基于單片機的音樂噴泉控制系統設計

李 飛 張冬梅 常弘煜 蘇 言

沈陽工業大學遼陽分校，遼寧遼陽 111003

現如今的中國各個城市建設和市民物質文化生活水平，伴隨著經濟快速發展而大幅度地提高，水景噴泉，更確切地說音樂彩燈噴泉，作為城市美化環境的重要一個環節，越來越受到城市建設者的青睞。為了使控制更加簡單、可靠，適應現代社會市場的需要，各類形式的彩燈噴泉也很常見，并逐步向商業性較強和觀賞性方向發展。其中音樂噴泉的控制也變得多姿多樣，如51單片機、可編程邏輯控制器、等都在音樂噴泉中有過較多的運用，當然每種類型的控制方式都各具特色。本課題針對高等院校校園設計了觀賞型的小型“音樂彩燈噴泉系統”。

選用單片機作為此次音樂彩燈噴泉的控制器。

1 音樂噴泉研究現狀及趨勢

當前計算機軟硬件技術的快速發展，新型的音樂噴泉與計算機的交互式應用也更加廣泛，音樂噴泉也越來越復雜，越來越完備，使得更多的控制電路需要計算機來完成。因此，使用計算機來控制音樂彩燈噴泉成為必然的趨勢。但至今一些小型噴泉工程還存在不少技術上的困難，大概表現為明顯的聲音與噴泉彩燈不能同步、控制部分滯后、成本昂貴等問題。

目前，我國的大型的音樂彩燈噴泉技術已逐漸成熟，并且向智能、分散、綜合、多樣的方向發展，于是對彩燈噴泉系統的設計也提出了更高的要求。但對于更多音樂彩燈噴泉小型的項目的研究較少。如何控制是彩燈噴泉的關鍵所在，其余部分基本和普通類型的噴泉大體上一致。音樂彩燈噴泉的控制系統可采用可編邏輯程序控制器 （PLC） 作為控制核心，也可以使用小型工控機作控制的核心。但是對于小型的音樂彩燈噴泉系統來說，最合適、便捷的應是單片機作為控制的核心。適用于一般二三線城市的小廣場或者普通的居民小區的音樂彩燈噴泉，由于其控制的要求簡單，使用單片機完全可以滿足其要求而且因其成本較低則更普及化，是未來音樂噴泉的發展總趨勢。

2 總體方案設計

本次設計以STC12C5A60S2單片機作為智能控制系統的主要控制單元，輔之以適當的軟件和硬件模塊來設計完成以單片機為核心的音樂彩燈噴泉控制系統，控制系統圖如圖1 所示。

本系統主要完成了軟件的編程和硬件的設計，硬件部分主要是由水泵電路、單片機和繼電器電路、彩燈電路、音樂功放電路等組成，軟件編程部分則通過匯編語言編程、流程圖及Protues軟件仿真來實現預期的效果，通過電路板焊接、元件組裝、軟硬件反復調試，實現小型音樂彩燈噴泉的基本功能，因而此系統具有成本低廉、體積較小、水型變化多樣、實用性較強、室內外均可欣賞的特點。

圖1 系統整體結構框圖

3 系統硬件組成

系統的工作過程為：音樂信號響起，通過聲控傳感器采集信號、單片機彩燈控制電路和噴泉控制電路的作用，使噴頭隨音樂滾動的效果，便形成了音樂噴泉。

控制系統總體包括4部分模塊∶數據采集模塊、電路輸入輸出模塊、燈光電路模塊、噴泉模塊。噴泉的打開和關閉完全根據音樂的播放或暫停，根據傳感器檢測有無聲音的信號，來控制噴泉。

3.1 核心系統

主要由單片機實現整個系統的檢測與控制，由聲音監測系統檢測音樂，當音樂響起實現相應的操作效果。

STC12C5A60S2系列的單片機是宏晶科技公司生產的單個的時鐘周期單片機。它是速度快、耗能低、抗干擾能力較強的新的一代51系列單片機，其指令代碼完全可以替代傳統的8051,但速度比原來快8～10倍。此單片機集成了MAX810專用的復位電路,兩路PWM，8路高速10位A/D轉換器,針對于有電機控制的電路，干擾較強的場合。

3.2 電源系統

電源部分采用LRS-50型號，它是50W單組的對外輸出是閉合式的電源供應設備，具有30mm低外觀設計，采用85～264（V）范圍內的交流電壓輸入，提供3.3、5、12、15、24、36和48V輸出，效率高達90%，金屬外殼設計加強了散熱能力。

3.3 聲音檢測系統

最簡單的聲音傳感器作為該系統的主要部件，用以檢測音樂是否響起，同時向單片機傳送高低電平數據。

（1） 聲音模塊對環境聲音的強度最為敏感，一般用來檢測周圍的環境聲音強度；

（2） 傳感器在外接聲音強度達不到預先設定的值時，輸出端是高電平，當外界聲音的強度遠大于設定值時，輸出端是低電平；

（3） 單片機直接可以與小板數字信號量的輸出連接，通過單片機來檢測高低電平，因而就能檢測到聲音有無。

3.4 彩燈系統

彩燈控制系統采用繼電器模塊控制，具有以下功能：

（1） 采用國家標準的優質電壓繼電器，常開接口最大負載：交流電壓為250V，電流為10A；直流電壓為30V，電流為10A;

（2） 采用貼片式光耦隔離板，驅動性能加強，穩定性較好，接通電流為5mA；

（3） 繼電器觸發方式可以通過跳線的方式設置高電平或低電平；

（4） 采用容錯技術，即便在控制電路線斷開的情況下，模塊也不會動作；

（5） 電源的指示燈為綠色，繼電器狀態的指示燈為紅色；

（6） 接口處設計極具人性化，所有接口都可以能通過接線一方的端子來接線引出，非常方便。

3.5 噴泉系統

水泵通電之后電機轉動，通過葉輪的轉動產生一定的能量差值（即壓力差） ，在壓力差的帶動下，不斷將水壓入水泵的入水口，再從噴水口流出。利用電機轉動所產生的動能作用下，水可連續不斷地壓入、流出，形成較穩定的流量。用單片機來控制噴泉的開啟與關閉，當有音樂響起，單片機便會對噴泉發出開啟指令。

綜上，所設計的系統是一個集信號采集與處理的單片機控制系統，控制方式簡單，性能穩定可靠，且具有安全保護裝置。

4 系統軟件組成

系統程序采用獨立模塊的框架，其中能用到的數組都使用定義和命名指針或偽指令的方式編程，有助于程序再次改善和仿真軟件的調試過程。

程序設置后，進入OOOOH開始的主程序，聲控傳感器測試決定是否輸出高低電平；音樂是否響起決定了噴泉是否有動作；延時程序的設定值決定了彩燈和噴泉動作多長時間，即噴泉改變動作的時間間隔：音樂頻率只要緩慢一次（多數音樂中間會有間歇停頓） ，同時聲控傳感器不斷的循環收集信號，下次音樂響起時就能使用其它的亮燈方式，如果用完了設定的最終亮燈的數據，之后就開始循環取數據，燈光模擬效果如圖2所示。

圖2 系統仿真效果圖

5 設計特色

（1） 多功能性。白天開啟白天模式，晚上開啟夜景模式。不同模式的燈控方式不同。

（2） 智能性。完全自動控制，無需人為操作，規定時間自動開啟。

（3） 安全性。電路均有短路保護機制，有效防止短路引起的電流過大等問題，同時交直流和高低電壓的轉換，降低了危險性。

（4） 經濟性。采用固態繼電器，增加了開關的靈敏度，保證線路的安全性，提高了使用的周期，更加經濟環保，保證音樂噴泉的時效性和電路的自動控制。

（5） 便捷性。單片機結構簡單、性能穩定、使用方便，可以隨時更換程序實現不同的表現方式，根據音樂的高低起伏，彩燈實現不同的閃亮方式。

（6） 觀賞性。采用LED水下低壓彩燈，在原有的結構上進行密封防護和接線方面的改善，發出燈光色彩艷麗。

6 關鍵技術

（1） 采用聲控延時判斷，即傳感器接受聲音加延時程序，實現音樂和水柱的同步變化。

（2） 實現了交直流和高低電壓的轉換，降低了危險性。

（3） 使用時間繼電器，保證了音樂噴泉的時效性和電路的自動控制。

（4） 采用LED水下低壓彩燈，在原有的結構上進行密封防護和接線方面的改善，發出燈光色彩艷麗。

（5） 根據音樂的高低起伏，彩燈實現了不同的閃亮方式。

7 結語

此次音樂彩燈噴泉系統采用的單片機是51系列單片機的升級版本，編程指令內容都可兼容和替代51系列單片機，價格與51單片機相當，速度卻是51的2～10倍，而且非常方便進行擴展。

最終的設計成果，音樂輸入由MP3提供，電源、放大、濾波等基礎電路在電路板上焊接，而單片機則放置在專用的單片機機座上，音頻輸出既可以使用市面上常見的擴聲器也可以通過音頻插孔連接到音箱。水泵分幾路進行循環工作，各路水柱的旁邊都安裝不同顏色的水下低壓彩燈，這樣做使得燈光效果更加迷人絢麗，最終通過精密設計和反復調試，達到了系統設計的要求。

[1] 李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.

[2] 魏偉, 王永清.51單片機C語言開發與應用技術案例詳解[M].北京：化學工業出版社，2010.

[3]姜志海，劉連鑫.單片機原理及應用[M].北京：電子工業出版社,2013.