基于51單片機(jī)的多功能音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)

郭鑫穎

（運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山西 運(yùn)城 044000）

音樂(lè)噴泉是科技與藝術(shù)的完美結(jié)合，將音樂(lè)的頻率與噴泉噴水的速率、將音樂(lè)的聲調(diào)和與水柱的高低結(jié)合起來(lái)，通過(guò)高科技為人們帶來(lái)驚艷的視覺(jué)震撼。目前，我國(guó)的大型音樂(lè)噴泉技術(shù)已日趨成熟，而對(duì)小型音樂(lè)噴泉研究甚少，且缺乏人機(jī)交互功能，噴泉的噴水模式多為固定模式，未能與音樂(lè)結(jié)合起來(lái)。小型噴泉成本低更易于普及，有必要進(jìn)一步研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文展開(kāi)對(duì)小型音樂(lè)噴泉的研究，以實(shí)現(xiàn)具有人機(jī)交互的多功能?chē)娝Ч２扇T89C51單片機(jī)作為核心控制器，包括遙控模塊、音樂(lè)播放與音樂(lè)頻率采集模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、潛水泵控制模塊、彩燈控制模塊、電源模塊還有噴泉管網(wǎng)設(shè)計(jì)共7個(gè)模塊。整個(gè)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互功能是通過(guò)紅外遙控控制音樂(lè)的播放、音量的增加與減小和音樂(lè)播放的暫停，并在液晶顯示器上顯示歌曲名字、歌曲序號(hào)、歌手名字和音量大小。音樂(lè)模塊上電后的輸出分為兩路，一路供給功放播放音樂(lè)，一路經(jīng)過(guò)頻壓轉(zhuǎn)換模塊將歌曲頻率轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再傳給AD模塊從而傳給單片機(jī)，單片機(jī)輸出信號(hào)后可以控制水泵，通過(guò)控制水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)一種水柱根據(jù)音樂(lè)節(jié)奏變化連續(xù)升降的效果，并通過(guò)控制譯碼器的選通來(lái)實(shí)現(xiàn)多種彩燈跟隨音樂(lè)節(jié)奏產(chǎn)生花型變換的效果，最終可以看到水柱的連續(xù)升降和彩燈花型的各種變化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的多功能音樂(lè)噴泉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)選用AT89C51單片機(jī)為硬件核心電路。AT89C51單片機(jī)引腳和指令系統(tǒng)與51系列單片機(jī)完全兼容，其最大特點(diǎn)是內(nèi)部有4KBFlash程序存儲(chǔ)器，而且價(jià)格低廉。用Flash程序存儲(chǔ)器在開(kāi)發(fā)過(guò)程中十分容易對(duì)程序進(jìn)行修改，大大縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。具有復(fù)位和晶振電路，輸出寄存器最多可用8個(gè)，這對(duì)于小型音樂(lè)噴泉已是富足有余了。

紅外遙控系統(tǒng)包括紅外遙控器（發(fā)射紅外信號(hào)）和紅外接收電路。紅外發(fā)射器發(fā)送信號(hào)，通過(guò)紅外接收頭判定該指令并以中斷方式INT0傳送給單片機(jī)，單片機(jī)響應(yīng)中斷后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。該設(shè)計(jì)只需連接單片機(jī)INT0口即可，不占用I／O資源且紅外接收電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

在音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)中，音頻信號(hào)作為連續(xù)變化的模擬量需要轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能夠輸入到單片機(jī)中進(jìn)行信息處理，因此采用將未經(jīng)處理的音頻信號(hào)經(jīng)F／V轉(zhuǎn)換電路先轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后通過(guò)ADC0809芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。頻率（F）轉(zhuǎn)換成電壓（V）的過(guò)程稱為頻率／電壓轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換相對(duì)V／F轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜。由于輸入信號(hào)幅度較小，因此需要先將信號(hào)放大，然后將放大后的信號(hào)通過(guò)與二極管并聯(lián)，濾去低電壓，經(jīng)由NE555觸發(fā)器，變?yōu)榫匦尾ǎ?jīng)過(guò)積分電路和單穩(wěn)觸發(fā)器，形成單穩(wěn)態(tài)脈沖，再通過(guò)濾波電路，得到直流電壓。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，采用PWM信號(hào)控制直流電動(dòng)機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變信號(hào)的平均電壓讓電動(dòng)機(jī)在不同的功率下運(yùn)行。單片機(jī)通過(guò)AQMH2403ND雙路隔離直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)并控制直流電動(dòng)機(jī)，其支持電機(jī)電壓7－24V，最大負(fù)載電流3A，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，使用5V單片機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)板＋5V接電源＋5V。

本研究在每個(gè)噴嘴間隔處添加防水LED以實(shí)現(xiàn)彩燈效果。使用3個(gè)4線—16線譯碼器，共擴(kuò)展控制39個(gè)LED燈。LED彩燈采用5050三燈貼片模組，是LED模組中亮度最高的一種，模組背面有雙面膠以及防水壓線扣，安裝方便且完全防水，比霓虹燈節(jié)能70%。芯片引腳G1、G2低電平觸發(fā)，A、B、C、D分別與單片機(jī)P0口連接，通過(guò)軟件編程控制燈光閃爍，由電源模塊提供12V電壓驅(qū)動(dòng)LED燈。最終實(shí)現(xiàn)播放音樂(lè)的同時(shí)，噴泉的水柱和燈光都跟隨音樂(lè)的變化而變化的效果。

本設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)，其主要包括以下7個(gè)模塊有：

1）遙控模塊。采用紅外遙控，來(lái)控制音樂(lè)的選擇、暫停和音量的大小從而在液晶屏上顯示。

2）音樂(lè)播放與音樂(lè)頻率采集模塊。GBM05－RS232串口全功能MP3模塊，完成TF卡存儲(chǔ)音樂(lè)文件和音樂(lè)的播放功能。

3）A／D轉(zhuǎn)換模塊。完成對(duì)音樂(lè)電壓的AD轉(zhuǎn)換。

4）潛水泵控制模塊。對(duì)于小型音樂(lè)噴泉，不要求精確控制潛水泵轉(zhuǎn)速，只要水柱的高低能反映聲音強(qiáng)度的變化即可。結(jié)合音樂(lè)與水柱要盡量同步，盡量降低成本，所以本系統(tǒng)不采用變頻器調(diào)速。采用單片機(jī)程序及其控制電路完成調(diào)速。

5）彩燈控制模塊。實(shí)現(xiàn)彩燈花型變化的控制。

6）電源模塊。提供給音樂(lè)播放與音樂(lè)頻率采集模塊和彩燈的＋12V電壓；提供給運(yùn)放的＋12V和－12V電壓；提供給單片機(jī)最小系統(tǒng)和其他模塊的＋5V電壓。

7）噴泉管網(wǎng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)整個(gè)噴泉的形狀和噴水高度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該研究除了硬件設(shè)備，還需在軟件的配合下完成，軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它具有充分的靈活性，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而變化。該設(shè)計(jì)在軟件上使用C語(yǔ)言編程，采用自頂向下、逐步細(xì)化，模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

1）紅外遙控功能：通過(guò)遙控器遠(yuǎn)程操作從而播放歌曲、切換歌曲和調(diào)節(jié)音量大小；

2）液晶顯示功能：通過(guò)液晶顯示目前播放的歌曲序列號(hào)、歌曲名稱、歌手名稱和音量大小；

3）AD轉(zhuǎn)換功能：通過(guò)ADC0809將經(jīng)頻壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的電壓傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將根據(jù)這些電壓范圍，將電壓分成若干段，從而用來(lái)控制水泵的轉(zhuǎn)速和LED彩燈的閃爍；

4）水泵調(diào)速功能：通過(guò)改變脈沖占空比來(lái)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速跟隨音樂(lè)變化，即噴水水柱隨著音樂(lè)節(jié)奏的變化而變化；

5）LED彩燈閃爍功能：通過(guò)AD采集進(jìn)來(lái)的音樂(lè)電壓變化，將電壓分成若干段，在每個(gè)電壓段內(nèi)用來(lái)分別驅(qū)動(dòng)不同的LED燈和變換花型，從而實(shí)現(xiàn)燈光變換隨著音樂(lè)節(jié)奏的變化而變化；

6）串口通信功能：遙控控制播放歌曲后，單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送指令給音樂(lè)播放模塊，從而播放指定歌曲和調(diào)節(jié)歌曲音量大小。

基于模塊化設(shè)計(jì)思想，按功能將整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為不同的程序模塊，系統(tǒng)軟件由主程序、初始化子程序、液晶顯示子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序等組成，而紅外遙控解碼以及水泵調(diào)速等功能放在中斷處理子程序中。

該設(shè)計(jì)的主程序模塊負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度，各子程序功能模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)子功能。進(jìn)入主函數(shù)程序依次對(duì)串口、三個(gè)中斷源、紅外、12864液晶、ADC0809等模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主頁(yè)面顯示部分，此時(shí)液晶顯示“多功能音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)”，2秒過(guò)后頁(yè)面刷新，顯示“歌曲序號(hào)、歌曲、作者、音量”等字幕。最后等待紅外信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)讀到紅外信號(hào)時(shí)，進(jìn)入紅外信號(hào)處理模塊，調(diào)用串口通信子程序，此時(shí)播放歌曲，液晶顯示進(jìn)入歌曲播放界面，顯示歌曲名稱和音量大小，然后調(diào)用AD子程序，將音樂(lè)電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量給單片機(jī)，再繼續(xù)調(diào)用彩燈控制子程序和水泵調(diào)速子程序，當(dāng)停止鍵按下進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，歌曲停止播放，水泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)重新初始化，如此循環(huán)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 調(diào)試方法

基于51單片機(jī)的多功能音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)的調(diào)試需通過(guò)硬件調(diào)試和軟件調(diào)試結(jié)合進(jìn)行。通過(guò)對(duì)硬件模塊測(cè)試，檢測(cè)各個(gè)元器件焊接是否牢靠，參數(shù)選型是否正確。再用軟件檢測(cè)紅外遙控模塊能否收發(fā)信號(hào)，MP3能否正常播放音樂(lè)，LCD12864液晶顯示能否顯示信息，電機(jī)驅(qū)動(dòng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及LED彩燈能否點(diǎn)亮。

4.2 測(cè)試結(jié)果

基于51單片機(jī)的多功能音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)的主要功能為開(kāi)機(jī)后顯示歡迎界面，當(dāng)紅外遙控按鍵按下后，進(jìn)行歌曲選擇，本次設(shè)計(jì)中一共選取了10首歌，分別對(duì)應(yīng)遙控板的0—9按鍵，當(dāng)用戶選擇歌曲后，液晶顯示會(huì)顯示出歌曲序號(hào)、歌曲名稱、歌手名稱和音量大小，在音樂(lè)播放的同時(shí)，水泵和LED彩燈開(kāi)始工作，水泵噴水的高度隨著音樂(lè)的節(jié)奏和聲音發(fā)生變化，LED彩燈隨著音樂(lè)的節(jié)奏變化，節(jié)奏感越強(qiáng)燈的閃爍也越明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)智能化生活的要求逐步提高，噴泉是一種現(xiàn)代化的精神享受產(chǎn)物，音樂(lè)噴泉更是廣受民眾歡迎。本設(shè)計(jì)完成了一種以AT89C51單片機(jī)為控制核心的小型音樂(lè)噴泉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由遙控器遠(yuǎn)程控制播放歌曲，液晶顯示屏顯示歌曲信息，噴泉噴水效果和LED彩燈跟隨音樂(lè)節(jié)奏而自動(dòng)變化的功能，克服了目前傳統(tǒng)噴泉只有固定噴水模式的單調(diào)效果，滿足了人們的視聽(tīng)雙重享受，具有一定的進(jìn)步意義。