一種小型音樂噴泉的設(shè)計(jì)制作

屈子琦，胡正國，呂詩如

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

一種小型音樂噴泉的設(shè)計(jì)制作

屈子琦，胡正國，呂詩如

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

通過對比目前各種噴泉控制系統(tǒng)的控制方式，利用單片機(jī)作為控制芯片設(shè)計(jì)制作一個(gè)噴泉控制系統(tǒng)，選用小型直流電機(jī)控制水型變化，LED彩燈進(jìn)行燈光渲染，音頻功放電路實(shí)現(xiàn)音樂播放。通過仿真測試及實(shí)物制作驗(yàn)證，該方法切實(shí)可行，能夠很好地實(shí)現(xiàn)音樂、噴泉、燈光之間的配合。

音樂噴泉；模數(shù)轉(zhuǎn)換；PWM控制

0 引言

現(xiàn)代噴泉能借助水泵將低處的水加壓后經(jīng)管道壓至噴頭，再經(jīng)過噴頭的各種動作形成按照人們意愿變化的水型[1]。在社會經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的浪潮下，人居環(huán)境逐步提升[2]。尤其在鋼筋混凝土構(gòu)成的城市中的人們，渴望在閑暇之余欣賞一段美妙的音樂，觀賞一段精彩的噴泉表演。因此，實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生了一種將音樂與噴泉相結(jié)合的音樂噴泉，它將現(xiàn)代控制技術(shù)與藝術(shù)融為一體，通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的控制功能將聲、光、色完美結(jié)合，并產(chǎn)生千變?nèi)f化的燈光水型變化。音樂噴泉不僅能滿足人們的精神需求，還能夠降低空氣溫度，特別對于當(dāng)前頻發(fā)的霧霾天氣，也能起到凈化空氣的作用。

1 控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，噴泉控制技術(shù)也越來越科學(xué)。為了滿足人們的需求，各種最新的技術(shù)應(yīng)用于其中。從最初的預(yù)先編寫好程序讓噴泉按照設(shè)定的程序動作，到后來的根據(jù)音樂節(jié)奏進(jìn)行編碼控制噴泉動作，再到現(xiàn)在的實(shí)時(shí)聲控，每一種技術(shù)都體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)最新的技術(shù)。

目前，大型音樂噴泉的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，技術(shù)也已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在小型音樂噴泉的研究上尚未完全成熟，許多方面還不盡人意。由于應(yīng)用的場地不同，大型噴泉一般規(guī)模較大，所采用的控制方式較復(fù)雜，所需的控制電路也相應(yīng)變得復(fù)雜，大型噴泉上應(yīng)用的設(shè)備也不能很好地移植過來，并且大多數(shù)噴泉只能在室外現(xiàn)場觀看，無法進(jìn)入室內(nèi)。當(dāng)前大部分音樂噴泉只是簡單地將音樂跟噴泉相對應(yīng)[3]，而很少真正通過噴泉去表現(xiàn)音樂的旋律。為此，有針對地設(shè)計(jì)一種小型的多功能音樂噴泉。其功能包括音樂播放、空氣加濕、養(yǎng)魚、噴泉、盆景等，同時(shí)具備位置可移、水流可控、音樂可隨時(shí)更換等特點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)工作原理

在當(dāng)前的噴泉控制中，最常采用的是PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)控制系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)[4]。PLC控制系統(tǒng)簡單、可靠性高，但因其成本較高，一般只應(yīng)用于大型控制系統(tǒng)中。工控機(jī)是一種專門為各種工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，它能夠適應(yīng)各種環(huán)境，且能長時(shí)間工作但造價(jià)較高。而噴泉一般是間歇性工作[5]，在此選用性價(jià)比相對較高的單片機(jī)進(jìn)行控制，它能夠基本實(shí)現(xiàn)對噴泉系統(tǒng)的控制，且體積小、結(jié)構(gòu)相對簡單、成本較低。

由于設(shè)計(jì)的是一種小型的音樂噴泉，所以不再采用傳統(tǒng)的電磁閥進(jìn)行噴泉水型變化的控制，而是選用直流電機(jī)控制[6]。通過單片機(jī)處理產(chǎn)生的PWM（pulse width modulation）控制信號控制噴泉水型變換[7]。

設(shè)計(jì)的噴泉控制系統(tǒng)其工作原理如圖1所示，控制思路是利用信號采集處理電路進(jìn)行信號的采集處理，經(jīng)過預(yù)處理的信號為模擬信號，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至控制芯片內(nèi)部，通過程序控制芯片對電路中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和彩燈發(fā)出相應(yīng)的控制信號，從而實(shí)現(xiàn)噴泉、燈光、音樂的完美結(jié)合。其中電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)向其發(fā)送PWM信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，從而間接改變噴泉水型變化[8]。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig. 1 A schematic diagram of the control system

3 硬件電路設(shè)計(jì)

采用價(jià)格較便宜的STC89C52RC單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制芯片，系統(tǒng)硬件電路原理如圖2所示。

圖2 硬件電路原理圖Fig. 2 Schematic diagrams of the hardware circuit

電路整體分為電源轉(zhuǎn)換、信號采集及轉(zhuǎn)換、主控制電路、音頻功放、電機(jī)驅(qū)動幾個(gè)部分。以下是對其中主要電路進(jìn)行簡要說明。

3.1 電源電路的設(shè)計(jì)

由于噴泉采用的水泵電機(jī)是12 V直流電機(jī)，為減少系統(tǒng)成本，采用一個(gè)12 V直流電源供電，但單片機(jī)芯片的正常工作電壓為5 V，因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)12 V轉(zhuǎn)5 V的降壓電路[9]。在此，直接采用一個(gè)三端集成的穩(wěn)壓管L7805進(jìn)行降壓，該芯片內(nèi)部集成過流、過熱保護(hù)電路，用一個(gè)簡單電路即可實(shí)現(xiàn)12 V到5 V的電壓轉(zhuǎn)換，在穩(wěn)壓管的輸出端輸出5 V直流電為單片機(jī)供電。

3.2 信號采集及轉(zhuǎn)換

此次設(shè)計(jì)的信號來源是針對音樂播放器所播放的歌曲，一般從外部所采集的信號較弱，且該信號為連續(xù)的模擬信號，為此須先對采集信號進(jìn)行放大濾波處理，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的數(shù)字信號，送到單片機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行處理。

為進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，選用一種常用的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，該芯片是一個(gè)8位分辨率、雙通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用它可將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。表1為芯片引腳功能說明。

表1 ADC0832引腳功能說明Table 1 ADC0832 pin functions

在芯片片選使能端為高電平時(shí)不進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在使能端為低電平時(shí)開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并需保持至轉(zhuǎn)換完成。由單片機(jī)發(fā)出信號到D0和D1端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通道的選擇，開始轉(zhuǎn)換時(shí)芯片接受外部時(shí)鐘脈沖信號。輸入通道的選擇由第2, 3個(gè)脈沖下降沿到來之前D1端的數(shù)據(jù)決定。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換從第4個(gè)脈沖開始。

3.3 主控制電路

控制芯片選用STC89C52RC單片機(jī)。這是一種集成CPU、RAM、ROM、I/O和中斷系統(tǒng)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器于一體而構(gòu)成的一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[10]。它具備計(jì)算機(jī)的基本功能，且結(jié)構(gòu)簡單，其內(nèi)部能夠根據(jù)程序?qū)斎胄盘栠M(jìn)行處理并輸出相應(yīng)的控制信號。以此控制芯片作為噴泉控制系統(tǒng)的核心，主要功能是對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片發(fā)出轉(zhuǎn)換指令，并將處理過的音頻信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM信號控制電機(jī)及彩燈。單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路及電源組成，是一個(gè)能保證單片機(jī)正常工作的最小單元電路。

3.4 電機(jī)驅(qū)動電路

由于本設(shè)計(jì)的噴泉是一種小型的音樂噴泉，傳統(tǒng)利用電磁閥控制水型變化的方式會使整個(gè)系統(tǒng)體積增加，為此采用一種微型水泵對噴泉水型變化進(jìn)行控制。經(jīng)綜合考慮擬選用一種12 V直流電機(jī)作為水泵，其工作電流為1 A，垂直的最大揚(yáng)程50 cm。從單片機(jī)I/O口輸出的電流值一般較小，達(dá)不到電機(jī)正常工作的電流，因此設(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)驅(qū)動電路，根據(jù)單片機(jī)輸出的高低電平控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。驅(qū)動電路的放大元件選用NPN三極管8050和PNP型中功率三極管TIP42C，其中的二極管選用1N4007，作為電機(jī)的反接保護(hù)。本設(shè)計(jì)中只采用了6個(gè)電機(jī)進(jìn)行噴泉模擬，根據(jù)不同情況，若需要控制更多的電機(jī)可在單片機(jī)的輸出端口擴(kuò)展輸出，相應(yīng)地只需在程序中做一些微調(diào)。

3.5 LED彩燈控制電路

為增加噴泉的視覺效果，還設(shè)計(jì)了彩燈電路，燈光效果利用不同顏色的LED燈珠實(shí)現(xiàn)，由于單片機(jī)輸出引腳為高電平時(shí)其輸出電流較小，直接接到LED燈不能點(diǎn)亮LED燈。當(dāng)輸出為低電平時(shí)引腳上允許通過的電流更大，所以將LED燈珠的負(fù)極與單片機(jī)P0口相連，燈珠正極經(jīng)一個(gè)100電阻接到5 V電源。根據(jù)音樂的變化，彩燈作相應(yīng)的改變，以此達(dá)到一個(gè)更好的視覺效果。

3.6 音頻功放電路

為了使音樂噴泉能實(shí)現(xiàn)真正的音樂播放與噴泉的結(jié)合，在該電路上還加上了一個(gè)音頻功放電路。通過該電路可對采集的音樂信號進(jìn)行功率放大實(shí)現(xiàn)音樂的實(shí)時(shí)播放，給用戶帶來更好的聽覺享受。

整個(gè)電路采用雙通道的音頻功率放大器LM4863D芯片進(jìn)行功率的放大，其工作電壓為5 V，能夠給一個(gè)4負(fù)載提供持續(xù)3 W的功率。采用表面貼裝技術(shù)只需要簡單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)功率放大，內(nèi)部的雙通道設(shè)計(jì)使電路能提供立體聲的音樂播放。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)，利用C語言進(jìn)行程序編寫，系統(tǒng)程序分為主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序和延時(shí)程序[11]。軟件部分的主要功能是通過單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換芯片對采集的音頻模擬信號進(jìn)行處理，對于處理后的數(shù)字信號單片機(jī)再對其進(jìn)行處理，根據(jù)處理后的離散信號幅值大小確定輸出PWM波占空比的大小。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，圖3a為模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖，圖3b為主程序流程圖。

圖3 軟件流程圖Fig. 3 Software flow chart

5 系統(tǒng)仿真及實(shí)物制作

在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序的編寫之后，為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能可靠工作保證該系統(tǒng)能真正的用于實(shí)際之中，必須在硬件電路制作之前進(jìn)行軟件仿真。仿真能使制作的實(shí)物調(diào)試更方便，更好地實(shí)現(xiàn)噴泉控制。

在此采用Proteus仿真軟件進(jìn)行電路仿真，Keil uVision2軟件進(jìn)行程序的編譯。Proteus具有電路原理圖繪制、電路仿真的作用。它可以為用戶提供數(shù)千種元器件，供用戶進(jìn)行數(shù)字電路、模擬電路、交流和直流的仿真[12]。內(nèi)部的各種仿真儀表可供用戶進(jìn)行電路運(yùn)行狀態(tài)的測量。Keil uVision2是一種能利用匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)的系統(tǒng)，利用它可以實(shí)現(xiàn)將編寫好的C文件生成可執(zhí)行文件，并可導(dǎo)入到Proteus中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。利用Proteus繪制整個(gè)系統(tǒng)電路圖，并將Keil uVision2軟件編譯生成的可執(zhí)行文件導(dǎo)入到Proteus的單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。5.1 仿真測試及結(jié)果分析

由于本設(shè)計(jì)信號的來源是音頻信號，在仿真中利用一個(gè)正弦波形信號代替音頻信號進(jìn)行仿真，由于仿真是為了驗(yàn)證該控制系統(tǒng)是否能達(dá)到控制電機(jī)的目的，即在單片機(jī)的輸出口是否能產(chǎn)生一個(gè)PWM波，為此利用軟件自帶的示波器測試單片機(jī)輸出端的輸出波形進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

該控制系統(tǒng)所控制的輸出有6路，為將輸入信號的波形與輸出波形形成對比故在仿真時(shí)也對輸入波形進(jìn)行了測量，一共進(jìn)行了7路信號的測量，通過軟件提供的仿真儀表示波器對這7路波形進(jìn)行顯示。波形如圖4所示。

圖4a中的4條波形最上面的為輸入的正弦波形，下面3條為單片機(jī)輸出口P2.0～P2.2的波形，圖4b中上面3條為單片機(jī)輸出的電機(jī)控制信號。由示波器的圖形可看出輸出的為矩形波，由此驗(yàn)證該控制系統(tǒng)能夠?qū)⑼獠枯斎氲男盘栟D(zhuǎn)換成對應(yīng)的PWM波形輸出從而達(dá)到控制噴泉的目的。

圖4 輸入輸出仿真波形圖Fig. 4 Input and output simulation wave-forms

對比示波器上的波形可知，在輸入音頻信號為正弦波時(shí)，能夠輸出相應(yīng)的PWM波形來控制電機(jī)，在PWM波的高電平時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，低電平時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，以此來控制噴泉電機(jī)轉(zhuǎn)速。由此可知該控制系統(tǒng)能根據(jù)程序?qū)⑤斎胄盘栟D(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM波形對電機(jī)進(jìn)行控制，基本滿足預(yù)期要求。

5.2 實(shí)物制作驗(yàn)證

根據(jù)電氣原理圖確定該控制系統(tǒng)的元器件清單，進(jìn)行元器件的購買。焊接之前首先要根據(jù)原理圖合理布置好各個(gè)元件的位置并進(jìn)行實(shí)物制作，制作出來的噴泉控制電路的電路板如圖5所示，左側(cè)為6路電機(jī)驅(qū)動信號輸出，中間為單片機(jī)控制芯片，右上角為音頻采集及處理電路，右下角為電源供電部分，8顆LED彩燈進(jìn)行燈光渲染。將微型水泵按照所需造型固定擺放好并連接到六路電機(jī)驅(qū)動信號輸出端，接通電源及音樂信號即可實(shí)現(xiàn)噴泉水柱跟隨音樂而變化。由此，設(shè)計(jì)的小型音樂噴泉基本能達(dá)到預(yù)期要求，制作的實(shí)物也能很好地實(shí)現(xiàn)音樂與噴泉的結(jié)合。

圖5 控制電路實(shí)物圖Fig. 5 A physical map of the control circuit

6 結(jié)語

系統(tǒng)經(jīng)過軟件仿真及實(shí)物測試驗(yàn)證之后基本能達(dá)到預(yù)期效果，并且大多數(shù)音樂噴泉的背景音樂是不可更換的，而本設(shè)計(jì)很好地解決背景音樂不可更換的問題。在此設(shè)計(jì)中只是為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)燈光音樂水型的配合，故只設(shè)置了6路信號輸出控制電機(jī)，在不同場合可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展輸出，達(dá)到更好效果。由于系統(tǒng)是利用程序控制輸出信號，若需要更改相應(yīng)的水型進(jìn)行配合只需要在程序中做一些改動即可實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在滿足音樂噴泉的基本功能下，整體工作原理較簡單，實(shí)現(xiàn)起來相對容易，并且成本低，可移植性好。能較好地應(yīng)用于各種需要小型噴泉的場合。

[1]朱翔遠(yuǎn). 噴泉發(fā)展史：起源、演變和展望[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2008. ZHU Xiangyuan. Development History of Fountain：Origin，Evolution and Prospect[D]. Xi’an：Xi’an University of Architecture and Technology，2008.

[2]張可菊，黃金菡. 基于單片機(jī)的音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子制作，2014(4)：5. ZHANG Keju，HUANG Jinhan. Design of Music Fountain Control System Based on Single Chip Microcomputer[J]. Practical Electronics，2014(4)：5.

[3]石小和. 我國音樂噴泉控制系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(20)：11-12. SHI Xiaohe. Research Progress of Music Fountain Control System in China[J]. Technology Innovation and Application，2014(20)：11-12.

[4]潘禮慶. PLC在大型音樂噴泉實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(6)：86-87. PAN Liqing. Design and Application of PLC in the Real Time Control System of Large Musical Fountain [J]. Industrial Control Computer，2009，22(6)：86-87.

[5]童克波. 音樂噴泉電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[D]. 天津：天津大學(xué)，2010. TONG Kebo. Design and Implementation of Electric Control System for Musical Fountain[D]. Tianjin：Tianjin University，2010.

[6]茹占軍，謝家興. 基于AT89S52單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 軟件導(dǎo)刊，2010，9(8)：106-107. RU Zhanjun，XIE Jiaxing. Design of DC Motor Speed Control System Based on AT89S52[J]. Software Guide，2010，9(8)：106-107.

[7]賀 理，龍永紅，滕峻林，等. 基于PWM的機(jī)車雨刮控制器的設(shè)計(jì)[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24(6)：84-88. HE Li，LONG Yonghong，TENG Junlin，et al. Design of Locomotive Wiper Controller Based on PWM[J]. Journal of Hunan University of Technology，2010，24(6)：84-88.

[8]陳 歡，凌 云，李 飛，等. PWM脈沖控制的晶閘管觸發(fā)裝置[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28(1)：49-52. CHEN Huan，LIN Yun，LI Fei，et al. The PWM Pulse Controlled Thyristor Trigger Device[J]. Journal of Hunan University of Technology，2014，28(1)：49-52.

[9]王兆安，黃 俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：163-165. WANG Zhao’an，HUANG Jun. Electric Power Electronic Technology[M]. Beijing：Mechanical Industry Press，2000：163-165.

[10]李全利. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2009：27-28. LI Quanli. The Principle and Interface Technology of Single Chip Microcomputer[M]. Beijing：Higher Education Press，2009：27-28.

[11]王效華，牛思先. 基于單片機(jī)PWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(1)：94-98. WANG Xiaohua，NIU Sixian. Realization of PWM Control Technology Based on Single Chip Microcomputer[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2010，32(1)：94-98.

[12]袁戰(zhàn)軍. 基于Proteus的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(15)：113-116. YUAN Zhanjun. Research on Speed Regulating System of DC Motor PWM Based on Proteus [J]. Electronic Design Engineering，2013，21(15)：113-116.

（責(zé)任編輯：申 劍）

Design and Production of a Miniature Musical Fountain

QU Ziqi，HU Zhengguo，LShiru
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Based on a comparison made between various control modes of current fountain control systems, a new fountain control system, with a single chip computer (SCM) its control chips, has been designed. This system uses a small DC motor to control water patterns, uses LED lights for lighting and color rendering, and uses audio power amplifier for music playing. Simulation tests of the physical models verify the feasibility of this concept, which helps to realize a perfect coordination between the music, fountains, and lights.

musical fountain；analog digital conversion (ADC)；PWM control

TP368

A

1673-9833(2016)06-0050-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.06.010

2016-09-21

屈子琦（1993-），男，湖南衡陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏W(wǎng)絡(luò)自動化技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：294672609@qq.com