1、0电 子 系 统 设 计大作业课 题： 简易音乐喷泉的制作 组 员： 任课老师： 1目 录一、 设计任务和分析 -1二、 硬件电路设计 -12.1 总体设计 -12.2 各模块设计 -22.2.1 单片机最小系统 -22.2.2 A/D 转换模块 -22.2.3 音频放大模块 -32.2.4 LED 灯及电机 -3三、 程序设计 -43.1 主程序设计 -43.1.1 设计框图 -43.1.2 程序代码 -43.2 A/D 转换程序设计 -53.2.1 A/D 转换程序原理 -53.2.2 A/D 转换程序框图 -63.2.3 A/D 转换子程序代码 -73.3 PWM 调压设计 -83.3.
2、1 程序框图 -83.3.2 PWM 调压子程序 -8四、 调试和测试结果分析 -104.1 调试 -104.2 结果分析 -1001、设计任务和分析基本任务：用 MCS-51 单片机设计一个音乐喷泉，要实现喷水高度的连续控制，就必须能够调节喷头出水水压，而通过调节水泵转速可以达到平滑调节水压的目的。系统采用对单片机进行编程，通过单片机输出改变的 PWM 来控制直流电机工作转速，进而使水柱发生变化。当有音乐信号时，获取声音强度，通过 A/D 转换采集音频电压强度，再通过软件计算占空比输出 PWM，作用到电机上，使喷头产生随音乐起伏的效果。同时通过将 PWM 的占空比与设定的8 档值比较来控制
3、8 盏 LED 灯随音乐起伏的效果。2、硬件电路设计2.1 总体设计本设计方案为当有音乐信号时，获取声音强度，通过 A/D 转换采集音频电压强度，再通过软件计算占空比输出 PWM，作用到电机上，使喷头产生随音乐起伏的效果。同时通过将 PWM 的占空比与设定的 8 档值比较来控制 8 盏LED 灯随音乐起伏的效果。单片机AD 转换功放 单 片 机 喇叭 单 片 机 频谱彩灯显示驱动 单 片 机 水泵 单 片 机 电源 单 片 机 图 2.1 总体设计图12.2 各模块设计2.2.1 单片机最小系统STC89C52 单片机的最小系统电路包含以下几个部分： 单片机供电电路：AT89S52 需要具有可
4、靠的 5V 供电，在电路图中的 VCC 和 GND 为供电网络标识符； 振荡电路：AT89S52 需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，在该电路采用了 24Mhz 的晶振作为 AT89S52 的时钟源； 复位电路：复位电路是单片机正常运行的一个必要部分，复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位，在单片机正常工作时将 RST引脚置低。此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。2.2.2 A/D 转换模块ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。ADC0832 具有以下特点： 8 位分辨率； 双通道 A/D 转换； 输入输出电
5、平与 TTL/CMOS 相兼容； 5V 电源供电时输入电压在 05V 之间； 工作频率为 250KHZ，转换时间为 32S； 一般功耗仅为 15mW； 8P、14P DIP（双列直插）、 PICC 多种封装图 2.2图 2.322.2.3 音频放大模块LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386 特性： 静态功耗低，约为 4mA，可用于电池供电； 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V； 外围元件少； 电压增益可调，20-200； 低失真度；2.2.4 LED 灯及
6、电机图 2.5 电机驱动电路 图 2.6 LED 电路 图 2.433、程序设计3.1 主程序设计3.1.1 设计框图图 3.1 主程序框图3.1.2 程序代码void main()while(1) penquan(); /调用 PWM 调压函数，通过延时改变输出高低电平，/并根据占空比控制 LED开始A/D 采集PWM 调压43.2 A/D 转换程序设计3.2.1 A/D 转换程序原理图 3.2 ADC0832 通道选择如图 2.1 所示，当 SGL 与 ODD2 位数据分别为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“1”、“1 ”时，只对 CH1 进行单通道转换。当
7、2 位数据为“0”、“0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当 2 位数据为“0”、“ 1”时，将 CH0 作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。图 3.3 ADC0832 转换时序图5当时钟信号到第 3 个脉冲的下降沿时，DO/DI 端开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下降沿开始由 DO 端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个时钟下降沿 DO 端输出下一位数据。直到第 11 个时钟脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个时钟下
8、降沿输出 DATD0。随后输出 8位数据，到第 19 个时钟下降沿时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。3.2.2 A/D 转换程序框图图 3.4 A/D 转换程序框图否是开始初始化通道选择启动 A/D 转换读取一位数据8 位读取完毕？读取 1 位校验数据8 位读取完毕？两次数据相等？返回转换值 返回 0返回是是否否63.2.3 A/D 转换子程序代码unsigned char ad0832read(bit SGL,bit ODD)unsigned char i=0,value=0,value1=0;SCL=0;D
9、O=1;CS=0; /开始SCL=1; /第一个上升沿SCL=0;DO=SGL;SCL=1; /第二个上升沿SCL=0;DO=ODD;SCL=1; /第三个上升沿SCL=0; /第三个下降沿DO=1;for(i=0;i300) led1=1; else led1=0;if(h1700) led2=1; else led2=0;if(h11000) led3=1; else led3=0;if(h11300) led4=1; else led4=0;开始读取音频电压更新 PWM 占空比输出 PWM 低电平根据 PWM 低电平时间软件延时根据 PWM 占空比控制 8 盏 LED 亮灭，共 8 档输
10、出 PWM 高电平根据 PWM 高电平时间软件延时返回8if(h11600) led5=1; else led5=0;if(h11800) led6=1; else led6=0;if(h12000) led7=1; else led7=0;if(h12200) led8=1; else led8=0;out=1;delay(date-100);94、调试和测试结果分析4.1 调试调试分为两步，一是硬件调试，二是软件调试。本人主要负责软件调试也参与了硬件调试。在硬件调试方面由于电机运转会给电路带来噪声，想要完全去除噪声在现有条件下很难做到，因此我们只能尽量减少了噪声。查阅资料发现电机的噪声对电
11、源影响较大，于是在电源模块增加了滤波处理，主要通过与地之间串接电容来实现。另一方面，在 LM386 功放输出端加了大电容接喇叭来减少输出到喇叭的噪声。同时由于音频电路对走线有较高要求，限于经验不足，未做到较完善的考虑，仅将喇叭接线的地尽量远离电源输入的地。经过以上改动后，噪声有明显减少，但不能完全消除。并且，功放的放大倍数对噪声也有影响。放大倍数大，会将噪声一并放大。虽然减小放大倍数可以一定程度上减小噪声，但是随着放大倍数的减小，A/D 转换的电压范围也随之减小，即PWM 的分辨率减小而使喷水的变化和 LED 的变化都随之减小，效果减弱。因此减小放大倍数时要适度。在软件调试方面，由于软件只有两
12、部分组成，即 A/D 转换和 PWM 调压。A/D 转换方面不需要十分精确的数据，也考虑到喷泉是实时性的，对反应速度有要求，所以没有用到滤波处理。PWM 调压主要实现了电机的 PWM 输出和LED 的控制。鉴于两者有一定联系，将两部分整合在了一起，也可以提高反应速度。由于电机的调速是由 PWM 来控制，因此软件通过根据占空比分别延时输出高电平和低电平来实现 PWM。其占空比的计算则通过 AD 采集的 8 位分辨率决定，设 AD 采集值为 U。因为满量程为 255，高电平时间为 U，则低电平时间为 255-U.。另外，通过 U 的值与预设的 8 档量程比较来控制 LED 的变化效果，电压越高，亮的 LED 就越多。由于 AD 为 8 位精度，而单片机对浮点数的运算能力又有限。所以为了提高精度，将 U 放大 10 倍。这样 LED 的变化效果可以更加明显。4.2 结果分析通过调试，已基本可以实现设计目标。通过喇叭输出的音乐在高音量时基本听不出噪声，且 LED 的变化和喷水的变化已基本能达到预想的效果。在此基础上未来可以通过增加电机和喷头来实现连环喷水的效果，且 LED 也可以设置成专业的彩色频谱灯，来实现更加令人赏心悦目的效果。10图 4.1 实验效果图 1图 4.2 图 4.1 实验效果图 2
