一種新型智能音樂噴泉設(shè)計(jì)

姜方琴，梁龍果

（興義民族師范學(xué)院，貴州 興義 562400）

噴泉作為一項(xiàng)藝術(shù)建筑，在國(guó)內(nèi)外一直都有很長(zhǎng)的歷史，音樂噴泉最初是為了滿足貴族的娛樂需求。現(xiàn)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(shè)計(jì)一款音樂噴泉控制系統(tǒng)以滿足人們的需要。首先音樂噴泉控制系統(tǒng)是一種集娛樂及觀賞為一體的娛樂休閑設(shè)備，該設(shè)備在進(jìn)行推廣的過程當(dāng)中能夠得到大量的普及，緊接著帶來了市場(chǎng)上的需求，因此國(guó)家關(guān)于音樂噴泉的研究工作也在加大力度。傳統(tǒng)音樂噴泉控制系統(tǒng)功能單一，無(wú)法緊跟時(shí)代的發(fā)展，已經(jīng)無(wú)法滿足人們的使用需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，各種各樣新式的音樂噴泉出現(xiàn)在了人們的眼前，音樂噴泉中加入了煙霧燈光，可以產(chǎn)生絢麗多彩的燈光效果，甚至還加入了舞臺(tái)表演等設(shè)備，極大地拓展了音樂噴泉控制系統(tǒng)的表現(xiàn)內(nèi)容。本文設(shè)計(jì)的新式智能音樂噴泉控制系統(tǒng)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(jī)播放器、移動(dòng)端設(shè)備來控制音樂，隨著音樂頻率的振幅變化，水柱也會(huì)隨之變化。總之，本文設(shè)計(jì)的智能音樂噴泉控制系統(tǒng)是能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)音樂幅度大小控制噴泉的高低及LED 燈亮滅數(shù)量的智能控制設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該音樂噴泉控制系統(tǒng)是利用STC89C52 單片機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)音樂噴泉控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)以外部音頻信號(hào)作為輸入?yún)?shù)，如用手機(jī)音樂播放器進(jìn)行播放或在電腦端播放音樂，也可以由藍(lán)牙音頻接收單元輸出的音頻信號(hào)作為輸入?yún)?shù)，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(gè)參與感，讓人們可以更好地來體會(huì)時(shí)代的進(jìn)步。這個(gè)音樂噴泉的設(shè)計(jì)根據(jù)有無(wú)音頻信號(hào)隨時(shí)啟動(dòng)或者暫停噴泉的水柱表演和LED 的亮滅。系統(tǒng)對(duì)該接收到的音頻信號(hào)進(jìn)行放大處理，利用外部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，STC89C52 單片機(jī)采集到轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)，并對(duì)該數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)地進(jìn)行處理。STC89C52 單片機(jī)控制外部LED 燈帶的點(diǎn)亮，同時(shí)控制水泵電機(jī)按照接收到的不同的音樂幅度來實(shí)現(xiàn)噴射水柱的高低變化。

本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、音頻輸入單元、音頻信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和噴水電機(jī)模塊及LED 燈帶等組成，通過KEIL4 軟件平臺(tái)編程，在PROTEUS 軟件上進(jìn)行仿真，通過多次的仿真及測(cè)試實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)又稱單片微控制器，屬于一種集成式電路芯片，其是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)微小的電路上，即將電路包括半導(dǎo)體設(shè)備或者被動(dòng)組件等以小型化的方式，整合在半導(dǎo)體晶圓的表面上，具有體積小、重量輕和價(jià)格相對(duì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，其中的單片機(jī)由中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、接口電路、計(jì)數(shù)器、中斷控制器、轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器及其他部件組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路主要包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，其主要的作用是能夠保證單片機(jī)的穩(wěn)定工作。時(shí)鐘電路能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)的運(yùn)行提供時(shí)鐘頻率信號(hào)。單片機(jī)復(fù)位電路的功能是在單片機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或者在單片機(jī)系統(tǒng)程序運(yùn)行紊亂時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)的重新啟動(dòng)運(yùn)行，在整體上保證單片機(jī)能進(jìn)行正常的工作。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

2.2 音頻功放電路

LM386 是美國(guó)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。LM386 與通用型集成運(yùn)放相類似，其是1 個(gè)3 級(jí)放大電路，第一級(jí)為差分放大電路，第二級(jí)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(shè)計(jì)原理圖如圖3 所示。

2.3 ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832 是美國(guó)半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于其體積小，兼容性高及性價(jià)比高而深受用戶歡迎。該芯片能實(shí)時(shí)采集2 路模擬電壓，該芯片在進(jìn)行處理模擬電壓的時(shí)候，具有8位的精準(zhǔn)度，采集模擬電壓數(shù)值后，采用逐次比較法，轉(zhuǎn)換為8 位數(shù)字量輸出。其能夠在不同的場(chǎng)合中進(jìn)行使用。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖4 所示。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)調(diào)速可分成3 大部分，即控制、驅(qū)動(dòng)和反饋。本系統(tǒng)采用PWM 控制方式來調(diào)節(jié)噴泉水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制噴水高度的目的。由圖3 可知，由單片機(jī)的P1.4 引腳依據(jù)音樂采樣結(jié)果輸出PWM 波，通過控制三極管的導(dǎo)通時(shí)間，來控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整噴泉的輸出高度，具體應(yīng)用電路如圖5 所示。

圖3 LM386 電路設(shè)計(jì)原理圖

圖4 ADC0832 電路設(shè)計(jì)原理圖

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)及易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)。上拉電阻驅(qū)動(dòng)LCD1602，對(duì)音頻電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化后，通過單片機(jī)控制，顯示到液晶顯示器上。同時(shí)需要單片機(jī)對(duì)采集到的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，進(jìn)一步控制水泵和LED 燈。

2.6 燈光控制模塊

LED 是一種發(fā)光器件，通過電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光，發(fā)光二極管可高效地將電能轉(zhuǎn)化為光能。本設(shè)計(jì)采用LED 燈，通過LED 燈的亮暗可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，單片機(jī)對(duì)采集到的電壓信息進(jìn)行等級(jí)分類判斷后，通過LED 燈根據(jù)電壓等級(jí)通過P3 端口，控制外部的LED 燈進(jìn)行工作，不同電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)不同的亮滅個(gè)數(shù)。

2.7 PWM 原理

脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，可以通過調(diào)整PWM 的周期，使PWM 的占空比達(dá)到控制充電電流的目的。彩燈控制系統(tǒng)和水泵電機(jī)控制系統(tǒng)均由PWM調(diào)壓程序進(jìn)行主控。電機(jī)工作的時(shí)候，電源并不是連續(xù)地向電機(jī)供電，而是在一個(gè)特定的頻率下以脈沖的形式提供電能，不同占空比的信號(hào)能對(duì)電機(jī)起到調(diào)速作用。不同的占空比能改變加在電機(jī)2 端的電壓大小，從而改變轉(zhuǎn)速。

3 軟件測(cè)試

在本次音樂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集及輸出部分進(jìn)行初始化處理，初始化完畢之后，單片機(jī)要對(duì)模擬音頻信號(hào)進(jìn)行處理，將其數(shù)字化的音頻量顯示到液晶顯示器上；同時(shí)需要對(duì)采集到的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，不同電壓等級(jí)點(diǎn)亮不同的LED 燈個(gè)數(shù)，每一個(gè)等級(jí)上都設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過控制輸出PWM信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制噴泉的高度。系統(tǒng)的硬件和軟件部分設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，從而觀察效果并發(fā)現(xiàn)問題，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。本次系統(tǒng)調(diào)試主要對(duì)單片機(jī)程序及硬件電路進(jìn)行調(diào)試，在仿真檢測(cè)中，使用PROTEUS 軟件進(jìn)行畫圖，通過KEIL4 軟件平臺(tái)編程，編譯成功后就在仿真軟件上進(jìn)行仿真。仿真電路圖如圖6 所示。

圖6 仿真電路圖

4 實(shí)物測(cè)試

通過仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證，最終得到了符合理想的狀態(tài)。當(dāng)焊接單片機(jī)、LM386、液晶顯示模塊、LED 燈和電機(jī)等元器件出現(xiàn)焊點(diǎn)不牢時(shí)，會(huì)導(dǎo)致驗(yàn)證時(shí)LED 燈不亮、水泵噴射出現(xiàn)不高的情況。通過手機(jī)播放器給該系統(tǒng)輸入音頻電源，充電寶提供電源，在手機(jī)播放音樂的時(shí)候，音頻信號(hào)越大，輸出的電壓信號(hào)也會(huì)越大。單片機(jī)接收到音頻信號(hào)的輸入時(shí)，該信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，水泵會(huì)隨著音樂的節(jié)奏噴射水柱，實(shí)現(xiàn)了隨著音樂頻率不斷發(fā)生變化而進(jìn)行噴水，再次播放不同的音樂，水泵也會(huì)不斷地噴涌出不同的水柱，同時(shí)也會(huì)控制LED 燈的點(diǎn)亮個(gè)數(shù)。與此同時(shí)，喇叭將接收到的音頻信號(hào)進(jìn)一步擴(kuò)大后，實(shí)現(xiàn)在每一個(gè)場(chǎng)合都能夠?qū)⒁魳凡シ懦鋈?，從而?shí)現(xiàn)音樂噴泉的設(shè)計(jì)思路。實(shí)物測(cè)試圖如圖7 所示。

圖7 實(shí)物測(cè)試圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)可以根據(jù)音樂的聲調(diào)、節(jié)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(jìn)行播放，選擇音樂的途徑也比較方便，可幫助人們實(shí)現(xiàn)隨時(shí)更換音樂就能解決水柱變化情況，從而達(dá)到音樂、水花與燈光氣氛同步進(jìn)行的效果?？傊?，通過軟硬件設(shè)計(jì)和仿真，采用單片機(jī)作為主控制器，把輸入的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)音頻信號(hào)控制和調(diào)節(jié)外部水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)噴射水柱高度的智能調(diào)節(jié)，同時(shí)調(diào)整LED 燈點(diǎn)亮個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)噴泉的智能化控制。