问题；分解问题，使复杂问题简单化，便于分析；刺激思维，促进人脑设计构造更加合理优化的相似方案。近年来随着计算机仿真技术的高速发展，单片机仿真技术也随之取得了巨大提高。就现在看来，能够用于单片机仿真的工具实在不胜列举，虽然作用类似，但是它们的工作重心都不相同。一些主要测试软件，比较注重验证算法；另外一些用于硬件仿真的工具表现出的能力似乎有限，甚至于对有些较为复杂的硬件仿真已经束手无策。Proteus软件在单片机CPU及其外部器件仿真方面表现出优良能力，广受好评。Proteus仿真软件的优越特点主要有以下几条： （1）面对单片机软件仿真系统的标准它表现的尽善尽美，无一不足； （2）仿真能力及范围宽泛，模电、数电、单片机及外围电路都可以用其仿真； （3）目前支持的单片机类型范围比较宽泛，主要有68000系列、51系列、AAVR系列等，在应用方面都相当普遍； （4）支持有效的存储扩展及外围设备的引入，能够更加准确的模仿系统的具体工作。本次设计方案使用Proteus来实现系统仿真，具体步骤描述如下：第一步：安装Proteus软件，打开其绘制电路图的界面。第二步：按照之前所叙述的选用电路元件添加系统仿真所需的电器元件，依据设计的电路原理图连接电路元件和芯片端口完成该电路图。本设计所需元件有：AT89C51、LED灯、电动机、LM386、扬声器、ADC0832等。第三步：制作仿真文件，设置单片机属性，将程序音频信号等加入。第四步：单击绘图界面的开始图标，仿真执行，音乐喷泉开始运行，根据运行状态进行源代码的调试。总结与致谢经过这次的毕业设计让我学到了好多很扎实，很实用的东西。对音乐喷泉有了一个充分的认识。我们都知道水是生命之源，与我们的生活息息相关，世间万般物，水是最吸引人们注意力的。音乐喷泉，把水和音乐结合在了一起，让我们不仅感受到了音乐的魅力，陶冶性情，更让我们感受到了水的灵动，令人无限向往。音乐喷泉的发展也经历了一个繁琐又崎岖的过程，但是最终还是受到了极大地好评，而且音乐喷泉已经渐渐扮演起了很重要的角色，融入了我们的生活，成为了我们生活中不可或缺的一部分。在2016年的20国集团峰会的文艺现场，大型的音乐喷泉作为晚会的开场，可以明白其中的意义。所以，我认为在将来，音乐喷泉依然会有其用武之地，其发展会越来越好。本次设计我所做的是小型音乐喷泉的控制系统。在我的理解中，小型音乐喷泉造型优美，并且具有控制简单可靠，成本较低，经济实用的特点。对自我能力有了一个质的提升。加深了我对单片机技术、数控技术和机电一体化系统等知识的理解，方便以后再相关方面的应用。复习C语言课程，自学protei99 SE软件并使用该软件绘制电路原理图。通过解决设计过程中遇到的各式各样的问题，获得更多的知识以提升自己的专业能力。这次毕业设计的题目我能够顺利完成，这与 老师的帮助是分不开的，是她不辞辛苦悉心教导，若不是老师提出的许多有建设性的意见和指导，我相信我不会把这次的设计完成的这么漂亮。从设计方案的选择，硬件电路的设计，软件的设计，程序的编写直到最后仿真系统的制作完成，每一阶段的工作都受益于许老师的督促与指导。另外，这次毕业设计的完成与我同学的热心帮助也是分不开的，我们相互激励，互帮互助，互相找问题，查阅资料，讨论问题，解决问题，这一过程让我们彼此的专业能力都有所提高，也令我们对自己，对彼此有了一个新的充分认识，我们收获的不仅是知识还有友谊。参考文献1李启丙. 高精度多功能时间校验仪的研究与设计D. 电子科技大学, 2009.2王永生. 基于AMESim齿轮流量计仿真研究D. 安徽理工大学, 2010.3张焕增. 基于车地通信的可靠性检测装置关键技术的研究D. 上海工程技术大学, 2013.4朱彤. 群体机器人控制系统的设计与实现D. 上海交通大学, 2012.5周淑娟. 基于单片机的自动导引小车的设计方案J. 牡丹江大学学报, 2011(8):113-115.6杜洋. 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