基于單片機的音樂噴泉設計

王晨晨 楊錦燁 彭璐 張煜啟 逯玉蘭

摘? 要： 隨著生活水平的提高，人們對精神文化的追求已不僅僅局限于旅游、游覽風景等耗費大量時間的活動。本文以AT89C52單片機為核心，設計了一種小型音樂噴泉系統，該系統具有面積小、觀賞性強、造型美觀、成本低、實用性強、對任何場所和場合都有良好的兼容性等特點，由彩燈控制電路、噴泉執行器、功率放大器和音頻模塊組成，該微型音樂噴泉具有很高的實用性和商業價值。

關鍵詞： AT89C52單片機;音樂噴泉;中斷響應;8255電路

中圖分類號： TP368.1? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.021

本文著錄格式：王晨晨，楊錦燁，彭璐，等. 基于單片機的音樂噴泉設計[J]. 軟件，2020，41（09）：7677+95

【Abstract】： With the improvement of living standard， people's pursuit of spiritual culture is not limited to travel， sightseeing scenery and other time-consuming activities. Based on the at89c52 single chip microcomputer， a small music fountain system is designed in this paper. The system has the characteristics of small area， strong appreciation， beautiful shape， low cost， strong practicability and good compatibility for any place and occasion. It is composed of color lamp control circuit， fountain actuator， power amplifier and audio module. The micro music fountain has high practicability and commercial value.

【Key words】： AT89C52 MCU; Music fountain; Interrupt response; 8255 electric circuit

0? 引言

近年來，隨著公共基礎設施的不斷完善，作為娛樂休閑產業的主流項目，很多大型戶外音樂噴泉受到人們的喜愛[1-2]。音樂噴泉的水型隨著音樂的旋律和節奏有規律地變化，為大家獻上一場美麗的視聽盛? ? 宴[3-4]。由于地域和面積的限制，它只能在平面上呈現噴泉的外觀，不可能隨時隨地觀看音樂噴泉，也不能帶來臨場的感覺。為此，本文設計了一種基于AT89C52單片機的室內音樂噴泉。它以觀眾的視聽體驗為出發點，將一個大型的戶外展覽作品濃縮成小規模的工藝展品，以小規模的展品代替龐大的展品，實現大型文藝景觀的恢弘之美。

1? 系統總體設計

系統的總體由硬件設計和軟件設計兩個部分組成。在程序控制噴泉動作的基礎上，補充音樂系統，實現噴泉與音樂的結合。硬件主要由AT89C52單片機控制，由彩燈控制電路、噴泉執行器、功率放大器和音頻模塊組成。噴泉執行器包括水泵的設計、水泵壓力的調節和噴射角的控制。根據水泵的功率和噴射角度，選擇合適的動力裝置。功率放大器的設計包括音樂節奏和音量聯動，噴泉的節奏，并將一個小型音樂播放器和水泵串聯起來組成功率放大器音頻模塊。功率放大器的音樂經過限幅放大、分頻、AD轉換后轉換成數字信號，送入單片機，成為節拍控制的信號源。當系統檢測到有音頻信號時，輸入接口獲得旋律并通過模擬量卡實時輸出到變頻器，變頻器作用于步進電機，使噴泉水柱產生隨音樂波動的效果。系統總體框圖如圖1所示。

2? 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括單片機電路、音頻電路、步進電機控制電路和彩燈控制電路這四個組成部分。

（1）單片機電路。電路結構圖如圖2所示。本系統選用AT89C52作為主控芯片，它是一款8位CMOS微控制器，靈活的8位運算性能使得它可以廣泛應用于許多控制系統中[5-6]。AT89C52單片機具有節電模式和斷電模式，在很大程度上保證了單片機的穩定運行。該模塊使用簡單，價格低廉[7]。單片機電路模塊主要用于采集音樂信號，并根據調節I/O口的輸出控制水泵和彩燈。

（2）音頻電路。電路結構圖如圖3所示。由音頻放大器和音頻預處理電路組成。音頻放大器用來放大音樂信號，音頻預處理電路是對放大后的音樂信號進行濾波，然后將處理后的音樂信號傳送到單片機的AD轉換后進行采集。

（3）步進電機控制電路。電路結構圖如圖4所示。系統采用四相步進電機。本系統中的L297步進電機采用四相八拍的驅動方式，可以降低信號對裝置的影響，并與L298結合形成一個完整的控制電路，可以驅動步進電機產生更強大的力量，產生層次分明的噴泉水柱，增強觀賞效果[8]。

（4）彩燈控制電路。電路結構圖如圖5所示。Led水下彩燈具有色彩鮮艷、水下密封性好等優點，被廣泛應用于各種噴泉中[9]。在該系統中，采用了Led水下燈，主要包裹在噴嘴周圍。噴泉的外圍是由頂部和底部環繞的樹形結構。六盞燈是放置在噴嘴周圍的每一圈燈上。三極管為燈提供電流驅動。燈光的數量取決于收集到的音樂信號的強度。

3? 軟件系統設計

軟件部分由主程序模塊和中斷控制模塊組成。軟件設計流程圖如圖6所示。將電源接通以后，首先對整個電路系統狀態進行初始化，由主程序模塊完成。主程序包括從USB接口接收MP3格式的音頻信號動作的啟停，水泵的啟停和彩燈的啟停。系統接收音頻信號后，對其進行A/D轉換，使用11025 Hz的聲音采樣頻率。由基本樂理可以知道，高音，中音，低音的1，2，3，4，5，6，7和休止符0等音階可以基本完整地演奏出整個樂曲，通過給每一個音階的出現對應設置一種水花姿態和電機轉速，然后控制步進電機和彩燈[10]。如果音樂尚未結束，終端將繼續接收音頻信號，循環這一過程。中斷控制模塊采用獨立的鍵盤和單片機的小型遙控器來實現音樂切換和音量調節以及程序出現跑飛情況時的復位功能。由于系統的實際過程是通過步進電機控制系統單片機的實時控制狀態來實現音樂和燈光的同步變化，步進電機控制系統由8255控制模型編寫，調節電機的旋轉頻率，進而影響各端口的噴水高度。系統軟件采用定時/計數器定時中斷產生周期性脈沖序列，對其進行編程，無需使用延時子程序，即可實現對時間的準確控制。

4? 結論

本文設計了一種基于AT89C52單片機，輔以L298芯片的音樂噴泉控制系統控制系統，該系統能根據USB接口輸入的音樂來控制噴泉水柱的高度和彩燈的變化頻率，通過了proteus仿真實驗和實物搭建，具有音樂控制噴泉波動效果的特點，能夠滿足用戶的審美需求，具有一定的商業價值。

參考文獻

[1]周峰. 基于單片機的音樂噴泉系統的設計[J]. 內江科技， 2013， 34（11）： 77-78.

[2]張偉迪. 噴泉水景藝術和控制技術的互動式研究[D]. 西安建筑科技大學， 2008.

[3]俞宏霖， 李明明， 白炳斌， 等. 基于AT89C51單片機簡易音樂播放器設計與研究[J]. 無線互聯科技， 2016（19）： 64-66.

[4]王方華， 周永宏， 趙雪嬌， 等. 基于AT89S52單片機的室內音樂噴泉設計[J]. 科技資訊， 2010（29）： 13-15.

[5]馬得秀， 韓佳奇， 趙銘， 等. 基于51單片機的溫室自動灌溉系統設計[J]. 軟件， 2019， 40（05）： 30-32.

[6]李瑞福. 基于單片機AT89C51 的一氧化碳濃度檢測儀設計[J]. 軟件， 2015， 36（9）： 106-108.

[7]曹可欣. 基于單片機的小型自動灌溉系統的設計與實現[J]. 通信電源技術， 2018， 35（03）： 107-109.

[8]姜穎韜. 基于DSP的步進電機驅動程序設計[J]. 山西電子技術， 2013（03）： 18-20.

[9]程祥. 謝謝21ic中國電子網10年伴我行[J]. 今日電子， 2011（01）： 56.

[10]張小琴， 張庚. 基于 Android 平臺的音樂播放器設計與實現[J]. 軟件， 2018， 39（9）： 113-116.