基于單片機(jī)的微型音樂(lè)噴泉的設(shè)計(jì)

栗興良，馬牧燕,莫蔚靖

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

基于單片機(jī)的微型音樂(lè)噴泉的設(shè)計(jì)

栗興良，馬牧燕,莫蔚靖

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

音樂(lè)噴泉由于具有極高的觀賞性，應(yīng)用越來(lái)越多，但基本上都建于室外。對(duì)于如何設(shè)計(jì)一款可以放在辦公桌上的音樂(lè)噴泉進(jìn)行研究，論述一個(gè)以單片機(jī)為核心的適用于室內(nèi)使用的小型移動(dòng)式音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)，介紹相關(guān)電源，驅(qū)動(dòng)，程序等問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路和具體實(shí)現(xiàn)方法。

微型音樂(lè)噴泉；單片機(jī)；STC12C5A60S2；ICL7660

0 引言

音樂(lè)噴泉是一種為了娛樂(lè)而創(chuàng)造出來(lái)的可以配合音樂(lè)和燈光而噴出節(jié)奏性水柱的觀賞品，極具觀賞效果。到二十一世紀(jì)初，大中型音樂(lè)噴泉已經(jīng)發(fā)展比較完善，而相比之下桌面微型音樂(lè)噴泉卻很少有人去做。目前，一般在公共場(chǎng)所的音樂(lè)噴泉只是單純地將噴泉的高低與音樂(lè)簡(jiǎn)單配合，不能反映音樂(lè)的真正旋律；或者是需要非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，成本也高，大多是只能現(xiàn)場(chǎng)觀看，無(wú)法隨意移動(dòng)[2]。所以，設(shè)計(jì)一套桌面微型音樂(lè)噴泉系統(tǒng)，非常有意義。“桌面微型音樂(lè)噴泉”將大型廣場(chǎng)式的音樂(lè)噴泉系統(tǒng)引入室內(nèi)，放在了辦公桌上，是一種小巧靈活、隨環(huán)境音樂(lè)源或指定音樂(lè)源動(dòng)態(tài)變化的多功能室內(nèi)觀賞品。它集MP3音樂(lè)播放、噴泉等于一體，把聲、光、水組合巧妙地結(jié)合起來(lái)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為智能系統(tǒng)主控單元，輔之以適當(dāng)?shù)能洝⒂布K設(shè)計(jì)完成以單片機(jī)為核心的音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)。有硬件設(shè)計(jì)和軟件編程兩部分，硬件設(shè)計(jì)主要是電路設(shè)計(jì)和箱體設(shè)計(jì)，軟件部分主要是設(shè)定水泵的噴水高度以及LED燈組的閃亮方式。

按照功能和電路特點(diǎn)，該系統(tǒng)主要分為四個(gè)模塊：

（1）音樂(lè)播放模塊，考慮到現(xiàn)在音源越來(lái)越先進(jìn)，音頻輸出設(shè)備越來(lái)越豐富，所以本系統(tǒng)設(shè)置音頻輸入端子，由外部提供音頻輸入。可以由MP3、電腦、手機(jī)等音頻播放設(shè)備提供音源。

（2）信號(hào)采集模塊，對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，方便單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要有放大、濾波[1]。

（3）數(shù)字信號(hào)處理模塊，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)數(shù)字信號(hào)處理程序，并根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度，來(lái)確定LED燈的閃爍方式，以及水泵的轉(zhuǎn)速。

（4）驅(qū)動(dòng)模塊，為L(zhǎng)ED燈組和水泵提供驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)整體框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為電源設(shè)計(jì)、放大濾波電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)電路、LED驅(qū)動(dòng)、水泵驅(qū)動(dòng)等幾部分。

（1）電源電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中電壓要求不能低于5V，采用9～12V電源供電。實(shí)際購(gòu)買元器件為藍(lán)天禾科技有限公司的IT-CEO V0122A電源適配器，輸出電壓為12V，最大輸出電流為2A。整個(gè)系統(tǒng)分為正負(fù)兩種電壓，正電壓部分采用LM78105穩(wěn)壓到5V，電路如圖2。

圖2 正5V穩(wěn)壓電路

負(fù)電壓穩(wěn)壓電路主要為放大電路提供電壓，由于放大電路工作電流在30mA左右，所以選取最大電路在100mA左右即可。ICL7660的靜態(tài)電流典型值為170μA，輸入電壓范圍為1.5～10V(Intersil公司ICL-7660A輸入電壓范圍為1.5～12V），工作頻率為10 kHz，只需外接10 kHz的小體積電容（如圖3），只需外接10μF的小體積電容效率高達(dá)98%合輸出功率可達(dá)700mW（以DIP封裝為例），最大輸出電流100mA。所以選取ICL7660作為該系統(tǒng)的負(fù)電壓芯片。

圖3 負(fù)5V電壓產(chǎn)生電路

（2）模擬信號(hào)處理部分，該部分電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大濾波。經(jīng)過(guò)測(cè)試，一般音頻播放器輸出電壓在0～0.2V，而單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換范圍為0～5V，為了提高精確度，需要把電壓放大到4V左右，所以放大倍數(shù)選20倍即可。具體電路如圖4。運(yùn)放芯片選擇OP07[8]，OP07相比其他運(yùn)算放大器，有更高的靈敏度，而且失調(diào)電壓小，不需要額外的調(diào)零措施，利于電路的簡(jiǎn)化，供電電壓為±3V～±22V，需要雙電源，所以本系統(tǒng)采用±5V供電。

人耳能夠感受到的聲音頻率為20Hz～20kHz，所以設(shè)定帶通濾波器的上限為20kHz，下限為20Hz。電路中，電阻R2與電容C6組成低通濾波器，根據(jù)公式

將R2=200kΩ代入可得C6=0.398uF,故取C6= 400nF，電阻R1與電容C7組成高通濾波器，R1=10kΩ代入公式可得C7=0.795nF，故取C7=1nF。

圖4 放大濾波電路

（3）數(shù)字信號(hào)處理電路，該部分利用單片機(jī)STC-12C5A60S2對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行PWM定時(shí)，LED燈設(shè)定。單片機(jī)直接購(gòu)買最小系統(tǒng)，各管腳按手冊(cè)要求連接電路，Vcc接5V電源，P1.0腳接經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。P1.3接水泵控制PWM控制端，發(fā)出PWM信號(hào)。P0.0接LED燈組控制端。

（4）驅(qū)動(dòng)電路。水泵電流較大，采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)。L298N驅(qū)動(dòng)芯片是市場(chǎng)上應(yīng)用非常成熟的一款驅(qū)動(dòng)芯片，耐高壓、大電流，通過(guò)TTL邏輯電平信號(hào)控制輸出電流大小。

LED電流較小，用9012三極管做開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)LED組。PNP型三極管9012最大集電極電流為500mA，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

圖5 單片機(jī)程序流程圖

經(jīng)過(guò)放大濾波之后的信號(hào)需要對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器,速度可達(dá)到250kHz(25萬(wàn)次/秒)。本系統(tǒng)將STC12C5A60S2單片機(jī)的P1.0作為模擬信號(hào)的兩路輸入。單片機(jī)ADC寄存器結(jié)構(gòu)如表1。

表1

取8位結(jié)果，計(jì)算公式為：

部分程序代碼：

然后判斷R的大小，將R通過(guò)一定的比例因子線性變換成PWM設(shè)置函數(shù)的參數(shù)。

STC12C5A60S2自帶兩路PWM寄存器，寄存器結(jié)構(gòu)如表2。

表2

CPS2、CPS1、CPS0是PCA記數(shù)脈沖源選擇控制位。

用函數(shù)PWM_INIT()進(jìn)行PWM初始化

利用對(duì)CCAP0H，CCAP0L，CCAP1H，CCAP1L值的設(shè)定編寫(xiě)PWM占空比函數(shù)

具體參數(shù)設(shè)置大小需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試，由于本系統(tǒng)較小，水箱設(shè)計(jì)的尺寸也較小，所以水泵噴水高度不能太大。經(jīng)過(guò)測(cè)試，水泵噴水最高對(duì)應(yīng)CCAP0H值為125，最低對(duì)應(yīng)CCAP0H值為20。參數(shù)設(shè)置過(guò)大，容易使水柱溢出，甚至?xí)驗(yàn)樗秒娏鬟^(guò)大而燒壞電路，設(shè)置過(guò)小，電流大小不足以驅(qū)動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法噴出水柱。

水箱的設(shè)計(jì)中，每一個(gè)出水口都配有一個(gè)不同顏色的LED，所以，LED燈組采用規(guī)律性閃爍的方式。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2，該單片機(jī)是51單片機(jī)的升級(jí)版，指令完全兼容51系列單片機(jī)，價(jià)格跟51單片機(jī)相仿，速度卻是51單片機(jī)的10倍，自帶A/D、PWM等寄存器資源，非常方便擴(kuò)展。作為數(shù)字電路，該系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地通過(guò)修改程序，改變水泵的噴水方式，以及LED燈組的閃爍效果。

最終設(shè)計(jì)結(jié)果，音頻輸入由MP3提供，電源、放大、濾波電路在萬(wàn)用板焊接，單片機(jī)放置在專門的單片機(jī)座上，水箱高度約15cm，水泵分四路噴水，每路水柱旁邊安裝LED小燈，不同水柱安裝的LED燈組顏色不同，這樣使燈光更加的絢麗。

音頻輸出使用自帶的擴(kuò)聲模塊，或者通過(guò)音頻插孔，輸出到外接音箱。建議音頻輸入和輸出都采用專用設(shè)備，那樣會(huì)使系統(tǒng)音質(zhì)更好，配合燈光和水柱美輪美奐的效果，才更能給人美的享受。

[1] 張長(zhǎng)君,王連濤.單片機(jī)控制在音樂(lè)噴泉中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2006,27(10).DOI:10.3969/j.issn.1000-7024.2006. 10.061

[2] 王方華,周永宏,趙雪嬌等.基于AT89S52單片機(jī)的室內(nèi)音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)[J].科技資訊,2010(29).DOI:10.3969/j.issn.1672-3791. 2010.29.010

[3] 高紹坤,秦雷,王秋生.基于C8051F單片機(jī)的移動(dòng)式音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008(8):62～64

[4] 張可菊,黃金菡.基于單片機(jī)的音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子制作,2014(4)

[5] 李檸,張殿富.基于單片機(jī)的智能小車速度控制設(shè)計(jì)[J].科技視界,2012(28)

[6] 張均,廖建波.小型音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999(4):619～621

[7] 莊順萬(wàn).音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所,2002

[8] 石飛飛,馬辰.基于OP07和LTC1543溫度采集模塊的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010(12)

Design of Mini Music Fountain Based on SCM

LI Xing-liang，MA Mu-yan，MO Wei-jing
(School of Instrumentation Science&Optoelectronic Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192）

The music fountain has highly ornamental value and it is applied more and more.But it is usually built in the outdoors.Discusses how to design a musical fountain which can be placed on the table.It is also a mini mobile music fountain control system,suitable for indoor use,with SCM at the core.Introduces the design ideas and implementation methods about the related power supply,supply-driven,procedural issues and so on.

Mini Music Fountain;SCM;STC12C5A60S2;ICL7660

1007-1423（2015）03-0061-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.03.017

栗興良（1986-），男，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)技術(shù)

馬牧燕（1961-），女，北京人，研究生，副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理

2014-11-28

2014-12-08

北京信息科技大學(xué)本科生培養(yǎng)-大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目資助（No.PXM2014_014224_000079）、專業(yè)建設(shè)-光信息科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目資助（No.PXM2014_014224_000066）

莫蔚靖（1994-），男，北京人，本科，光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)