基于單片機的音樂噴泉設計

1、基于單片機的音樂噴泉設計第一章音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設計1.1 控制系統(tǒng)硬件總設計方案1.2 音樂信號的采集1.2.1 音頻放大電路的設計1.2.2 采樣定理1.3 單片機電路1.3.1 單片機的概述1.3.2 時鐘電路的設計1.4 AD轉(zhuǎn)換電路1.4.1 ADC0809和單片機AT89C51 的連接1.4.2 輸入電路1.5 潛水泵調(diào)速硬件方案設計1.6 燈光硬件方案設計1.7 解決系統(tǒng)時間滯后硬件電路設計.第二章噴泉控制系統(tǒng)軟件設計2.1 噴池數(shù)據(jù)2.2 主程序框圖.2.3 控制潛水泵軟件設計模塊2.3.1 潛水泵開關(guān)調(diào)速的原理2.3.2 潛水泵開關(guān)調(diào)速的軟件設計2.4 控制電磁閥軟件設計模

2、塊2.5 歌曲存儲模塊2.5.1 音頻脈沖的產(chǎn)生2.5.2 音樂程序2.6 燈光控制模塊2.7 看門狗子程序2.8 實驗仿真第一章音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設計1.1 控制系統(tǒng)硬件總體設計方案該音樂噴泉控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，由音樂輸入系統(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)等組成。圖1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖1.2 音樂信號的采集前面已經(jīng)介紹過，本文的研究針對的是采用外部音源的噴泉系統(tǒng)，因此在對音樂信號進行特征識別前首先要完成對模擬音樂信號的采集。音樂信號的 采集主 要包括首頻放大和 A/D轉(zhuǎn)換兩個過程，下面分別進行分析。1.2.1 音頻放大電路的設計外部音源信號的幅度一般較弱，因此

3、必須要對原信號進行放大處理后才能送入 A/D 轉(zhuǎn)換器。本文選擇了LM386芯片設計音頻放大電路。LM386是美國國家半導體公司（NS推出的系列功率放大集成電路的一種，LM386具有功耗低、工作電壓范圍寬、所需外圍元件少等特點，在電子設備的音頻放大電路設計中 使用非常廣泛，它使用了10只晶體管構(gòu)成了輸入級、電壓增益和電流驅(qū)動級。其中 T1T6組成 PNP型復合差分放大器，T5、T6為鏡像恒流源， 作為 T3、T4 的有 6/32 源負載，使輸入級有穩(wěn)定的增益。電壓增益級由接成共發(fā)射極狀態(tài)的T7承擔，其負載也使用了恒流源，整個集成功放的開環(huán)增益主要由該級決定。T8、T9復合為一個 PNP管，和 T

4、10共同組成互補對稱射極輸出電路，以供 給負載以足夠的電流。D1、D2提供了 T8、T9、T10所需的偏置，使末級偏 置在甲乙類狀態(tài)。R5R7構(gòu)成內(nèi)部反饋環(huán)路。從圖 3.2.1可以看出，LM386采用雙列 8腳封裝結(jié)構(gòu)，它的工作電壓范圍為412V,靜態(tài)電流 4mA最大輸出功率 660mW最大電壓增益 46dB,增益帶寬 300kHz, 諧波失真 0.2%。圖1.2.1LM386封裝形式及引腳定義在 LM386的DataSheet上，提供了兩種典型放大電路的設計方案。一種LM386的1腳和 8腳之間不接其他元件，此時放大電路的增益僅由內(nèi)部 電阻 R5R7ft定，為 20倍數(shù)（26dB）,這種方式

5、外部電路元件最少，也 最為經(jīng)濟。另一種通過在1腳和 8腳之間用接不同的阻容元件，改變放大電路的交流反饋量，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。音樂信號的放大采集如圖2.2.2 所示。外部音源（聲卡、CD機等）的模擬音樂信號分左、右聲道分別進入放大電路，經(jīng) 過信號放大后，得到幅值放大后的音頻信號。從圖 3.2.2 可以看出放大電路 的具體設計。在 LM386的1腳和 8腳之間用接一個 10微法的電 容 C4,使內(nèi)部電阻 R6被交流旁路，放大電路的增益能達到最大值，200倍數(shù)（46dB）。再對音頻放大電路的外圍電路進行設計，電路中電容C1、C6作為隔直電容，電位器 P1用于調(diào)節(jié)音量的大小，元件R2、C5有

6、助于旁路高頻噪音和改善輸出的音質(zhì)。電容C3作為去耦電容，一方面是本集成電路的蓄能電容，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。電容 C2則是作為 旁路電容，將信號的中高頻噪音旁路到地。經(jīng)過放大電路的音頻信號就送 入 A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣，這里A/D轉(zhuǎn)換器要設置為雙極7/32性，即能接收負信號。圖2.2.2 音樂信號放大采集1.2.2 采樣定理采樣是指用一較高頻率的開關(guān)脈沖對模擬信號進行取樣，取出脈沖到來時刻 所對應的模擬信號的幅度，這樣就可以得到一連串幅度變化的離散脈沖。用這些離散脈沖序列代替原來時間上連續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。如圖3.2.2 所示，在對音樂信號進行放大處理后，就要通

7、過 A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號采集進計算機，這就是音樂信號的采樣。我們在對一 個連續(xù)的音樂信號進行采樣時，為了使采樣后的樣本序列能夠包含足夠的信息 以使其能夠較正確地重現(xiàn)原來的模擬信號，在采樣時應當使采樣頻率滿足采樣 定理的要求。采樣定理的描述為“對一個模擬信號進行離散化時，只要滿足采 樣頻率fs 大于或等于被采樣信號的最高頻率 fm的2倍，就可以通過理想的 低通濾波器，從樣本值序列信號中無失真地恢復出原始模擬信號"，這里的 fm 稱為香農(nóng)頻率，這個采樣定理又稱為香農(nóng)采樣定理。實際使用中為了較好的防 止頻譜混疊失真，采樣頻率一般要稍大8/32于信號最高頻率的 2倍。比如樂曲的音域頻段如果在

8、 50Hz4000Hz內(nèi)， 就要將 A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率選定為 10kHz,才能滿足香農(nóng)采樣定理的要 求。1.3 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 口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89C51單片機。AT89C511片機是一個低功耗，高性能的 51內(nèi)核的CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8K空間的可反復擦寫1000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。圖2.3 89C51芯片1.3.1

9、 單片機的概述AT89C51是美國ATME公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM和128 bytes的隨機存 取數(shù)據(jù)存取器（RAM，器件采用ATME公司的ATME公司的高密度、非易失性 存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU 和Flash存儲單元。AT89C5假供一下標準功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器， 128字節(jié)內(nèi)部RAM 32個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級 中斷結(jié)構(gòu)，一個雙全工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至0Hz9/3

10、2的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式 保存RAM+的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬 件復位。單片機有四個數(shù)據(jù)輸出端口，P0 口、P1 口、P2口、P3 口。由于P3 口還有許多特殊功能，如讀寫控制、串行通信、外部中斷等功能，所以P3 口不用作數(shù)據(jù)輸入輸出端口。P0 口具有很強的帶負載的能力，除了用作地址總線低八位以外， 還兼作訪問外接擴展程序內(nèi)存時數(shù)據(jù)總線以及和A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809L!接的資料線。P1 口、P2 口帶負載能力相對比教弱，而 P2 口需要用作訪

11、問外接內(nèi)存的 高八位地址線，因此P2 口也不作為數(shù)據(jù)輸入輸出口，剩下的 P1 口作為資料輸 出口。1.3.2 時鐘電路的設計AT89C515片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的 輸入端為XTAL1輸出端為XTAL2兩端跨接石英晶體及兩個電容就可以構(gòu)成穩(wěn) 定的自激振蕩器，如圖2-13所示：圖2-13自激振蕩器1.4 AD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，再采用全橋整流，濾波。使其成為直流信號， 再采用了 ADCfe路。其中AD芯片為ADC0832 ADC083刻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 輸入和參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V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)定性強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。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/O資1.4.1 音頻放大電路的設計1.4.2 采樣定理1.3 單片機電路1.3.1 時鐘電路設計1.4 AD轉(zhuǎn)換電路1.4.1 ADC0809和單片機AT89C51 的鏈接1.4.2 輸入電路1.5 潛水泵調(diào)速硬件方