【基于單片機的音樂噴泉系統設計與實現7800字（論文）】

基于單片機的音樂噴泉系統設計與實現摘要隨著人們生活水平的提高和建立綠色城市的向往，音樂噴泉以其獨特的魅力和特殊的功能，愈來愈成為休閑娛樂產業(yè)中的一項重要產品,音樂噴泉的興建也越來越多。在本次畢業(yè)設計中設計了基于AT89C51單片機為主的音樂噴泉系統，出了一個簡潔的單片機控制電路，分析了輸出地址，描述了不同類型的輸出電路和輸入電路；介紹了從特定構造的噴池中獲得決定噴池動作的噴池數據的原理；給出了主程序框圖和看門狗子程序。采用程序控制來控制花型。音頻信號還影響燈光色彩和燈光光線明暗的變化。從而使燈光色彩、燈光的閃爍和噴泉水姿隨音樂節(jié)奏而變化。關鍵詞：單片機；音樂噴泉；噴池數據目錄摘要 I1引言 12理論基礎 12.1音頻信號和模擬信號的采樣 12.2快速傅里葉變換算法 23系統總體方案設計 34設計電路原理 54.1單片機控制電路設計 54.2輸入電路與輸出電路設計 64.3ADC0832電路設計 74.4不同顏色的燈光硬件方案設計 85音樂噴泉系統軟件設計 86系統測試分析 96.1音頻脈沖產生測試 96.2潛水泵開關調速測試 107調試過程設計 117.1硬件測試 117.2軟件測試 11參考文獻 13附錄： 161引言近年來，隨著社會經濟建設發(fā)展，人們生活水平的提升，對于城市環(huán)境和日常生活要求越來越高，音樂噴泉作為一種具有觀賞性的藝術水景，逐漸在公園，廣場等公共場所出現。音樂噴泉其核心為可實時進行音樂頻譜解析，并且通過水柱高低的方式進行顯示，在生產過程中通常有兩種音頻頻譜顯示的方法：第一，通過模數轉換器以及濾波器進行音頻頻譜顯示；第二，采用DSP的方法進行頻譜運算處理。第一種方法中調試過程相對簡單，但成本較高，可用于一些高端場所中商業(yè)使用，而第二種方法在軟件調試方面流程復雜。AT89C51單片機具有低功耗等特點，這種類型的單片機具備16位ADC采樣系統，其數據運算速度較快，而且開發(fā)工具使用簡便，能夠將其連接于電腦USB接口，實現直接仿真過程?；诖?，單片機開發(fā)版有5路PWM波輸出端口，因而無法驅動8路噴泉，需要調用調頻器模塊模塊。2理論基礎2.1音頻信號和模擬信號的采樣音頻信號通常帶有音效，語音和音樂且具有規(guī)律的聲波頻率輔助信息載體。結合聲波特征將音頻信息分為規(guī)則以及不規(guī)則音頻聲音，其中規(guī)則音頻也可分為音效，音樂和語音，規(guī)則音頻是一種連續(xù)的模擬信號，能夠通過連續(xù)變化模擬調試，進而使其降低成為聲波。模擬音頻信號通過計算機進行處理，經過編碼，量化，采樣等環(huán)節(jié)進而使數字信號具有一定的處理價值。在這一過程中需要經過模擬數字轉換，即模數轉換，由于模擬信號無法進行直接處理，因此需進行音頻信號頻譜信息提取。采樣是指用一較高頻率的開關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。在對音樂信號進行放大處理后，就要通過A/D轉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稱為香農頻率，這個采樣定理又稱為香農采樣定理。實際應用中為了較好的防止頻譜混疊失真，采樣頻率一般要稍大于信號最高頻率的2倍。比如樂曲的音域頻段如果在50Hz~4000Hz內，就要將A/D轉換器的采樣頻率選定為10kHz，才能滿足香農采樣定理的要求2.2快速傅里葉變換算法快速傅里葉變化是由離散傅里葉轉換的一種快速算法，該算法能夠提升離散傅里葉算法的運行效率，在離散時域頻譜轉換過程中其應用較廣。快速傅里葉變換算法能夠分為按照時間抽取算法以及按照頻率抽取算法，其運算單元是其基本的運算單元。如下所示為所抽取時間的快速傅里葉變換算法具體原理。以N為長度的有限長序列，離散傅里葉變換如下公式(2-1)所示。(2-1)在該公式中過去傅立葉變換運算過程中，通常是以抽樣長度2的整數次冪作為特殊情況，由于抽樣長度能夠被2整除，因此能夠將抽樣長度分為兩個序列進行處理，其中一個序列是偶數點構成,的，另一個序列是由奇數點構成的，將兩個序列進行拆開后的1/2N點離散傅里葉變換能夠用下列公式(2-2)進行表示。(2-2)通過觀察原有信號可利用下列公式(2-3)進行表示。(2-3)在該公式中表示G[K]可以從1/2N長度序列展開，形成無限長度周期的1/2N序列，將兩端序列分別計算離散傅里葉變換序列形式組合，即能夠恢復原有長度的離散傅里葉變換的序列，具體過程如圖2-1所示：圖2-1離散傅里葉變換的序列利用離散信號長度為8作為本系統研究對象，在上述信號解析過程中，流程圖2-2所示：圖2-2離散信號長度為8離散變換圖傳統離散傅立葉變換算法中需要通過N2加法以及乘法完成運算，經過一次拆分之后運算僅需要經過N2乘法、加法即，可當N大于2時，此時N+2（N/2）2小于N2，能夠顯著提升運算效率。需要注意的是，在這一運算過程中存在明顯規(guī)律，可以發(fā)現，由g[n]到G[k]，以及由h[n]到H[k]，這一過程中離散傅里葉的變換長度為4，按照上述規(guī)律進行拆分，可獲得下列信號流程圖2-3：圖2-3信號流程圖采用傅立葉變換算法能夠確保實現準確計算，顯著降低離散傅立葉變換算法的難度，這種情況下可將音樂模式轉換輸出數字信號進行傅里葉變換處理，即能夠獲得音樂頻譜。3系統總體方案設計音樂噴泉是將音樂，水柱形狀和燈光進行加組合的系統。在物理學方面，聲音是由物體振動形成的物體，振動頻率不同則會導致聲音音調也會發(fā)生變化，基于此，要想獲得不同聲調構成的音樂，需選取合適的頻率即可實現。在這一過程中，需通過單片機來完成水柱形狀與燈光的有機結合，是通過計算機程序控制來實現的，進而會使所形成的水流隨同音樂燈光變化發(fā)生相應的變化。在每個細節(jié)中需要經過精確處理，一旦出現錯誤會影響整體實際呈現效果。使用單片機控制輸出不同頻率的信號，就可以產生不同的音調；利用單片機的計時系統可以控制各個音調的時間，即實現節(jié)拍的控制。音調和節(jié)拍按照樂譜排列就實現了樂曲演奏的功能。噴頭及彩燈分別與相應輸出點連接，通過程序實現每種音調都有對應的一組輸出點開關狀態(tài)組合，從而實現樂曲控制噴泉動作的功能。如下圖3-1設為系統總體設計結構圖。圖3-1系統總體設計結構圖音樂的播放可在開啟噴泉時，單片機根據有無音樂信號（計算機上播放或外部輸入），啟停噴泉。當有音樂信號時，獲取聲音強度，通過模擬量卡、實時輸出到變頻器，作用到變速電機上，使噴頭噴水產生隨音樂起伏的效果。單片機控制系統具有啟動噴泉、燈光，捕獲音樂，產生輸出控制，顯示當前音樂，噴泉、燈光狀態(tài)，停止噴泉、燈光等功能，同時對各組噴頭進行一定時間內的一定規(guī)則內的隨機輪換。系統實現了樂曲演奏、樂曲選擇、樂曲序號顯示、噴泉水柱控制、彩燈控制等功能。物體振動產生聲音，而振動的頻率決定音調高低，因此使用單片機控制輸出不同頻率的信號，就可以產生不同的音調；利用單片機的計時系統可以控制各個音調的時間，即實現節(jié)拍的控制。音調和節(jié)拍按照樂譜排列就實現了樂曲演奏的功能。噴頭及彩燈分別與相應輸出點連接，通過程序實現每種音調都有對應的一組輸出點開關狀態(tài)組合，從而實現樂曲控制噴泉動作的功能。4設計電路原理4.1單片機控制電路設計單片機要采集音樂信號，并據此調節(jié)I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89C51單片機。AT89C51單片機是一個低功耗，高性能的51內核的CMOS8位單片機，片內含8K空間的可反復擦寫1000次的Flash只讀存儲器，具有256bytes的隨機存取數據存儲器（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。因此，本次設計選擇MCS-51系列的AT89C51芯片作為為硬件核心電路。電路設計圖如圖4-1。圖4-1ADC輸入電路設計AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取數據存取器（RAM）,器件采用ATMEL公司的ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。AT89C51提供一下標準功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個雙全工串行通信口，片內震蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz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/計數器，串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，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。單片機有四個數據輸出端口，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口不用作數據輸入輸出端口。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存時數據總線以及與A/D轉換器ADC0809L連接的資料線。P1口、P2口帶負載能力相對比教弱，而P2口需要用作訪問外接內存的高八位地址線，因此P2口也不作為數據輸入輸出口，剩下的P1口作為資料輸出口。4.2輸入電路與輸出電路設計在本次設計中，輸入電路是指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強弱等進行檢測并將檢測電源電路到的信號以電平、脈沖或者數字形式傳送到單片機的電路。因為有了它，音樂已經不再是背景音樂，音樂已經用來控制整個噴池的動作與否，因而達到了音樂噴泉最基本的要求。奏曲信號電路的框圖如圖4.2所示。左右兩路立體聲信號經過混合后經限制幅放大電路放大，這樣即使是極弱的樂曲信號也能有足夠強度的信號輸出。整流濾波電路用以將交變信號轉為單向信號。電壓比較器用以將大于基準電壓的單向信號變換成低電平有效的奏曲信號由之端輸出。通過調整基準電壓，可以使電路既不受干擾的影響又靈敏度最大。奏曲信號電路的輸出經R5送至光耦4N35在單片機P1.5引腳產生一低電平信號。如圖4-2所示。圖4-2單片機控制電路圖將樂曲音頻信號進行緩沖放大、高中低分段分頻、直流變換、數字量變換、驅動放大輸出等處理，形成能夠進行檢測并將檢到的信號以電平、脈沖或者數字形式送至單片機的電路。另外還設置模擬信號強弱調節(jié)及數字信號閥值（門檻比較電壓）調節(jié)，以適應各種不同的信號，方便噴水以及燈光的動作靈敏度的調節(jié)，同時設置了相應的電平及閥值顯示燈，具有良好的操作界面。輸出電路是指接于74HC373各Qi端的電路。圖4-2為使用雙向可控硅BCR的輸出電路。由于74HC373的輸出電流遠遠小于BCR所需要的觸發(fā)電流，故加入外圍驅動電ULN2003A的一個單元。其輸入端所接的LED用于指示電路狀態(tài)，使用高亮度3紅LED，當Qi為高電平+5V時LED能正常發(fā)光，實測電流為0.8mA多，足以使2003A輸出端飽和而吸收近30mA的觸發(fā)BCR的電流。圖4-3中產生觸發(fā)電流的+9V電源來自+5V穩(wěn)壓電源的未穩(wěn)壓端，以減輕穩(wěn)壓塊的負擔。閉合圖4-3中的開關K，程序會向各輸出寄存器輸出數據FFH，用以檢測從單片機到各BCR之間的各輸出回路是否正常。圖中RL可以是彩燈、電磁閥的線圈，也可是用以控制水泵電機的接觸器線圈。電路圖如圖4-3所示。圖4-3BCR輸出電路設計4.3ADC0832電路設計DC0832的時鐘信號來自單片機89C51的ALE信號，89C51采用12MHz時鐘頻率，ALE為2MHz，經四分頻后為500KHz作為ADC0832的時鐘頻率。用P2.7控制A/D轉換的啟動與轉換結束后數字量的讀取。ADC0832的地址鎖存允許管腳（ALE）H和啟動管腳（START）相連。由P2.7和WR信號經或非門提供的信號使P0.2—P0.0提供的3位通道地址送入ADC0832進行鎖存，用以選取通道號。轉換結束信號EOC作為查詢信號。具體接口電路如圖4-4所示。圖4-4ADC電路設計4.4不同顏色的燈光硬件方案設計在本次設計中使用LED水下低壓彩燈。LED-水下彩燈系列除廣泛使用于噴泉，瀑布水下照明外，還可用于假山，橋梁等投光照明。水下照明采用LED水下低壓彩燈兩個，閃光彩燈采用不同顏色的發(fā)光二極管。電路設計圖如圖4-5所示。圖4-5彩燈電路圖5音樂噴泉系統軟件設計程序RESET后，進入0000H開始的主程序，其流程如圖5-1所示?？梢钥闯觯篜1.4上的開關K決定是否測試輸出通道；樂曲是否演奏決定了噴池是否有動作，即P1.5的電平；撥碼開關的設定值決定了延遲多少倍的0.1秒時間，即噴池動作改變的時間間隔；奏曲每停一次（大多數樂曲奏曲中間不會停），下次再奏曲就換一組花樣數據，若用完了最后一組，以后就從頭再取。也就是多個樂曲一次輪流循環(huán)使用編制好的噴池花樣數據。圖5-1主程序流程圖6系統測試分析6.1音頻脈沖產生測試若要產生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率），再將此周期除以2，即為半周期的時間。利用定時器計時半周期時間，每當計時終止后就將I/O反相，然后重復計時再反相。就可在I/O引腳上得到此頻率的脈沖。利用單片機的內部定時器使其工作計數器模式（MODE1）下，改變計數值TH0及TL0以產生不同頻率的方法產生不同音階，例如，頻率為523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令計數器計時956μs/1μs＝956，每計數956次時將I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。表6.1C調各音符頻率與計數值T的對照表音符頻率Hz簡譜碼(T值)音符頻率Hz簡譜碼(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7SI1967652836.2潛水泵開關調速測試潛水泵調速電路中，L、M、H分別為單相潛水泵的低速抽頭、中速抽頭和高速抽頭，單相潛水泵采用電容運行方式，三個抽頭與電源的連接由三個雙向晶閘管TL、TM、TH來控制，當TL導通時潛水泵的低速抽頭與電源連接，潛水泵低速運轉，同樣，TM導通時潛水泵中速運轉，TH導通時潛水泵高速運轉。我們采用分時接通L、M、H的方法，可以調節(jié)潛水泵的轉速，使?jié)撍毛@得十八檔轉速的變速能力。設電源頻率為50HZ，其周期為0.02S，取調速周期TS=6T（T為電源周期），低速調速時，調速周期內不接通任何一個晶閘管，則潛水泵的轉速0，調速周期內全接通晶閘管TL，則潛水泵低速運轉，但如果在6個電源周期內，N個周期接通晶閘管TL（0≤N≤6），其他時間不接通。那么，在潛水泵的低速下可獲得6檔更低的轉速。同樣，中速調速時，調速周期內全接通晶閘管TL，則潛水泵低速運轉，全接通晶閘管TM，則潛水泵中速運轉，如果在6個電源周期內N個周期接通晶閘管TM，（6-N）個周期接通TL，那么在潛水泵的低速和中速之間可獲得6檔轉速。同樣道理，在中速和高速間又可獲得6檔轉速。由此可見采用分時接通的方法，可以使?jié)撍镁哂惺藱n轉速的調速能力。7調試過程設計微機控制系統設計完成之后，最主要的任務就是調試。本次系統調試主要對單片機程序進行調試，首先采用仿真器進行程序運行仿真，然后采用編程器程序燒錄進行硬件測試。調試工作一般分為2塊進行：硬件調試和軟件調試。7.1硬件測試電路檢測過程中，發(fā)現很多低級的錯誤，大多數都是因為線路連接的錯誤和引腳沒有連接正確。電路設計的不夠周全，導致手動布線很亂，對電路的檢查造成了極大的困難和不便。該系統所涉及的各部分硬件電路，總體的特點是：1、電路原理簡單，所用的器件均為常用器件。2、由于電路連線較多，因此，應合理布線，以降低焊接難度，降低出錯率，同時防止干擾。雖然存在一些問題，經過仔細檢查并修改，硬件電路中不存在低級的錯誤，硬件電路良好。7.2軟件測試軟件調試采用單片機keil軟件，結合Proteus軟件，可進行基于單片機的可視化軟硬件仿真，可以有效的減少系統開發(fā)的資源。在軟件的調試過程中，綜合利用了設定斷點、單步、跟蹤等調試手段，使得調試工作更易進行。這樣每個模塊都調試成功后，編譯連接程序，進行整個程序的調試運行。結論噴泉不但是園林、城市街道廣場和公共建筑等的裝飾品之一，而且它的出現給人們帶來了無限的歡樂，并且單一的噴泉逐步發(fā)展成種類繁多、造型優(yōu)美、花型變化靈活的音樂噴泉，同時加上燈光藝術，使噴泉更加華麗、更加引人注目，因此成為現代社會較為流行的一種觀賞景觀。音樂噴泉的開發(fā)研究具有很大的發(fā)展前景，目前國內外同行業(yè)的技術無不體現著高科技技術在娛樂業(yè)的廣泛應用。本文闡述的只是一些初步的研究與開發(fā)，如何提高音樂節(jié)拍與噴泉的同步，全面考慮音樂的要素的識別和提取、實現音樂與噴泉的完美結合應該是一個艱巨的挑戰(zhàn)。本次畢業(yè)設計采用來自AT89C51的單片機，針對音頻信號經過傅里葉轉換處理和模數轉換，獲得良好的頻率。最終能夠結合播放音樂頻率進行數據變化。呈現良好的音樂噴泉視覺效果。在系統設計中，運用單片機實現了樂曲播放和流量及花形控制；運用Protel軟件設計出了控制系統的控制電路。不過在整個設計過程中自己也懂得了許多東西，也培養(yǎng)了獨立思考和設計的能力，樹立了對知識應用的信心，相信會對以后的學習工作和生活有著非常大的幫助，并且提高了自己的動手實踐操作能力，使自己充分體會到了設計過程中的喜悅。在整個設計以及硬件制作中，存在一定的缺陷，沒有達到預期的目標。設計中考慮問題不夠全面，總的來講，在整個過程中，使我學會了好多在課本學不到的知識，同時，也鍛煉了我獨立完成任務的能力，以及解決問題的方法和對存在問題的分析能力。在整個設計過程中，我看到了自己對專業(yè)知識領會中存在的不足，還有好多知識，并沒有完全的掌握，還有好多知識，我必須去學習。在整個設計過程中，學到了很多在課堂上學不到的，是我在這次設計中的最大收獲和財富，受益頗多。參考文獻[1]蒲珊珊.基于8751單片機的音樂噴泉控制系統設計[J].機械制造與自動化,2011(01):161-164.[2]李飛,張冬梅,常弘煜,等.基于單片機的音樂噴泉控制系統設計[J].智能城市,2018,4(10):172-173.[3]王志遠,劉宣宇.基于單片機輸出PWM波控制的音樂噴泉系統設計[J].國外電子測量技術,2018,037(004):113-117.[4]許可欣,張鑫雨,李鑫雨.基于單片機的簡易音樂噴泉設計[J].山東工業(yè)技術,2018,No.269(15):130-130.[5]栗興良,馬牧燕,莫蔚靖.基于單片機的微型音樂噴泉的設計[J].現代計算機:上下旬,2015.[6]王選誠,蘇鳳,孫玉梅,等.基于AT89C51單片機的音樂噴泉控制系統設計[J].傳感器世界,2016,22(3):39-42.[7]張開碧,羅蓉,許倩憶.基于STC89C52單片機音樂噴泉控制的設計[J].科技信息,2012,000(033):51-52.[8]倪軍遠.基于AT89C51型單片機的小型音樂噴泉的設計[J].山西電子技術,2016(3):10-11.[9]蔣進田,陽泳,胡湘娟.基于微控制器的小型家庭式音樂噴泉[J].數字技術與應用,2015,000(010):23-23.[10]龐婷婷,李盼,陳楊陽,等.基于單片機的音樂噴泉系統[J].科技信息,2013(35):126-127.[11]姚慧敏.單片機控制的音樂噴泉硬件系統設計[J].汽車世界,2019,000(016):P.116-117.[12]張長君,王連濤.單片機控制在音樂噴泉中的應用[J].計算機工程與設計,2006(10):1905-1907.[13]鄧和蓮.用單片機設計的音樂噴泉控制器[J].機電工程技術,2008,37(1):48-50.[14]宋春蕾.設計模式在音樂噴泉控制系統中的應用[J].科技信息,2006.[15]丁潔.基于音樂特征識別的音樂噴泉計算機輔助設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2019,019(007):44-46.[16]宋春蕾.設計模式在音樂噴泉控制系統中的應用[J].科技信息,2006,000(01S):147-147.[17]王連濤.音樂噴泉的單片機控制[J].電子世界,2005,000(005):21-22.[18]屈子琦,胡正國,呂詩如.一種小型音樂噴泉的設計制作[J].湖南工業(yè)大學學報,2016,30(006):50-54.附錄：1、總電路設計圖2、程序#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitout=P3^7;sbitout2=P2^0;sbitout3=P2^1;sbitout4=P2^2;sbitled1=P0^7;sbitled2=P0^6;sbitled3=P0^5;sbitled4=P0^4;sbitled5=P0^3;sbitled6=P0^2;sbitled7=P0^1;sbitled8=P0^0;sbitSCL=P1^2; //SCL定義為P1口的第3位腳，連接ADC0832SCL腳sbitDO=