基于AT89C51單片機(jī)的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 摘 要 隨著人們生活水平的提高和建立綠色城市的向往，音樂噴泉以其獨(dú)特的魅力和特殊的功能，愈來愈成為休閑娛樂產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)重要產(chǎn)品 ,音樂噴泉的興建也越來越多。 根據(jù)目前音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了一個(gè)以 出了一個(gè)簡潔的單片機(jī)控制電路，分析了輸出地址，描述了不同類型的輸出電路和輸入電路；介紹了從特定構(gòu)造的噴池中獲得決定噴池動(dòng)作的噴池?cái)?shù)據(jù)的原理；給出了主程序框圖和看門狗子程序。 采用程序控制來控制花型。音頻信號(hào)還影響燈光色彩和燈光光線明暗的變化。從而使燈光色彩、燈光的閃 爍和噴泉水姿隨音樂節(jié)奏而變化。 關(guān)鍵詞 ： 音樂噴泉；單片機(jī)；單片機(jī)控制；噴池?cái)?shù)據(jù) 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 of s is of is to of of CM A CM to a of of by or of by So of is s is 島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 目錄 摘 要 .............................................................................................................................. 1 .................................................................................................................. 2 第 1 章 緒 論 ................................................................................................................ 4 題背景 ........................................................................................................... 4 樂噴泉的發(fā)展和現(xiàn)狀 .................................................................................. 4 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .......................................................................... 6 制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案 .......................................................................... 6 樂信號(hào)的采集 ............................................................................................... 6 頻放大電路的設(shè)計(jì) ............................................................................ 6 樣定理 ................................................................................................ 8 片機(jī)電路 ...................................................................................................... 9 片機(jī)的概述 ........................................................................................ 9 鐘電路的設(shè)計(jì) .................................................................................. 10 D 轉(zhuǎn)換電路 .................................................................................................. 10 單片機(jī) 89連接 ..................................................... 11 入電路 ............................................................................................... 12 水泵調(diào)速硬件方案設(shè)計(jì) ............................................................................. 13 光硬件方案設(shè)計(jì) ......................................................................................... 14 決系統(tǒng)時(shí)間滯后硬件電路設(shè)計(jì) ................................................................. 14 第 3 章 噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .............................................................................. 16 池?cái)?shù)據(jù) ......................................................................................................... 16 程序框圖 ..................................................................................................... 17 制潛水泵軟件設(shè)計(jì)模塊 ............................................................................ 17 水泵開關(guān)調(diào)速的原理 ...................................................................... 18 水泵開關(guān)調(diào)速的軟件設(shè)計(jì) ............................................................... 19 制電磁閥軟件設(shè)計(jì)模塊 ............................................................................. 20 曲存儲(chǔ)模塊 ................................................................................................ 20 頻脈沖的產(chǎn)生 ................................................................................... 20 樂程序 ............................................................................................... 22 光控制模塊 ................................................................................................. 25 門狗子程序 ................................................................................................. 25 驗(yàn)仿真 ......................................................................................................... 26 結(jié) 論 ............................................................................................................................ 28 致 謝 ............................................................................................................................ 29 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 30 附 錄 ............................................................................................................................ 31 附錄 1.................................................................................................................... 31 附錄 2.................................................................................................................... 32 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 1 章 緒 論 題背景 隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的要求越來越高 ,城市環(huán)境建設(shè)日益為人們所重視。噴泉作為一種觀賞性較高的藝術(shù) 水景 ,不斷的出現(xiàn)在城市的廣場、公園及其它公共場所，早些的噴泉都是固定不可調(diào)的，顯得有些單調(diào)，隨著科技的發(fā)展音樂噴泉也進(jìn)入了我們的城市。音樂噴泉是現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合，音樂噴泉將噴水圖形、彩色燈光及音樂旋律構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，隨著樂曲旋律和節(jié)奏的變化，各種不同的噴水花形相應(yīng)的配合變換，在五彩絢麗的變幻燈光照耀下，構(gòu)成一幅幅奇妙無比的景觀、令人賞心悅目，嘆為觀止，在視聽上獲得極大的享受。音樂噴泉的起源于 1930 年，德國人首先帶出噴泉的概念，此后經(jīng)過多年的發(fā)展，其音樂噴泉的設(shè)計(jì)及構(gòu)造已變得更大型及復(fù)雜。隨著我國改 革開放政策的不斷實(shí)施， 80 年代中，我國也相繼引進(jìn)和自行設(shè)計(jì)建造了多座音樂噴泉，為美化環(huán)境，活躍人民的文化生活起了良好的作用。通過學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，加上自行研究和開發(fā)，噴泉的面貌不斷更新，各種新水型層出不窮，音樂噴泉還可以同水幕電影、激光表演和舞臺(tái)表演相結(jié)合，產(chǎn)生令人難忘的藝術(shù)效果。我國現(xiàn)有上百家噴泉水景設(shè)備制造廠，經(jīng)過市場競爭、優(yōu)勝劣汰，我國已經(jīng)出現(xiàn)了幾家綜合實(shí)力較強(qiáng)的大型噴泉水景工程公司，能夠獨(dú)立建設(shè)投資上千萬元的特大型噴泉水景工程，并創(chuàng)造了一些世界之最的新記錄?？傮w上說，我國的噴泉水景技術(shù)已經(jīng)達(dá)到 了國際先進(jìn)水平，其建設(shè)規(guī)模和市場需求更是其他國家所難以相比的。 樂噴泉的發(fā)展和現(xiàn)狀 北京石景山古城公園的音樂噴泉，在悠揚(yáng)動(dòng)聽的音樂聲中，噴水可產(chǎn)生五六種變化，時(shí)而轉(zhuǎn)動(dòng)如銀傘，時(shí)而飄忽如玉帶，時(shí)而如金蛇狂舞，時(shí)而旋轉(zhuǎn)飛濺···噴出的花形有曇花、菊花、扶?；?、百合花和曼陀羅花，這是在 80 年代初期中國較早建設(shè)的一個(gè)音樂噴泉。 南昌的秋水廣場是由“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”的意境得名，秋水廣場就是以噴泉為主題，集旅游、觀光、購物的大型休閑廣場。他的音樂噴泉最吸引人注目，是國內(nèi)最大的音樂噴泉 群，泉水面積 平方米，主噴高達(dá) 128米，是南昌的一俏麗景觀，人們可以一邊欣賞音樂，一邊觀看滕王閣的美景。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 新加坡圣淘沙旅游區(qū)的音樂的設(shè)計(jì)與效果也是值得參考的，它布置在一個(gè)空曠而略有坡度的空間，面積很大，與圣淘沙車站前的長形噴水池共同組成為一個(gè)長達(dá)數(shù)百米的綜合系列噴泉，音樂噴泉位于系列噴泉的頂端。舞臺(tái)為一假山堆疊的西洋式半圓柱廊組成，共分 3 層。白天，假山瀑布及兩側(cè)的噴泉群與 3 層水池形成一處動(dòng)靜結(jié)合的較為文雅悠揚(yáng)的水景園，入夜則有五光十色，優(yōu)美動(dòng)聽的噴泉景觀，整個(gè)舞臺(tái)區(qū)域東西面闊近百米，南北深度約 40m， 成為目前亞洲最大的音樂噴泉之一。表現(xiàn)出壯闊、絢麗的水景之美。 以上幾處音樂噴泉從建筑形勢、音樂曲調(diào)及水舞表演的角度展現(xiàn)了音樂噴泉的美麗姿態(tài)，但是都屬于大型的音樂噴泉，其控制系統(tǒng)也多采用 輯編程控制，造價(jià)高，流量需求大，一般為專門的定量設(shè)計(jì)。即使這樣，國內(nèi)外的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)均以達(dá)到成熟的水平，而且還有專門的生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠家，提供設(shè)計(jì)、噴泉設(shè)備及安裝等服務(wù)。目前，國內(nèi)的音樂噴泉逐漸向智能化、分散化、綜合化、多樣化的方向發(fā)展，于是對(duì)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案 該音樂噴泉控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 音樂輸入系統(tǒng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)等組成。 圖 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 樂信號(hào)的采集 前面已經(jīng)介紹過，本文的研究針對(duì)的是采用外部音源的噴泉系統(tǒng)，因此在對(duì) 音樂信號(hào)進(jìn)行特征識(shí)別前首先要完成對(duì)模擬音樂信號(hào)的采集。音樂信號(hào)的采集主 要包括音頻放大和 A/D 轉(zhuǎn)換兩個(gè)過程，下面分別進(jìn)行分析。 頻放大電 路的設(shè)計(jì) 外部音源信號(hào)的幅度一般較弱，因此必須要對(duì)原信號(hào)進(jìn)行放大處理后才能送入 A/D 轉(zhuǎn)換器。本文選擇了 片設(shè)計(jì)音頻放大電路。 美國國家半導(dǎo)體公司（ 出的系列功率放大集成電路的一種， 有功耗低、工作電壓范圍寬、所需外圍元件少等特點(diǎn)，在電子設(shè)備的音頻放大電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，它使用了 10 只晶體管構(gòu)成了輸入級(jí)、電壓增益和電流驅(qū)動(dòng)級(jí)。其中 6 組成 復(fù)合差分放大器， 鏡像恒流源，作為 有青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 源負(fù)載，使輸入級(jí)有穩(wěn)定的增益。電壓 增益級(jí)由接成共發(fā)射極狀態(tài)的 擔(dān)，其負(fù)載也使用了恒流源，整個(gè)集成功放的開環(huán)增益主要由該級(jí)決定。 合為一個(gè) ，和 同組成互補(bǔ)對(duì)稱射極輸出電路，以供給負(fù)載以足夠的電流。 供了 需的偏置，使末級(jí)偏置在甲乙類狀態(tài)。7 構(gòu)成內(nèi)部反饋環(huán)路。從圖 以看出， 用雙列 8 腳封裝結(jié)構(gòu)，它的工作電壓范圍為 4~12V，靜態(tài)電流 4大輸出功率 660大電壓增益 46益帶寬 300波失真 圖 裝形式及引腳定義 在 ，提供了兩種典型放大電路的設(shè)計(jì)方案。一種是在 1 腳和 8 腳之間不接其他元件，此時(shí)放大電路的增益僅由內(nèi)部電阻 7決定，為 20 倍數(shù)（ 26這種方式外部電路元件最少，也最為經(jīng)濟(jì)。另一種通 過在 1 腳和 8 腳之間串接不同的阻容元件，改變放大電路的交流反饋量，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。音樂信號(hào)的放大采集如圖 示。外部音源（聲卡、 等）的模擬音樂信號(hào)分左、 右聲道分別進(jìn)入放大電路，經(jīng)過信號(hào)放大后，得到幅值放大后的音頻信號(hào)。從圖 以看出放大電路的具體設(shè)計(jì)。在 1 腳和 8 腳之間串接一個(gè) 10 微法的電容 內(nèi)部電阻 交流旁路，放大電路的增益能達(dá)到最大值， 200 倍數(shù)（ 46再對(duì)音頻放大電路的外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路中電容 為隔直電容，電位器 于調(diào)節(jié)音量的大小，元件 助于旁路高頻噪音和改善輸出的音質(zhì)。電容 為去耦電容，一方面是本集成電路的蓄能電容，另一方面旁路掉該器件的高 頻噪聲。電容 是作為旁路電容，將信號(hào)的中高頻噪音旁路到地。經(jīng)過放大電路的音頻信號(hào)就送入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，這里 A/文） 8 性，即能接收負(fù)信號(hào)。 圖 樂信號(hào)放大采集 樣定理 采樣是指用一較高頻率的開關(guān)脈沖對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，取出脈沖到來時(shí)刻 所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)的幅度，這樣就可以得到一連串幅度變化的離散脈沖。用這些 離散脈沖序列代替原來時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。 如圖 示，在對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行放大處理后，就要通過 A/D 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，這就是音樂信號(hào)的采樣。我們在對(duì)一個(gè)連續(xù)的音樂信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，為了使采樣后的樣本序列能夠包含足夠的信息以使其能夠較正確地重現(xiàn)原來的模擬信號(hào)，在采樣時(shí)應(yīng)當(dāng)使采樣頻率滿足采樣定理的要求。采樣定理的描述為“對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化時(shí)，只要滿足采樣頻率 于或等于被采樣信號(hào)的最高頻率 倍，就可以通過理想的低通濾波器，從樣本值序列信號(hào)中無失真地恢復(fù)出原始模擬信號(hào)”，這里的 為香農(nóng)頻率，這個(gè)采樣定理又稱為香農(nóng)采樣定理。實(shí)際應(yīng)用中為了較好的防止頻譜混疊失真，采樣頻率一般要稍大青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 于信號(hào)最高頻率的 2 倍。比如樂曲的音域頻段如果在 50000，就要將 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣頻率選定為 10能滿足香農(nóng)采樣定理的要求。 片機(jī)電路 單片機(jī)要采集音樂信號(hào)，并據(jù)此調(diào)節(jié) I/O 口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用 性能的 51 內(nèi)核的 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8K 空間的可反復(fù)擦寫 1000 次的 讀存儲(chǔ)器，具有256隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 32 個(gè) I/O 口， 1 個(gè)看門狗定時(shí)器， 3個(gè) 16 位可編程定時(shí)器，具有 能，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。使用簡單且價(jià)格非常低廉。故系統(tǒng)的主控制器采用此方案。 圖 9片機(jī)的概述 美國 司生產(chǎn)的低電壓，高性能 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K 128 隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存取器（ ,器件采用 易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ 儲(chǔ)單元。 供一下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) 速存儲(chǔ)器， 128字節(jié)內(nèi)部 32個(gè) I/個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙全工串行通信口，片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， 降至 0文） 10 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 允許 時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 單片機(jī)有四個(gè)數(shù)據(jù)輸出端口， 、 、 、 。由于 還有許多特殊功能，如讀寫控制、串行通信、外部中斷等功能，所以 不用作數(shù)據(jù)輸入輸出端口。 具有很強(qiáng)的帶負(fù)載的能力，除了用作地址總線低八位以外，還兼作訪問外接擴(kuò)展程序內(nèi)存時(shí)數(shù)據(jù)總線以及與 A/D 轉(zhuǎn)換器 接的資料線。 此 下的 鐘電路的設(shè)計(jì) 于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為 出端為 圖 2— 13所示： 圖 2 D 轉(zhuǎn)換電路 輸入的電壓為交流模擬量，不能直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理。因此首先采用全橋整流，濾波。使其成為直流信號(hào)，再采用全橋整流，濾波。使其成為直流信號(hào)，再采用了 中 位分辨率 A/最高分辨可達(dá) 256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入 在 0~5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32? s，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。串行通信節(jié)約單片機(jī) I/O 資青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 源。 有 28 條引腳。 （ 1） 條 ) 8 路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬電壓； （ 2）地址輸入和控制（ 4條） 電平有效。當(dāng)為高電平時(shí)， 條地址線上的地址信號(hào)得以鎖存，經(jīng)譯碼后控制 8 路模擬開關(guān)工作， 地址輸入線，用于選擇。 （ 3）數(shù)字量輸出及控制線（ 11 條）“ “啟動(dòng)脈沖”輸入線，該線上的正脈沖由 來，寬度應(yīng)大于 100升沿清零 降沿啟動(dòng) 線上的高電平表示 A/字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。 出允許”線。 （ 4）電源線及其他（ 5條） 于為 供逐次比較所需的時(shí)鐘脈沖序列。 5電源輸入線， )和 )為參考電壓輸入線，用于給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。 )常與 連)常接地或負(fù)電源電壓。 單片機(jī) 89連接 時(shí)鐘信號(hào)來自單片機(jī) 89 號(hào)， 89用 12鐘頻 率， 2四分頻后為 500為 時(shí)鐘頻率。用 。 連。由 供的 3 位通道地址送入 行鎖存，用以選取通道號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) 體接口電路如圖 2青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 2 輸入電路 在這里，輸入電路 是指能對(duì)樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強(qiáng)弱等進(jìn)行檢測并將檢到的信號(hào)以電平、脈沖或數(shù)字形式送至單片機(jī)的電路。為說明簡單計(jì)，這里僅介紹能反映樂曲啟停的奏曲信號(hào)電路。因?yàn)橛辛怂魳芬巡辉賰H是背景音樂，音樂已用來控制整個(gè)噴池的動(dòng)作與否，因而已達(dá)到了音樂噴泉的最基本要求。 奏曲信號(hào)電路的框圖如圖 右兩路立體聲信號(hào)經(jīng)混合后送限幅放大電路放大，這樣即使是極弱的樂曲信號(hào)也能有足夠強(qiáng)度媳信號(hào)輸出。整流濾波電路用以將信號(hào)轉(zhuǎn)為單向信號(hào)。電壓比較器用以將大于基準(zhǔn)電壓的單向信號(hào)變換成低電平有效的奏曲信號(hào)由之端輸出。通過調(diào) 整基準(zhǔn)電壓，可使電路既不受干擾的影響又靈敏度最大。奏曲信號(hào)電路的輸出經(jīng) 1． 5引腳產(chǎn)生一低電平信號(hào)。 圖 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 水泵調(diào)速硬件方案設(shè)計(jì) 方案一：采用變頻器，調(diào)速方便、容易，只要控制口電流范圍為 4 到 20 毫安就可以，精度高，缺點(diǎn)價(jià)格偏貴。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路，這樣會(huì)增加電路復(fù)雜性，控制精度偏低，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格偏低。本系統(tǒng)成本問題必須考慮，控制精度要求不是很高，步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路就可以滿足要求。 本系統(tǒng)采用可控硅調(diào)相的方法控制噴泉水泵的轉(zhuǎn)速。電路如圖 單片機(jī)的 I/過光耦控制可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整噴泉的輸出高度。選用單相可控硅 20流通過二極管 1壓值 1000V）組成的整流橋后變?yōu)?100動(dòng)的直流，由單片機(jī) 據(jù)音樂采樣結(jié)果輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的通斷，以達(dá)到調(diào)相的目的。 圖 采用這種方法關(guān)鍵要保證矩形波與 100動(dòng)直流保持同相，由 樣的結(jié)果決定 100以將 100一個(gè)輸入端接一個(gè)由 5V 分來的固定電壓。當(dāng)比較器的輸出結(jié)果發(fā)生變化時(shí)，由定時(shí)器定一段時(shí)間，這樣就青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 找到了每個(gè)周期的起點(diǎn)，然后再根據(jù) 樣決定不等的延時(shí)來輸出矩形波導(dǎo)通可控硅。 樣結(jié)果大，每個(gè)周期的延時(shí)短，可控硅導(dǎo)通的時(shí)間長，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速快，反之亦然。 光硬件方案設(shè)計(jì) 方案一：使用大功率，不同顏色的發(fā)光二極管。 方案二：使用 布水下照明外，還可用于假山，橋梁等投光照明。 水下彩燈均采用著名 荷蘭菲利蒲公司產(chǎn)品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，色彩鮮艷，并進(jìn)一步改進(jìn)了其密封、防護(hù)和接線方式，廣泛適合于 各種 噴泉 。 本次設(shè)計(jì)采用水下照明和閃光 彩 燈，水下照明采用 光 彩 燈采用不同顏色的發(fā)光二極管。 圖 燈的連接 決系統(tǒng)時(shí)間滯后硬件電路設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并處理需要一定的時(shí)間，加上電機(jī)響應(yīng)和水柱顯示也需要一定的時(shí)間。電機(jī)由一種轉(zhuǎn)速到另一種轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間可以查電機(jī)參數(shù)得到，電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為 片機(jī)采集處理數(shù)據(jù)程序約為 100句，約 為 柱的顯示延時(shí)可以通過水閘效應(yīng)計(jì)算出來，經(jīng)計(jì)算總延時(shí)約為 出兩種解決方案。 方案一：采用預(yù)處理，即把要控制的音樂元素提前編輯好，提前控制。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 方案二：采用把音樂延時(shí)播放，即在音樂源與音響間加延時(shí)電路，調(diào)節(jié)參數(shù)，使音樂與水柱的變化同步。 音樂元素提前預(yù)處理一般使用在工控機(jī)等數(shù)字處理能力非常強(qiáng)的控制系統(tǒng)中，使用單片機(jī)一般實(shí)現(xiàn)不了這個(gè)預(yù)處理目標(biāo)。因此采用延時(shí)電路 [6]把音樂延時(shí)播放，選擇方案二。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 3 章 噴泉控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有用到的常數(shù)或數(shù)組都用 指令定義與命名，以使程序易于修改、調(diào)試和升級(jí)。本系統(tǒng)將 出中斷用于軟件看門狗。 池?cái)?shù)據(jù) 噴池?cái)?shù)據(jù)是用以對(duì)噴池內(nèi)的水泵、電磁閥和彩燈等進(jìn)行開與關(guān)控制的數(shù)據(jù)。一組可循環(huán)使用的這種數(shù)據(jù)，就決定了噴泉和彩燈的一個(gè)特定的變化形態(tài)。這組噴池?cái)?shù)據(jù)可稱為花樣數(shù)據(jù)。對(duì)一個(gè)特定構(gòu)造的噴池，這種花樣數(shù)據(jù)可編寫出很多。 下面以圖 例說明花樣數(shù)據(jù)的編排方法。假設(shè)希望外圈噴頭每隔一定時(shí)間順次增噴 2個(gè)噴頭，且從 2個(gè)經(jīng) 4步順時(shí)針增至 8個(gè)后，再順次以同樣的方向同樣的速度每次減噴 2個(gè)噴頭，即從 8個(gè)噴頭經(jīng) 4步減至 0。以后不斷按上述規(guī)律循環(huán)變化。在這期間，里圈和中心噴頭一直不噴。在不考慮其它控制的情況下，圖 個(gè)輸出寄存器，其各位控制噴頭定義如下： 8 7 6 5 4 3 2 1 X X X 13 12 11 10 9 圖 以上各位若為 1時(shí)相應(yīng)的噴頭噴水，為 0時(shí)不噴水，則外圈噴頭數(shù)據(jù)應(yīng)為： 0000 0011B 0000 1111B 0011 1111B 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 1111 1111B 1111 1100B 1111 0000B 1100 0000B 0000 0000B 若該花樣數(shù)據(jù)定義為 3H， 03000000H；外圈噴頭數(shù)據(jù) ,0， 0， 0， 0， 0， 0， 0 ； 里圈和中心噴頭數(shù)據(jù) 每次將花樣數(shù)據(jù)輸出時(shí)都是順次取一列輸出的，且可循環(huán)取用。顯然這樣的花樣數(shù)據(jù)可以編不少，還可將兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)搭配起來，組成新的更復(fù)雜一些的花樣數(shù)據(jù)。 程序框圖 程序重新設(shè)置后，進(jìn)入 0000流程圖如圖 示。可以看出： 4上的開關(guān) 曲是否演奏決定了噴池是否有動(dòng)作，即 5的電平；拔碼開關(guān)的設(shè)定值決定了延時(shí)多少倍的 0． 1秒時(shí)間，即噴池動(dòng)作改變的時(shí)間間隔：奏曲每停一次 (大多數(shù)樂曲奏曲中間不會(huì)停 )，下次再奏曲就換一組花樣數(shù)據(jù)，若用完了最后一組，以后就從頭再取。也就是多個(gè)樂曲依次輪流循環(huán)使用編制好的噴池花樣數(shù)據(jù)。 制潛水泵軟件設(shè)計(jì)模塊 目前，潛水泵結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，控制方便，只有一種轉(zhuǎn)速。要控制 潛水泵的流量變化，就必須使?jié)撍玫霓D(zhuǎn)速發(fā)生變化 。 我們使用無觸點(diǎn)開關(guān)分時(shí)接通的方法提高潛水泵的轉(zhuǎn)速檔次，在硬件電路基本不變的條件下，使?jié)撍镁哂惺藱n轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力和更好的節(jié)能效果，這種方法無需增加較多的硬件，僅在控制器中采用新的調(diào)速程序，即可達(dá)到提高潛水泵轉(zhuǎn)速檔次和節(jié)能的目的。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 開 始初 始 化自 檢調(diào) 花 形 子 程 序取 簡 譜 碼 指 針查 表 取 常 數(shù)結(jié) 束 碼循 環(huán)T R 0 清 零 0結(jié) 束休 止 符取 音 符 常 數(shù)取 節(jié) 拍 常 數(shù)啟 動(dòng) T 0節(jié) 拍 時(shí) 間 到T R 0 清 零 ， 指 針 + 15 S ？圖 程序流程圖 水泵開關(guān)調(diào)速的原理 潛水泵調(diào)速電路中， L、 M、 H 分別為單相潛水泵的低速抽頭、中速抽頭和高速抽頭，單相潛水泵采用電容運(yùn)行方式，三個(gè)抽頭與電源的連接由三個(gè)雙向晶閘管 時(shí)潛水泵的低速抽頭與電源連接，潛水泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)，同樣， 通時(shí)潛水泵中速運(yùn)轉(zhuǎn)， 通時(shí)潛水泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)。我們采用分時(shí)接通 L、 M、 以調(diào)節(jié)潛水泵的轉(zhuǎn)速，使?jié)撍毛@得十八檔轉(zhuǎn)速的變速能力。設(shè)電源頻率為 50周期為 調(diào)速周期 T（ T 為電源周期），低速調(diào)速時(shí)，調(diào)速周期內(nèi)不接通任何一個(gè)晶閘管，則潛水泵的轉(zhuǎn)速 0，調(diào)速周期內(nèi)全接通晶閘管 潛水泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)，但如果在 6個(gè)電源周期內(nèi)， L（ 0≤ N≤ 6），其他時(shí)間不接通，那么，在潛水泵的低速下可獲得 6 檔更低的轉(zhuǎn)速。同樣， 中速調(diào)速時(shí)，調(diào)速周期內(nèi)全接通晶閘管 潛水泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)，全接通晶閘管 潛水泵中速運(yùn)轉(zhuǎn)，如果在 6 個(gè)電源周期內(nèi) M，（ 6周期接通 么在潛水泵的低速和中速青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 之間可獲得 6檔轉(zhuǎn)速。同樣道理，在中速和高速間又可獲得 6檔轉(zhuǎn)速。由此可見采用分時(shí)接通的方法，可以使?jié)撍镁哂惺藱n轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力。 水泵開關(guān)調(diào)速的軟件設(shè)計(jì) 單相潛水泵采用單片機(jī) 片機(jī)的輸出端口 L、 0”時(shí)，晶閘管 導(dǎo)通，潛水泵可低速運(yùn)轉(zhuǎn)，反之， 1”時(shí)，晶閘管截止，潛水泵停轉(zhuǎn)，即由 樣，由 出電位控制潛水泵的中速檔，制潛水泵的高速檔。采集的音樂信號(hào)經(jīng)過傅立葉變換再去查幅值對(duì)應(yīng)的分貝轉(zhuǎn)速表直接得到轉(zhuǎn)速代碼，這樣就可以控制潛水泵的轉(zhuǎn)速，再此只以生日快樂音樂程序?yàn)槔?，控制潛水泵轉(zhuǎn)速的方法如下： 每個(gè)音符對(duì)應(yīng)一種轉(zhuǎn)速代碼，潛水泵的轉(zhuǎn)速隨音符改變而改變。調(diào)速程序必須經(jīng)過一個(gè)最小時(shí)間 1/4拍 才能輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速代碼的轉(zhuǎn)速，在調(diào)速程序中，采用一個(gè)存儲(chǔ)單元（ 90H）作為轉(zhuǎn)速 輸入單元，另一個(gè)存儲(chǔ)單元（ 95H）記錄晶閘管導(dǎo)通時(shí)間，并通過延時(shí)程序來實(shí)現(xiàn)。 在調(diào)速程序中，我們采用 8位數(shù)據(jù)記錄電機(jī)的轉(zhuǎn)速代碼，其中低 3位（ 示接通比例 N，第 4、 5位（ 示接通檔次，高 3位（ 用。接通檔次表示調(diào)速為低速調(diào)速、中速調(diào)速還是高速調(diào)速，其值為 00B， 01B， 10B，11B}，當(dāng)接通檔次為 00B 時(shí)，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管 通比例外不接通晶閘管；當(dāng)接通檔次為 01B 時(shí)，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管 通比例外接通晶閘管 接通檔次為 10B 時(shí)，在轉(zhuǎn)速代碼設(shè)定的接通比例內(nèi)接通晶閘管 通比例外接通晶閘管 接通檔次為 11通比例只有 00H 一種，這時(shí)在整個(gè)調(diào)速周期內(nèi)接通晶閘管 水泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)。接通比例的取值范圍 000此可知，轉(zhuǎn)速代碼的取值范圍為000911共十八個(gè)代碼，其中 00低速檔代碼，09中速檔代碼， 11高速檔代碼。所以潛水泵除零速外共有十八檔轉(zhuǎn)速。 上述方法可以使?jié)撍镁邆涫藱n轉(zhuǎn)速的調(diào)速能力，但這個(gè)方法也有一些缺點(diǎn) ，主要是： ① 潛水泵的轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的，使?jié)撍玫臋C(jī)械噪聲增大，在此我采取防止轉(zhuǎn)子軸向運(yùn)動(dòng)的措施減少噪聲，把潛水泵和水管固定。 ② 低速檔接通比例較低時(shí)，潛水泵主軸出現(xiàn)蠕行，不能正常工作，必須限制最小轉(zhuǎn)速代碼?？扇サ舻退贆n轉(zhuǎn)速代碼中最低接通比例的三個(gè)代碼，保留轉(zhuǎn)速青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 較高的十五檔轉(zhuǎn)速。 采用改進(jìn)的控制位波形和限制最小轉(zhuǎn)速代碼之后，潛水泵在應(yīng)用中取得較好的調(diào)速和調(diào)節(jié)流量的效果。 制電磁閥軟件設(shè)計(jì)模塊 控制閥主要是控制噴池花型，由于采用 去相同的花型噴頭，所以噴池花型 只有 1 到 256種。可以人工按鍵選擇，其噴池花型值通過 碼管顯示出來，即第幾號(hào)花型，選擇了噴池花型值就使相應(yīng)的電磁閥通電， 高電平口使電磁閥有電 。 高電平口使電磁閥有電，電磁閥編號(hào)與的編號(hào)對(duì)應(yīng)，則 的 噴頭數(shù)據(jù)一樣。 控制電磁閥子程序模塊 A， 31H； 求出花型數(shù)據(jù) A， 32H A， 33H 34H， A； 保存起來 #0指向 1#8155命令口 A， #3H； 設(shè)置命令字 @ A 指向 1# A， 34H @A； 高電平口使電磁閥有電 指向 1# A， @ A 曲存儲(chǔ)模塊 頻脈沖的產(chǎn)生 若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（ 1/頻率），再將此周期除以2，即為半周期的時(shí)間。利用定時(shí)器計(jì)時(shí)半周期時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)終止后就將 I/后重復(fù)計(jì)時(shí)再反相。就可在 I/用 單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器使其工作計(jì)數(shù)器模式（ ，改變計(jì)數(shù)值 產(chǎn)生青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，例如， 頻率為 523周期 T＝ 1/523＝ 1912μs ，因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí) 956μs/1μs ＝ 956，每計(jì)數(shù) 956 次時(shí)將 I/O 反相，就可得到中音 523 表 的對(duì)照表 音符 頻率 譜碼 ( 音符 頻率 譜碼 ( 低 162 63628 #4740 64860 #277 63731 中 584 64898 低 294 63835 #5831 64934 #2311 63928 中 680 64968 低 3M 330 64021 #6 932 64994 低 449 64103 中 788 65030 #4370 64185 高 1046 65058 低 592 64260 #11109 65085 #5415 64331 高 2175 65110 低 640 64400 #21245 65134 #6 466 64463 高 3M 1318 65157 低 794 64524 高 4397 65178 中 123 64580 #41480 65198 #1554 64633 高 5568 65217 中 287 64684 #51661 65235 #2622 64732 高 6760 65252 中 3M 659 64777 #6 1865 65268 中 498 64820 高 7967 65283 每個(gè)音符使用一個(gè)字節(jié)，字節(jié)的高 4位代表音符的高低，低 4位代表音符的節(jié)拍，表 果 1 拍為 1/4拍是 ，只要設(shè)定延遲時(shí)間就可求得節(jié)拍的時(shí)間。假設(shè) 1/4 拍的節(jié)拍時(shí)間為 1拍應(yīng)為 4此類推。所以只要求得 1/4 拍的 間，其余的節(jié)拍就是它的倍數(shù)，如表 1/4和 1/8節(jié)拍的時(shí)間設(shè)定。 表 節(jié)拍與節(jié)拍碼的對(duì)照 節(jié)拍碼 節(jié)拍數(shù) 節(jié)拍碼 節(jié)拍數(shù) 1 1/4拍 1 1/8拍 2 2/4拍 2 1/4拍 3 3/4拍 3 3/8拍 4 1拍 4 1/2拍 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 5 1又 1/4拍 5 5/8拍 6 1又 1/2拍 6 3/4拍 8 2拍 8 1拍 A 2又 1/2拍 A 1又 1/4 拍 C 3拍 C 1又 1/2 拍 F 3又 3/4拍 表 各調(diào) 1/4 節(jié)拍的時(shí)間設(shè)定 曲調(diào)值 調(diào)值 4/4 125毫秒 調(diào) 4/4 62毫秒 調(diào) 3/4 187毫秒 調(diào) 3/4 94毫秒 調(diào) 2/4 250毫秒 調(diào) 2/4 125毫秒 表 簡譜 發(fā)音 T 值 簡譜碼 簡譜 發(fā)音 簡譜碼 5 低音 64260 1 6 中音 9 64968 6 低音 64400 2 7 中音 A 65030 7 低音 64524 3 1 高音 B 65058 1 中音 64580 4 2 高音 C 65110 2 中音 64684 5 3 高音 D 65157 3 中音 64777 6 4 高音 E 65178 4 中音 64820 7 5 高音 F 65217 5 中音 64898 8 高音 0 樂程序 先根據(jù)樂譜的音符按表 立 T 值表的順序，把 T 值表建立在 成發(fā)音符的計(jì)數(shù)值放在 譜碼（音符，參照表 高 4位，節(jié)拍（節(jié)拍數(shù)，參照表 低 4位，音符節(jié) 拍碼放在程序的“ 。 音樂程序模塊 00H ； 主程序起始地址 跳至主程序 0 跳至 #01H ； 設(shè) 島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 #82H； 中斷使能 30H， #00H； 取簡譜碼指針 A， 30H ； 簡譜碼指針載入 A # 至 A， @A+ 2， A； 取到的簡譜碼暫存于 Z 是否取到 00（結(jié)束碼）？ A， #0 不是，則取低 4 位（節(jié)拍碼） 90H, A； 為調(diào)速保存數(shù)據(jù) A； 將節(jié)拍碼存入 A， 將取到的簡譜碼再載入 A A； 高低 4位交換 A， #0 取低 4位（音符碼） 90H， A； 保存音符碼，為調(diào)速做準(zhǔn)備 取到的音符碼是否為 0？ 是，則不發(fā)音 跳至 A； 取到的音符碼減 1（不含 0） 22H， A ； 存入（ 22H） A； 乘 2 # 至 相對(duì)的高位字節(jié)計(jì)數(shù)值 ， @A+ A； 取到的高位字節(jié)存入 21H， A； 取到的高位字節(jié)存入（ 21H） A， 22H ； 再載入取到的音符碼 A； 乘 2 A； 加 1 A， @A+ 至