基于单片机的音乐喷泉控制器设计.docx

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基于单片机的音乐喷泉控制器设计

苏州工业园区职业技术学院

毕业项目

2011届

2011年5月5日

项目类别：

毕业设计

项目名称：

基于单片机的音乐喷泉控制器设计

专业名称：

应用电子技术

姓名：

王健

学号：

200800784

班级：

电子08301

指导教师：

张筱云

苏州工业园区职业技术学院

毕业项目任务书（个人表）

系部：

电子工程系

毕业项目类别：

毕业设计

毕业项目名称：

基于单片机的音乐喷泉控制器设计

指导教师：

张筱云

职称：

副教授/高工

类别：

专职

学生：

王健

专业：

应用电子

班级：

电子08301

1、毕业项目的主要任务及目标

任务：

设计并制作一个校园音乐喷泉控制器,使其具有基本的音乐播放、在线下载、水泵控制等基本功能。

目标：

提供一个音乐喷泉控制器硬件及可移动音乐喷泉实物。

完成一篇7000字以上（图文混排A415页左右）的报告。

2、毕业项目的主要内容

论文的主要内容：

总体方案设计；音乐喷泉控制器硬件设计，包括在线下载、音乐采集设计；音乐控制水泵驱动模块硬件电路原理图设计、硬件电路PCB版图设计；音乐喷泉控制器软件设计；音乐喷泉实物调试。

要求：

（1）采用学院规定的文档格式

（2）论文正文层次分明，行文流畅，易懂

（3）不得整段抄袭他人文章或技术资料

3、主要参考文献

[1]陈忠平、曹巧媛,《单片机原理及接口》,清华大学出版社,2010

[2]张志良,《单片机原理与控制技术》,机械工业出版社,2011

[3]张筱云,《C51控制技术》,校本教材,2012

[4]张筱云,《单片机扩展与接口技术》,校本教材,2012

[5]赵华军，PLC在生产线送料小车控制系统中的应用，《机电工程技术》,第36卷第三期

[6]郝力文、王子文，车间运输小车的智能控制，《机电工程》，2001年第28卷增刊

4、进度安排

毕业项目各阶段任务

起止日期

1．音乐喷泉资料收集

10.11.10—10.11.30

2．音乐喷泉方案制定

10.12.01—11.01.01

3．音乐喷泉硬件设计

11.02.01—11.02.15

4．音乐喷泉软件设计

11.02.01—11.02.15

5．音乐喷泉软硬件模块调试

11.02.15—11.03.31

6.音乐喷泉实物调试

11.04.01—11.04.30

7.完成研究报告（毕业论文）

11.5.01—11.05.15

8．准备答辩

11.5.16—11.05.22

诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业项目报告/论文《基于单片机的音乐喷泉控制器设计》是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。

论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。

本声明的法律结果由本人独自承担。

作者签名：

年月日

目录

摘要1

1音乐喷泉的概述1

1.1音乐喷泉简介1

1.2音乐喷泉的发展方向2

1.3音乐喷泉的设计意义2

2校园音乐喷泉的方案分析与论证2

2.1校园音乐喷泉控制器的要求2

2.2校园音乐喷泉控制器的方案分析3

2.3方案论证5

3控制系统硬件设计5

3.1校园音乐喷泉控制系统结构框图5

3.2校园音乐喷泉控制器硬件原理图6

3.3单片机主控模块7

3.4控制器电源模块8

3.5控制器红外遥控模块9

3.6SD卡模块11

3.7F/V转换模块13

3.8A/D模块16

3.9D/A模块18

3.10功率放大模块20

3.11液晶12864显示模块21

3.12变频器工作原理23

4控制系统软件设计24

4.1主程序流程图24

4.2红外信号处理程序流程图25

4.3AD_DA转换程序流程图27

5设计测试结果仿真与调试28

5.1仿真调试28

5.2现场调试29

6总结33

7参考文献34

摘要

本文介绍一种以单片机为核心对音频信号进行处理的音乐喷泉控制器，很好的实现了音乐与喷泉的同步性。

在基本功能达到的同时，在喷泉的外围设备上加以修饰（如灯光、喷头），并且由单片机控制很好的将它们融入了音乐，随着音乐节奏变化而变化。

此次设计该音乐喷泉控制器的音源来自于SD卡模块，使用了红外遥控对控制器进行控制，并且通过液晶模块进行同步显示。

充分体现了此次设计目的：

小、精、全。

关键词：

AT89S52，F/V转换，校园音乐喷泉，变频器

1音乐喷泉的概述

1.1音乐喷泉简介

喷泉是人工环境中最富有生命力的景观,它具有分隔空间、增加层次、净化空气、美化环境的作用。

现代高科技把美妙的音乐、多姿的喷泉造型、五彩缤纷的水下灯光、神奇的激光图文，通过电脑有机的结合在一起，给人以音乐声响、视觉形象、色彩变换三位一体的超自然享受（如图1-1、1-2）。

随着我国人民物质生活水平的不断提高，对于精神生活的要求也在不断提高，为进一步改造环境景观，建设一个音乐喷泉是很有必要的。

图1-1音乐喷泉1图1-2音乐喷泉2

1.2音乐喷泉的发展方向

1.2.1冷雾喷泉

     淡淡的干雾，别有韵致的，轻轻地舒展着妩媚。

时而浩浩而来，时而蜿蜓而去，时而高耸如云，时而低回萦绕，使得空气纯净而湿润。

而且变化莫测，让人透出阵阵沁人心脾的惬意，如濒临世外仙境，配上如痴如醉的音乐，如梦如幻，产生虚无缥缈的梦幻般感觉，从而更增添了几分朦胧之美与神秘之感。

干雾似乎能让人在熙攘市嚣中，暂时得以洗涤一身凡俗，舒缓那忐忑不安的心灵，也充分体现了人与自然不可分割的密切关系。

1.2.2水幕电影

      电影，人们并不陌生，继立体电影和全景电影之后，当今电影业最热闹的、最令人耳目一新的莫过于激光水幕电影了。

它是将激光电影投射在特制的大型水幕之上，内容新鲜刺激，激光变幻莫测，新奇飘逸的意境确实令人神往。

1.2.3玻光喷泉

     弧形玻光水线穿池而出。

单而高的喷、小而飘逸的泉，更强化了起伏效果，一种轻灵、腾飞之势呼之欲出，从而增加了亲水性，在流动的水面中创造了不同层次的水景，形成颇具特色的景观。

1.3音乐喷泉的设计意义

现在音乐喷泉是现在高科技技术在传统喷泉上的升华，是高科技的一种美的体现。

做好一个真正的音乐喷泉并不是很容易的事，它涉及到信号处理、控制技术、模式识别、流体力学、机械设计等多种技术。

需要对这些技术融会贯通才能做到熟能生巧，才能设计制造出生动活泼的美妙喷泉。

2校园音乐喷泉的方案分析与论证

2.1校园音乐喷泉控制器的要求

首先音乐音乐喷泉最基本且最核心的要求就是音乐与喷泉同步，在听觉和视觉方面同时给人一个美的冲击。

而校园音乐喷泉顾名思义，在完成音乐喷泉基本功能的同时，还要充分体现出以下两个方面：

（1）校园音乐喷泉控制器的外观大小：

此次设计突破人们的常规思想，因为每提到音乐喷泉，大家都会首先意识到各大型广场那壮观的一幕幕大型喷泉场景。

此次设计目的是将音乐喷泉带到大家的身边（如学校、家庭），所以在外观大小方面做到精致，同时达到灯光与喷头的效果，最终实现喷泉可移动性。

（2）校园音乐喷泉控制器的功能完善：

在完成了音乐喷泉的基本功能后，外观大小做到精致的同时，必须保证功能的完整性。

该控制器实现红外控制、液晶同步显示、音源模块与电脑方便通讯等功能。

2.2校园音乐喷泉控制器的方案分析

下面我们就如何能方便、简单地实现校园音乐喷泉的以上功能及经济角度等方面，将在音乐喷泉控制系统中常用的各种控制控制器或控制电路的优缺点进行简单地比较。

方案1：

继电器-接触器控制系统

该系统与其他系统相比，结构比较简单，易于理解和掌握，其设计成本也相对较低。

但从应用于该大型广场音乐喷泉系统中来看，该系统有以下几个缺点：

（1）接点易磨损，电接触不好；

在一个喷泉系统中，需要用到的继电器、接触器的数量是相当大的，因此，在此控制系统中，如果有一个触点接触不良，整个系统就会瘫痪，而且要找出故障元件是很难的，维修也相当烦琐。

（2）功能局限性；

接触器动作缓慢以及过度延时是该系统的缺点之一，因为该控制系统要求与音乐同步，并能实时的表现出音乐信号的变化。

同时，以接触器为控制核心，很难实现红外通讯与液晶通讯。

综上所述，由于该系统有诸多弊病，继电器-接触器系统仅仅应用于反应速度、精度、实时性要求不是很高的场合，随着科技的进步，该型控制系统已逐渐被淘汰。

方案2：

PLC控制系统

经过数十年的发展，PLC技术已越来越成熟，应用的范围也越来越广泛，几乎渗透到了各行各业。

而在很多的控制应用系统中，以PLC为核心的控制系统逐渐成为理想的控制系统，主要特点：

硬件的可靠性高、编程简单，使用方便。

但该控制系统存在以下几个缺点：

（1）性价比

一个产品的设计成功与否，主要考虑它的实用性与性价比，所以性价比是一个

不可忽视的环节，由于本次设计核心是一个校园音乐喷泉控制器，不仅在功能上要基本实现，而且需要有所突破，比如：

配上红外控制，液晶显示。

这样PLC在通讯和I/O数量方便需要扩展，需添加相应的扩展模块，这样就大大提高了设计成本。

（2）音乐与喷泉同步问题

音乐的频率是一个很精准的模拟量，如果想很好的实现喷泉与音乐的同步问题，那么采集音频、音频转换等过程需要精度很高，而PLC本身不自带各转换模块（如AD、DA等），所以需要再次扩展，那么又重新回到性价比问题。

综上所述，PLC更适合一些大型的音乐喷泉制作，成本可以不计于考虑，但此次设计核心是校园音乐喷泉，以精致、性价比高为特点，将来还可能走向家庭，所以成本理应考虑。

方案3：

工业PC机控制系统

目前市面上很多专业的音乐喷泉公司制作音乐喷泉开始采用工业PC机作为音乐喷泉的控制核心，利用PC机的软件程序，对采集的音频信号进行图像化分析，这样就充分实现了音乐与喷泉的结合。

这是一个技术性的突破，但是从经济角度去考虑，PC机的价格相对较高，同时PC机的体积较大。

所以与本次设计特点相冲突。

方案4：

单片机控制系统

这是一个科技信息的时代，高科技智能化产品在一代代更新，但我们有没有想过，它们之所以更新那么快，原因在于它们的核心控制器件在更新，那就是单片机。

其实不管是PLC还是PC机等控制器，他们主核心控制还是由单片机完成，所以单片机的存在是具有很大的意义。

其主要特点主要有：

（1）单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。

ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数及数据表格。

RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。

这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储器空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。

这样，小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度。

但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速缓冲存储器（Cache）使用。

（2）采用面向控制的指令系统。

为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。

（3）单片机的I/O引脚通常是多功能的。

由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。

引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。

（4）单片机的外部扩展能力强。

在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展ROM、RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等），与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。

（5）体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。

（6）面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。

（7）抗干扰能力强，适用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它类型计算机无法比拟的。

（8）可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。

综上所述，单片机的特点与本次校园音乐喷泉控制器的设计理念及要求完全符合。

2.3方案论证

对音乐喷泉的成败最重要的是看喷出的水流量是否有音乐感。

单片机的主要功能是对音乐信号进行处理，再将处理后的信号传输到下一级控制设备，这样就可以控制所需的水型及灯光按照音乐的节奏高低起伏和动感变化，使音乐喷泉真正达到了水上芭蕾的艺术效果。

单片机所具有的准确、精密、快速、通讯方便和多点控制的功能已使它成为现代高技术音乐喷泉工程中不可缺少的设备。

通过对上述方案分析可知，该系统从理论上讲，可以采用的控制器有：

继电器-接触器控制；PLC控制；PC机控制；单片机控制等四种控制器。

综上所述，对这四种不同形式的控制器的比较，在校园音乐喷泉的控制系统中，很显然单片机作为控制器的优势比较明显、突出。

因此，在此次校园音乐喷泉控制系统中选用了单片机作为控制器的方案。

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致谢

值此论文完成之际，谨对近3年来指导、帮助、关心过我的老师们表示深深的谢意！

特别感谢张筱云老师，在论文的整个阶段都给予了我精心的指导，她严谨的治学态度和对工作的热爱态度也将在以后深深地影响着我。

感谢我的家人，是他们给了我物质和精神上的大力支持。

感谢长久以来并肩战斗这的同学们，我相信我将永远铭记并感谢这段青春岁月!

参考文献

[1]陈忠平、曹巧媛,《单片机原理及接口》,清华大学出版社,2010

[2]张志良,《单片机原理与控制技术》,机械工业出版社,2011

[3]张筱云,《C51控制技术》,校本教材,2012

[4]张筱云,《单片机扩展与接口技术》,校本教材,2012

[5]赵华军，PLC在生产线送料小车控制系统中的应用，《机电工程技术》,第36卷第三期

[6]郝力文、王子文，车间运输小车的智能控制，《机电工程》，2001年第28卷增刊

附录：

PCB版图