一種新型智能音樂噴泉設計

姜方琴，梁龍果

（興義民族師范學院，貴州 興義 562400）

噴泉作為一項藝術建筑，在國內外一直都有很長的歷史，音樂噴泉最初是為了滿足貴族的娛樂需求。現在，音樂噴泉逐漸走入人們的日常生活，為了讓音樂噴泉更好地融入人們的生活，設計一款音樂噴泉控制系統以滿足人們的需要。首先音樂噴泉控制系統是一種集娛樂及觀賞為一體的娛樂休閑設備，該設備在進行推廣的過程當中能夠得到大量的普及，緊接著帶來了市場上的需求，因此國家關于音樂噴泉的研究工作也在加大力度。傳統音樂噴泉控制系統功能單一，無法緊跟時代的發展，已經無法滿足人們的使用需求。隨著科學技術的不斷進步與發展，各種各樣新式的音樂噴泉出現在了人們的眼前，音樂噴泉中加入了煙霧燈光，可以產生絢麗多彩的燈光效果，甚至還加入了舞臺表演等設備，極大地拓展了音樂噴泉控制系統的表現內容。本文設計的新式智能音樂噴泉控制系統加入了流水燈，并通過PWM 形式智能控制噴水柱的高度，而且可以通過手機播放器、移動端設備來控制音樂，隨著音樂頻率的振幅變化，水柱也會隨之變化。總之，本文設計的智能音樂噴泉控制系統是能夠實現根據音樂幅度大小控制噴泉的高低及LED 燈亮滅數量的智能控制設備。

1 系統設計方案

該音樂噴泉控制系統是利用STC89C52 單片機設計的一個音樂噴泉控制系統，本系統以外部音頻信號作為輸入參數，如用手機音樂播放器進行播放或在電腦端播放音樂，也可以由藍牙音頻接收單元輸出的音頻信號作為輸入參數，極大程度上方便了人們選擇自己喜歡的音樂，增加了人們的一個參與感，讓人們可以更好地來體會時代的進步。這個音樂噴泉的設計根據有無音頻信號隨時啟動或者暫停噴泉的水柱表演和LED 的亮滅。系統對該接收到的音頻信號進行放大處理，利用外部模數轉換芯片將模擬數字轉化為數字信號，STC89C52 單片機采集到轉化后的數字信號，并對該數字信號系統地進行處理。STC89C52 單片機控制外部LED 燈帶的點亮，同時控制水泵電機按照接收到的不同的音樂幅度來實現噴射水柱的高低變化。

本系統由單片機最小系統、音頻輸入單元、音頻信號放大器、模數轉換模塊、電機驅動器和噴水電機模塊及LED 燈帶等組成，通過KEIL4 軟件平臺編程，在PROTEUS 軟件上進行仿真，通過多次的仿真及測試實驗，最終實現設計功能。系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統電路

單片機又稱單片微控制器，屬于一種集成式電路芯片，其是把一個計算機系統集成到一個微小的電路上，即將電路包括半導體設備或者被動組件等以小型化的方式，整合在半導體晶圓的表面上，具有體積小、重量輕和價格相對實惠等優點，其中的單片機由中央處理器CPU、存儲器、接口電路、計數器、中斷控制器、轉換器、調制解調器及其他部件組成。單片機最小系統電路主要包括時鐘電路和復位電路，其主要的作用是能夠保證單片機的穩定工作。時鐘電路能夠為單片機的運行提供時鐘頻率信號。單片機復位電路的功能是在單片機控制系統出現死機或者在單片機系統程序運行紊亂時能夠實現單片機的重新啟動運行，在整體上保證單片機能進行正常的工作。單片機最小系統電路設計原理圖如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統電路圖

2.2 音頻功放電路

LM386 是美國半導體公司生產的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20。LM386 與通用型集成運放相類似，其是1 個3 級放大電路，第一級為差分放大電路，第二級為共射放大電路。LM386 為音頻功率放大器，其5 腳為音頻輸入，6 腳接地，7 腳控制輸入波形不失真，其電路設計原理圖如圖3 所示。

2.3 ADC0832 模數轉換模塊

ADC0832 是美國半導體公司生產的一種8 位分辨率、雙通道A/D 轉換芯片。由于其體積小，兼容性高及性價比高而深受用戶歡迎。該芯片能實時采集2 路模擬電壓，該芯片在進行處理模擬電壓的時候，具有8位的精準度，采集模擬電壓數值后，采用逐次比較法，轉換為8 位數字量輸出。其能夠在不同的場合中進行使用。電路設計原理圖如圖4 所示。

2.4 電機驅動電路

電機調速可分成3 大部分，即控制、驅動和反饋。本系統采用PWM 控制方式來調節噴泉水泵的轉速，進而達到控制噴水高度的目的。由圖3 可知，由單片機的P1.4 引腳依據音樂采樣結果輸出PWM 波，通過控制三極管的導通時間，來控制水泵電機的轉速，調整噴泉的輸出高度，具體應用電路如圖5 所示。

圖3 LM386 電路設計原理圖

圖4 ADC0832 電路設計原理圖

圖5 電機驅動電路設計

2.5 LCD1602 顯示模塊

LCD1602 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規模集成電路直接驅動及易于實現全彩色顯示的特點。上拉電阻驅動LCD1602，對音頻電壓信號進行數字化轉化后，通過單片機控制，顯示到液晶顯示器上。同時需要單片機對采集到的電壓進行實時判斷，進一步控制水泵和LED 燈。

2.6 燈光控制模塊

LED 是一種發光器件，通過電子與空穴復合釋放能量發光，發光二極管可高效地將電能轉化為光能。本設計采用LED 燈，通過LED 燈的亮暗可以直接把電轉化為光，單片機對采集到的電壓信息進行等級分類判斷后，通過LED 燈根據電壓等級通過P3 端口，控制外部的LED 燈進行工作，不同電壓等級對應不同的亮滅個數。

2.7 PWM 原理

脈寬寬度調制式（PWM）開關型穩壓電路控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調整其占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的，可以通過調整PWM 的周期，使PWM 的占空比達到控制充電電流的目的。彩燈控制系統和水泵電機控制系統均由PWM調壓程序進行主控。電機工作的時候，電源并不是連續地向電機供電，而是在一個特定的頻率下以脈沖的形式提供電能，不同占空比的信號能對電機起到調速作用。不同的占空比能改變加在電機2 端的電壓大小，從而改變轉速。

3 軟件測試

在本次音樂系統的設計過程中，需要對數據采集及輸出部分進行初始化處理，初始化完畢之后，單片機要對模擬音頻信號進行處理，將其數字化的音頻量顯示到液晶顯示器上；同時需要對采集到的電壓進行實時判斷，不同電壓等級點亮不同的LED 燈個數，每一個等級上都設置電機的轉速，通過控制輸出PWM信號來控制電機的轉速，進而控制噴泉的高度。系統的硬件和軟件部分設計完成后，需要對各個模塊進行調試，從而觀察效果并發現問題，然后對設計進行改進。本次系統調試主要對單片機程序及硬件電路進行調試，在仿真檢測中，使用PROTEUS 軟件進行畫圖，通過KEIL4 軟件平臺編程，編譯成功后就在仿真軟件上進行仿真。仿真電路圖如圖6 所示。

圖6 仿真電路圖

4 實物測試

通過仿真設計驗證，最終得到了符合理想的狀態。當焊接單片機、LM386、液晶顯示模塊、LED 燈和電機等元器件出現焊點不牢時，會導致驗證時LED 燈不亮、水泵噴射出現不高的情況。通過手機播放器給該系統輸入音頻電源，充電寶提供電源，在手機播放音樂的時候，音頻信號越大，輸出的電壓信號也會越大。單片機接收到音頻信號的輸入時，該信號通過模數轉換后，水泵會隨著音樂的節奏噴射水柱，實現了隨著音樂頻率不斷發生變化而進行噴水，再次播放不同的音樂，水泵也會不斷地噴涌出不同的水柱，同時也會控制LED 燈的點亮個數。與此同時，喇叭將接收到的音頻信號進一步擴大后，實現在每一個場合都能夠將音樂播放出去，從而實現音樂噴泉的設計思路。實物測試圖如圖7 所示。

圖7 實物測試圖

5 結束語

該系統可以根據音樂的聲調、節奏變化而影響水泵出水的高低及燈光的亮暗。用戶可以選擇喜歡的音樂進行播放，選擇音樂的途徑也比較方便，可幫助人們實現隨時更換音樂就能解決水柱變化情況，從而達到音樂、水花與燈光氣氛同步進行的效果。總之，通過軟硬件設計和仿真，采用單片機作為主控制器，把輸入的音頻信號轉換為數字信號傳輸給單片機，單片機根據音頻信號控制和調節外部水泵電機的轉速，實現噴射水柱高度的智能調節，同時調整LED 燈點亮個數，實現噴泉的智能化控制。