1、 学号： 常 州 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ）（2012 届）题 目 音乐喷泉控制器的设计 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月I音乐喷泉控制器的设计摘要：音乐喷泉的核心部分是控制器。音乐喷泉之所以能展现出各种不同的效果，是因为音乐喷泉控制器能控制喷头和灯光，显现多变的曲线和色彩。不同的喷泉所需的水泵和彩灯组数也不尽相同，所以喷泉控制器可以采用简单、通用、组数能灵活扩充的控制器。为了达到这一目的，本喷泉控制器由模拟电路与数字集成电路相结合，这种设计就可以灵活的改变水泵和彩灯组数。本设计的核心控制器是 AT89S52 单片机，主要
2、包括音乐产生模块、运放模块、A/D 转换模块、滤波放大模块、单片机控制模块、继电器模块以及彩灯模块。其系统原理是音乐信号分两路输出，一路信号经过运放电路之后为喇叭提供信号，另一路信号经过 A/D 转换之后提供给单片机，最后由单片机根据该信号控制电机、彩灯以及继电器。整个设计采用模块化设计易于该设计的推广使用。关键词：音乐喷泉；控制器；电机；继电器Design of musical fountain controllerAbstract:The musical fountain controller is the centre of the musical fountain. The contr
3、oller dominates sprinklers and lighting of fountain so that it manifests various spectaculars with different curves and colors. Since water pumps and the number of color lamp vary due to different types of fountains, so we need to design a controller with simple, general, and flexible expanding char
4、acter. This eruptive fountain controller is the combination of analog circuits and the digital circuit design, which can change the operation of water pump and the colored lantern group number nimbly.In my research, the control core of fountain is AT89S52 MCU, including the music module, the op amp
5、module, A/D converter module, filter amplifier module, microprocessor control module, relay module and the lantern module. The principle of the system is that the music signal is outputted through two routes, namely, through the op amp circuit, the loudspeaker can receive a part of the signal, and t
6、hrough A/D converter, the single chip can receive the other part of the signal. Then the single chip can control motors, lights and relays, according to the signal. This controller can be easily promoted for its modularized design.Key Words:Music fountain;Controller; Electrical appliances; RelayIII目
7、 录摘要.目次.1 绪论.11.1 课题背景以及意义 11.2 国内外研究现状 11.3 课题研究的内容及意义 22 总体方案的设计.32.1 方案比较 32.2 系统简介 43 芯片的选择与功能介绍.63.1 AT89S52 单片机 63.2 音频信号放大器 83.3 A/D 转换芯片 .93.4 电机驱动 L298N103.5 电机的选择与确定 113.5.1 步进电机的介绍.113.5.2 直流电机的介绍.123.5.3 电机的选择.134 硬件电路的设计.144.1 音乐 MP3 模块 144.2 音乐信号的滤波放大模块 154.3 A/D 转换电路 .164.4 运放模块（音频放大）
8、 184.5 单片机控制模块 194.6 电机驱动模块.214.7 继电器模块 234.8 彩灯控制模块.245 硬件设计与调试方法.255.1 硬件原理图设计环境 255.2 硬件调试 266 软件程序设计及流程图.286.1 系统整体软件设计的环境.286.2 软件设计流程图 286.3 代码编写 306.4 软件调试 317 结论.33致 谢.35附 录 A.36附 录 B .38常州大学本科生毕业设计（论文）第 1页 共 40页1 绪 论1.1 课 题 背 景 以 及 意 义随着生活水平提高，人们对于美化生活环境的要求也是越来越高。在公园、广场以及其他一些公共场合的音乐喷泉也越来越多。
9、人工的喷泉在城市广场、公共建筑、园林也是很常见的。它不仅是一种观赏性较高的艺术水景，而且也能够增加周围空气的湿度，减少空气中的尘埃，降低空气的温度。从喷头喷出来的水柱与空气中的水分子撞击后能产生大量的氧负离子，从而对改善环境起着重要的作用。音乐喷泉作为人文景观和自然景观相结合的产物，已经深受广大人名群众的喜爱。所以有关音乐喷泉的研究也就丰富了起来。目前，我国大型音乐喷泉技术已经趋于成熟，但是对于小型音乐喷泉的研究较少。控制系统作为整个音乐喷泉的核心部分，其余部分和普通类型的喷泉基本一致。音乐喷泉的控制系统可采用可编程控制器 PLC 作为核心，也可以采用单片机作为总的控制核心。对于小型音乐喷泉最
10、适合的控制核心还是单片机。其适合于一般城市、小型广场和普通的居民区的小型音乐喷泉，由于其要求控制简单，使用单片机完全可以满足要求，而且成本较低更适合普及，是未来的音乐喷泉发展的必然趋势。本课题主要研究的是用单片机作为音乐喷泉控制系统的核心，设计出一种控制简单，成本较低而且便于推广的小型音乐喷泉控制系统。本系统以单片机（AT89S52 ）作为核心处理器，通过 MP3 模块输出的音乐节奏的不同控制电机的不同转速跟灯光的闪烁，从而实现音乐与喷泉的同步，增加了音乐喷泉的欣赏价值。1.2 国 内 外 研 究 现 状国外，目前世界上最大的喷泉是由美国 Bellagio 喷泉制造商 WET 公司设计而成的，
11、它就是迪拜音乐喷泉。其投资总额达2.18亿美元，总长度为275米，最高喷射高度为150米，其最大喷水量为2.2万加仑，比原世界第一的美国 Bellagio 喷泉大了25%。同时，该喷泉有6600个灯和50个彩色的投影机。喷泉随着音乐起伏有上千种变化，或婉约或豪放，令人叹为观止，目不暇接。有报道称，在20英里内都能看到迪拜喷泉的灯光。国内，西安大雁塔位于北广场中轴线上的音乐喷泉，南北横向长达350米，东西纵向宽为52米，最宽处有 N 米，呈 T 字型，它由八级跌水池、百米瀑布水池及前端音乐水池三个区域组成，这三个部分既可以单独分区表演也可以整体表演。音乐喷泉流光溢彩，远远望去，如烟似雾。八级喷泉
12、方阵的喷头有1024个，每个喷头是由一台水泵和变频器独立控制，喷泉共计有水泵1360台，变频器1124台，彩灯3300余盏，喷头2000多只。整个喷泉共有22种国内最新推出的科技含量较高的新颖独立水型。大型激光水幕有20米高，从水中喷出喷火泉有4台，在6米高空充分燃烧低温爆开，这些设计增加了整个喷泉的夺人气魄，取得了独特观赏效果。水下池面地灯、LED 光带及岸上电脑灯多光源照明使喷泉融声、光、水、色于一体。由此可见国内外的音乐喷泉设计均已达到了一个相当高的水平。现今的音乐喷泉应不断取得国内外传统的喷泉技术上新的突破，将喷泉的娱乐观赏性与创新的时代文化、前瞻的艺术创想、浓郁的地方特色有机的结合起
13、来，别具一格，独领风骚，使音乐喷泉可以随音乐的曲调的变动而控制水型的变换从而展现音乐喷泉的美感。1.3 课 题 研 究 的 内 容 及 意 义本课题主要研究的内容如下：音乐信号由 MP3模块产生提供，经过滤波放大模块对音乐信号处理之后，再传输给 A/D 转换模块，最后由单片机进行总控制。执行部分分为 3个部分，第一部分是音乐信号经过运放之后通过喇叭播放，第二部分是通过单片机传输信号给彩灯控制模块执行，最后一部分就是通过单片机输出的 PWM 波控制电机驱动再控制直流电机。整个设计本着简单，快速，精准的方式实现了音乐喷泉的系统控制。音乐喷泉作为一种独特的人工景观，获得了广大人民的喜爱，不仅使得人们
14、在视觉上得到了享受，而且在音乐背景下，能够激励我们的心智。目前音乐喷泉已经成为一种娱乐产业，具有很高的经济效益和社会效益，研究和设计高水平的音乐喷泉控制技术是非常重要的。常州大学本科生毕业设计（论文）第 3页 共 40页2 总 体 方 案 的 设 计2.1 方 案 比 较方案一：采用89S52 单片机为主控制芯片的设计方案。本方案的的设计思路是首先对于 MP3产生的音乐信号分2路，一路经过滤波放大、A/D 转换等一系列操作之后，输入给 AT89S52单片机进行控制，最后通过控制电机对喷泉流量的控制以及彩灯的控制，来达到音乐喷泉的效果。另一路通过一个运放电路之后给喇叭，提供给广场音乐。两路信号的
15、同时进行使得声、光、水得到了和谐的控制。本方案是通过对音乐信号的电压进行采集，可以实现音乐，灯光跟喷泉的同步控制，使设计出的音乐喷泉给人以和谐跟美的感受。本方案的设计图如图2.1.1所示。图 2.1.1：系统总体硬件框图方案2：基于全数字集成电路音乐喷泉控制器的设计方案。音乐经过峰值检波后，得到和音量大小相关的控制电压，将此控制电压，经过简单的 A/D 转换变成数字信号后，去控制存储器芯片的地址，该存储器地址对应的数据信号就会输出，输出信号经隔离驱动后就去推动彩灯工作。本方案的设计流程框图如下：图2.1.2：全数字集成电路音乐喷泉设计方案三:基于音乐信号分频段的音乐喷泉控制器的设计方案本方案先
16、对音乐信号进行分频段，之后再分别进行 A/U 转换、A/D 转换之后将信息传输给单片机，单片机将处理过的信号传输给 8255A 电机驱动进行驱动步进电机和彩灯控制模块。此方案对于分频段的控制相对比较难实施，精度要求比较高，而且成本较高。图2.1.3:基于信号分频段的设计方案经过三个方案的对比，我选择方案一作为本设计的最终方案。三个方案中方案二的设计只是单独采集音乐信号音量大小的峰值，并没有对音乐信号进行放大处理，并不能很好的实现音乐喷泉的控制，方案三的设计分频段比较复杂，对于频率划分的比较精确，实际操作的时候难度较大，而且方案三选用的步进电机，相对而言的驱动电路复杂，不利于整个设计的推广。方案
17、一的设计不仅能很好的控制音乐喷泉的各个部分的执行，与信息的采集，同时成本较低，便于推广。2.2 系 统 简 介控制系统总体包括8个部分：1) 音乐 MP3模块； 2）音乐信号的滤波放大模块 3）A/D 转换电路；4）运放模块； 5）单片机控制模块； 6）电机驱动模块；7）继电器模块8）彩灯控制模块； 常州大学本科生毕业设计（论文）第 5页 共 40页本控制器的设计是由主芯片 AT89S52通过对音乐信号的采集处理，然后输出给相应的外部设备。由图2.1.1的总体系统框图我们可以看见，本设计是由音乐 MP3模块、音乐信号的滤波放大模块、A/D 转换电路、运放模块、单片机控制模块、电机驱动模块、继电
18、器模块跟彩灯控制模块等8个模块组成，每个模块都有着其不可缺少的作用。首先， MP3模块产生音乐信号，音乐信号分为两路，一路经滤波放大之后再 A/D 转换输入到单片机；另一路先经过运放模块之后输出给广场信号（喇叭）。当 MP3模块工作输出音乐信号时，单片机芯片跟广场喇叭同时收到音乐信号，单片机通过处理音乐信号传输控制信号给电机驱动，通过电机驱动来控制电机喷头以及彩灯。使得整个控制系统具有捕获音乐，控制喷泉、灯光，等输出控制的功能，同时对各组喷头进行一定时间内的一定规则内的随机轮换的效果。本音乐喷泉控制器实现了喷泉跟着音乐的跌宕起伏从而喷出不同高度的水柱，彩灯跟着音乐节奏的变化呈现出起伏的亮灯效果
19、。很好的展示了音乐喷泉控制系统应该具备的声，光，水的同步控制。3 芯 片 的 选 择 与 功 能 介 绍3.1 AT89S52 单 片 机AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 的系统可编程Flash 存储器。该芯片使用的是 Atmel 公司的非易失性高密度存储器技术来制造的，可以与现在市场上的 51 产品指令和引脚完全兼容。该芯片上允许程序存储器在系统可编程，同样也适于常规编程器。与此同时，该芯片还拥有 8 位的 CPU 和在系统可编程Flash，使得 AT89S52 芯片成为了市场上比较主流的一款单片机芯片。该单片机的主要性能如下：* 可以与同类 51 单
20、片机产品相兼容 * 可编程 Flash 存储器的大小为 8K 字节* 具有 1000 次的擦写周期 * 静态操作的范围是 0Hz 到 33Hz 之间 * 程序存储器的加密方式为三级 * 可编程 I/O 口接线共有 32 个 * 具有三个 16 位计数器/定时器 * 中断源有 8 个 * 全双工 UART 串行通道 * 两种工作掉电模式为掉电模式和低功耗空闲* 中断可在掉电后唤醒 * 具有看门狗定时器 * 具有双数据指针 * 具有掉电标识符 （2）89S52 的引脚功能VCC （ 40引脚）: 电源电压 GND（20引脚）: 接地 P0口（P0.0P0.7，3239引脚）：P0口是一个 8位漏极
21、开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位都能驱动 TTL 逻辑电平。使 P0=1时，引脚则作为高阻抗输入。 当访问的是数据存储器或者外部程序时，P0口也可以被作为低8位地址/ 数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个具有内部上拉电阻的 8位双向 I/O 口，p1输出缓冲器能驱动 TTL 逻辑电平的数量是4个。使 P1=1时，内部的上拉电阻把端口拉高，此时该口可以当做输入口。当 P1口被用作输入口时，由于内部电路具有电阻的原因被
22、外部拉低的引脚将输出电流。 常州大学本科生毕业设计（论文）第 7页 共 40页此外，P1.0和 P1.2还可以分别作为定时器 /计数器2的外部计数输入和时器/ 计数器2的触发输入，具体如表1所示。 在 flash 的编程时， P1口接收低8位地址字节。表3.1.1：P1口引脚复用功能引脚端口 功能描述P1.0口 时钟输出、定时器、计数器2的外部记数输入P1.1口 定时器、计数器2的捕捉、重载出发的信号、方向控制P1.5口 系统编程是会被用到P1.6口 系统编程时会被用到P1.7口 系统编程时会被用到P2 口（P2.0P2.7，2128 引脚）：P2 口是拥有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O
23、口，P2 输出缓冲器能驱动逻辑电平数量是 4 个。使 P2=1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 P2 口还可以作为输入口。当 P2 口作为输入口时，由于内部电路电阻的原因，被外部拉低的引脚将输出电流。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（如 MOVX DPTR）时，P2 口送出数据是高八位地址。在使用 8 位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的数据。 在 flash 编程和校验时，P2 口也可以接收高 8 位地址数据和一些控制信号。P3 口（P3.0P3.7，1017 引脚）：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向I/O 口，
24、 p2 输出缓冲器能驱动逻辑电平的数量为 4 个。使 P3=1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时 P3 口可以被当做输入口。当 P3 口被当做输入口时，由于内部电路的电阻被外部拉低的引脚将输出电流。 P3 口也作为 AT89S52 特殊功能口（第二功能）使用，如下表所示。在对 Flash 编程或程序校验时，P3 还接收一些控制数据信号。表 3.1.2：P3 口引脚复用功能引脚端口 第二功能描述P3.0 端口 串行输入口（RXD）P3.1 端口 串行输出口（TXD）P3.2 端口 外部中断 0P3.3 端口 外部中断 1P3.4 端口 定时器 0 的外部输入P3.5 端口 定时器 1 的外部输入
25、P3.6 端口 WRP3.7 端口 RDRST（9 引脚）：作为复位输入口。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效时，就可以实现单片机的复位操作。看门狗计时完成后，RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE（30 引脚）：该引脚是地址锁存控制信号端，在访问外部程序存储器时，该端口用于锁存单片机低 8 位地址数据。在一般情况下，ALE 的固定频率输出脉冲是其晶振 1/6，可被外部定时器或时钟使用。然而，在每次访问外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。（29 引脚）
26、：是外部程序存储器选通信号。当 AT89C51RC 从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，将不被激活。（31 引脚）：当该引脚为高电平状态时，可以访问程序的内部存储器。当该端口为低电平状态时，不能访问内部存储器，但可以访问外部存储器。XTAL1（19 引脚）：是振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18 引脚）：是振荡器反相放大器的输入端口。MCS51 共有 7 种寻址方式，现介绍如下：（1）立即寻址：操作数就写在指令中，和操作码一起放在程序存贮器中。把“#”号放在立即数前面，以表示该寻址方式为立即寻址，如 MOV A,#20H。（
27、2）寄存器寻址：操作数放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名来表示操作数地址。如 MOV A，R0 就属于寄存器寻址，即 R0 寄存器的内容送到累加器 A 中。（3）直接寻址：操作数放在单片机的内部 RAM 某单元中，在指令中直接写出该单元的地址。如前例的 ADD A，70H 中的 70H。（4）寄存器间接寻址：操作数放在 RAM 某个单元中，该单元的地址又放在寄存器R0 或 R1 中。 如果 RAM 的地址大于 256，则该地址存放在 16 位寄存器 DPTR（数据指针）中，此时在寄存器名前加符号来表示这种间接寻址。如 MOV A， R0。（5）变址寻址：指定的变址寄存器的内容与指令中给出的
28、偏移量相加，所得的结果作为操作数的地址。如 MOVC A，A+DPTR（6）相对寻址：由程序计数器中的基地址与指令中提供的偏移量相加，得到的为操作数的地址。如 SJMP rel。（7）位寻址：操作数是二进制中的某一位，其位地址出现在指令中。如 SETB bitMCS51 的指令系统按功能分有：数据传送类、转移指令、算术运算类、逻辑运算类、和十进制指令及一些伪指令共 111 个。选用此单片机作为本设计的核心单片机主要有下面几个方面的原因：首先，该单片机是我们在学习单片机的时候主要学习的单片机；其次，该单片机是8位的单片机，在功能上完全能满足本设计的要求；最后就是该单片机的价格比较便宜。3.2 音
29、 频 信 号 放 大 器通常 MP3 产生的音乐信号强度不是很高，所以在对音乐信号进行 A/D 转换之前需要进行一个信号放大的处理。通过与市场上音频放大芯片的对比，最总本设计采用的音频功率放大器芯片是 LM386N-1。LM386N-1 是美国一家半导体公司生产的音频放大器，主要应用于低电压供电而且外围元器件使用较少的电路。该音频放大器的电压的增益内置为 20，但在 1 脚跟 8 脚增加一只外接电阻跟电容，使其可将电压增益为任意常州大学本科生毕业设计（论文）第 9页 共 40页值，直至 200。它的输入端以地为参考，同时输出端波自动编置到电源电压的一半，在6V 的电源电压下，它的静态功耗仅为
30、24W，使得 LM386N-1 特别适用于电池供电的场合。主要特性：* 静态功耗较低，约为 4mA,可用于电池供电的场合。* 工作电压范围宽是 4-12V 或者 5-18V。* 外围元器件少。* 电压增益可调的范围是 20 到 200 之间。*失真度比较低。该芯片的内部原理图如图3.2.1所示：图3.2.1：LM386N-1内部电路图 图3.2.2：引脚功能图3.3 A/D 转 换 芯 片由于音乐信号是交流模拟量，所以不能直接送入单片机进行处理。考虑到音乐信号比较弱，首先要对其进行音频放大处理，其次再对该音乐信号采用滤波、整流处理；最后由 A/D 转换电路将其转换成数字信号才传输给单片机控制。
31、对于 A/D 转换的芯片我选择的是 ADC0804。ADC0804是属于连续渐进（ Successive Approximation Method）的 A/D 转换器。它除了有着转换速度快、分辨率高外，还有着价格便宜的优点。其主要的电气特性如下：* 工作电压为+5V，即 VCC=+5V。* 模拟输入电压范围：0-5V，即0 Vin 5V* 分辨率是8位，即分辨率为1/256，转换值介于0-255之间。* 当 f=640KHz 时，A/D 转换时间为100us。* 转换误差为1LSB。* 参考电压为2.5V。ADC0804的管脚图如图3.3.1所示：图3.3.1： ADC0804的芯片管脚该芯片
32、的各个引脚功能如下：*CS：用于芯片选择信号（CS=0 时，允许 A/D 转换）*RD：外部读取转换结果的控制输出信号。RD 为高电平状态时，DB0DB7为高阻抗；RD 为低电平状态时，转换好的数字数据才会输出。*WR：用来启动转换的控制输入，相当于 ADC 转换的开始（ CS=0时），当 WR由高电平转变为低电平状态时，转换器中的数据被清除；当 WR 由低电平转换为高电平状态时，A/D 转换正式开始。*CLK IN,CLK R：分别对应时钟输入和接震荡无件（ R,C），频率范围约100KHZ1460KHZ 之间，如果使用 RC 震荡电路则其震荡频率为1*INTR：是中断请求信号输出端，低电平
33、动作。*VIN（+）,VIN （- ）:差动模拟电压输入。输入单端正电压时，VIN(-)接地；而差动输入时，直接加入 VIN（+ ）和 VIN（-）。*AGND,DGND：模拟信号以及数字信号的接地。*VREF:辅助参考电压。*DB0DB7：8位的数字输出。*VCC：电源供应以及作为电路的参考电压。3.4 电 机 驱 动 L298NL298N 是 ST 公司生产的 一种高压的，大电流的电机驱动。该芯片采用的是15个引脚的封装。它的主要特点如下：*工作电压较高，最高的工作电压可达到46V；*输出电流也较大,瞬间峰值电流可达到3A,持续工作电流为 2A；常州大学本科生毕业设计（论文）第 11页 共
34、 40页*芯片内部含有两个 H 桥的全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机或者步进电动机、继电器线圈等感性负载；*该芯片的信号控制采用的是标准逻辑电平；*同时该芯片具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止元器件的工作；*有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；*可以外接检测电阻，其作用是将变化量反馈给控制电路。使用 L298N 芯片驱动电机，既可以驱动接步进电机，也可以驱动直流电机，但本设计驱动的是直流电机，其使用操作比较方便。其引脚如图3.4.1所示：图 3.4.1： L298N 引脚图由上图可以看出引脚8管脚说明为 GND（接地），且它与 L298N 芯片的散
35、热片紧密靠在一起。由于该芯片的工作电流比较大，所以芯片产生的热量也比较多，所以在该芯片的散热片上连接一块铝合金片，以增强它的散热效果。该芯片的一些主要参数如下：(1) 逻辑部分输入电压为 67V(2) 驱动部分输入电压为 4.846V(3) 逻辑部分工作电流小于等于36mA(4) 驱动部分工作电流小于等于2A(5) 最大耗散功率为 25W(6) 控制信号输入电平的范围：高电平为2.3VVinVss，低电平为-0.3V1.5V(7) 工作温度的范围是 -25130(8)双路大功率 H 桥驱得驱动形式3.5 电 机 的 选 择 与 确 定3.5.1 步 进 电 机 的 介 绍步进电机是一种开环控制
36、元件，它将电脉冲信号转变为角位移或者线位移。在电机非超载的情况下，电机的转速以及位置的变化只取决于脉冲信号的脉冲数和频率，而不受负载变化所带来的影响，也就是说只要给电机加一个脉冲信号，电机就能转过一个角度。由于该线性关系的存在，再加上步进电机只有周期性的误差而没有累积误差等特点，使步进电机得在速度、位置等控制领域得到了广泛的应用。步进电机控制原理：它将外部接收的脉冲信号转变成角位移，也就是说只要给步进电机一个脉冲信号，它就转动一个角度，因此步进电机适合单片机的控制。目前步进电机有三种分别是反应式步进电机、混合式步进电机和永磁式步进电机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信
37、号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。3.5.2 直 流 电 机 的 介 绍直流电机是一种旋转电机，它能够将直流电能跟机械能相互转换，它具有良好的调速特性，其调速的效果是平滑、方便、调速的范围也比较广；同时直流电机也具有很好过载能力，能承受频繁的负载冲击；它能实现无级快速启动、制动和反转，以及能满足各种自动化设计的要求。直流电机的 PWM 调速原理：PWM 控制是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度来进行控制，从而有效的获得所需要的波形。基于 PWM 控制的调速电路相当于把“ 直流电压 ”切割成一系列脉冲，通过改变这些脉冲的占空比来获
38、得所需要的输出电压。在 PWM 驱动控制的调速控制中，是通过改变电机电枢电压的导通时间与导通周期的比值（即占空比）来控制直流电机的转速。如图 3.5.1 所示，在脉冲的作用下，按一定的频率来接通和断开电源，电机的速度就能得到很好的控制。当电机通电的时间增加时，电机的转速就会加快；反之，当电机的通电时间减少时，电机的转速就会减慢。设计时只要按照一定的规律，改变一个周期内电机“导通” 和“断开”的时间比例即可实现电机速度的控制。由图 3.5.1 可以很形象的看出电枢电压与平均电压之间的关系。常州大学本科生毕业设计（论文）第 13页 共 40页图 3.5.1：电枢电压“占空比”与平均电压的关系3.5
39、.3 电 机 的 选 择通过对于步进电机跟直流电机的对比，可以发现直流电机相对于步进电机具有以下优点：*直流电机的调速性能好；*直流电机能承受频繁的负载冲击，同时直流电机的过载能力很强；*直流电机能够实现频繁快速制动效果而步进电机相对于直流电机的最大的优点就是对于位置的控制，即可以控制电机转过的角度。但是对于音乐喷泉控制器来说，并不需要特别高的位置控制。由于音乐信号时经处理之后再有单片机输出控制信号给驱动电路来驱动电机的，所以一定范围内的误差是可以的，而本设计还需要能够快速反应当前信号状态，同时从价格上以及驱动电路的复杂程度来考虑，直流电机更加有优势。所以最终采用小型直流电机作为本系统的电机。
40、4 硬 件 电 路 的 设 计整个电路的设计总共包含8个模块，分别是：音乐 MP3模块（即信号产生模块）、音乐信号的滤波放大模块 、A/D 转换电路、运放模块、单片机控制模块、电机驱动模块、继电器模块和彩灯控制模块。整个电路的设计本着模块化设计，更能够方便细化每个模块的功能，同时也方便出现问题之后能够快速的找出问题的出处以及问题的解决办法。4.1 音 乐 MP3 模 块该设计的 MP3模块是音乐喷泉的信号产生模块。如图4.1.1所示：常州大学本科生毕业设计（论文）第 15页 共 40页图 4.1：音乐 MP3 模块首先该 MP3模块体积小、使用简单、灵活、用处广泛的一款高保真放音模块。供电电压
41、范围比较宽，适用于各种场合，同时具有可以一键对应一首歌曲直接播放（最多8首），也可以单键触发循环播放，32M 到1G 的储存空间对于本设计的音乐产生模块完全适合。同时该模块的使用比较方便，适合简单的单片机设计。该模块本设计所用到的引脚功能如下：P1：更换目录 P2：快退 10 首P3：快进 10 首 P4：音量减小P5：音量增大 P6：停止播放P7：下一首 P8：上一首p9：音量减 P10：音量加p14：暂停/播放 P17:右声道音频输出P18：左声道音频输出 P19：电源地P20：电源+音乐信号经 p17 和 p18 口分别输出给音频放大模块跟滤波放大模块。此模块的功能和普通 MP3 一样，
42、把管脚对地接一个按键，即可使用。 PL（播放/暂停键）的使用方法是把 PL 对地接一个按键，按一下，模块开始全部歌曲循环播放直到按 STOP 键或者断电为止，播放过程中如果按 PL 键，则暂停播放，暂停时按 PL 键，则恢复播放。播放顺序为：目录 1 的第 1 首一直到目录 1 的最后一首，然后播放目录 2 的第 1 首，依次循环播放。使用快进 10 首或快退 10 首的功能时，系统会自动计算并自动跳转目录。如当前正在播放目录 1 的倒数第 5 首，若此时按快进 10 首键，则系统自动跳转到目录 2 的第 5 首开始播放。P0 为更换目录键，假设当前正在播放目录 1 中的歌曲，按下 P0 后，
43、系统变更当前目录为目录 2，并自动开始播放该目录的第 1 首歌曲。该模块的歌曲是通过将歌曲存储在 SD 卡里面，在通过此模块读出来的。4.2 音 乐 信 号 的 滤 波 放 大 模 块音乐信号的滤波放大模块是整个音乐喷泉控制系统对信号的处理模块。这个模块的放大部分跟运放模块一样，都是用的 LM386N-1 这个芯片对音乐信号进行功率放大处理。处理的信号进过一个 RC-型滤波电路带通滤波之后起到了带通滤波的作用，最后进行一个阻低频的处理使得整个音乐信号得到了充分的处理，最终输出的是正电压信号。电路图连接如图 4.2.1 所示：图 4.2.1： 滤波放大模块该电路的前半部分是由主芯片 LM386N
44、-1 构成的音频信号放大电路。图中 1 口和8 口有电容电阻串联来控制电路的放大倍数，本设计的放大倍数是 50 倍。第 3 口是音乐信号的输入端，进过芯片内部放大后从第 5 口输出之后接滤波电路。由图的第二个部分可以看出该滤波电路是 RC 滤波电路。图中电阻 R11 对于交流、直流都具有降压的作用，但是它与电容串联、并联形成图中电路之后，就是脉动电压的交流分量大部分分在了电阻两端，较小的部分分在了负载上，这样就起到了一个滤波的效果。图中R11 跟 C1 越大，电路的滤波效果就越好。接下来就是对滤波后的信号进行加直流、整流的处理。该部分的 PCB 图如图 4.2.2 所示。常州大学本科生毕业设计
45、（论文）第 17页 共 40页图 4.2.2：滤波放大模块 PCB4.3 A/D 转 换 电 路A/D 转换模块是本设计的核心模块之一。因为 MP3产生的音乐信号如果直接输入给单片机也是可以的，但是精度不是很高。将音乐信号经过一个 A/D 转换之后再输给单片机这样能更加准确的表达音乐信号所包含的信息。A/D 模块如图4.3.1所示：图4.3.1：A/D 转换电路这个模块我用的是 ADC0809CN 这个芯片，该芯片是 8位 COMS 依次逼近型的A/D 转换器。通过该芯片采集前面整流放大处理过的电压信号，处理之后再送给单片机进行处理。首先 A/D 转换芯片的 CS、RD 、WR、INTR 口分
46、别接89S52单片机的P3.0口、P3.1口、P3.2口，P3.3口，这四个端口共同控制 A/D 转换的启动与停止。当CS=0时,也就是 CS 口是低电平时，允许 A/D 转换，当 WR 口由低电平跳转到高电平时，A/D 转换开始，当 INTR 口为高电平时，且 CS 口也为高电平时停止 A/D 转换。图中A/D 芯片的 CLK IN 跟 CLK OUT 口构成了 A/D 转换芯片的振荡电路，且有2个1K 的电阻使其参考电压为2.5V。DB0口到 DB7口是 A/D 转换的数据输出口。图中 IN+口是信号的输入端，图中是由一个电阻跟一个滑动变阻器代替信号的输入，方便对 A/D转换进行调试。A/
47、D 转换的 PCB 如图4.3.2所示。图4.3.2：A/D 转换的 PCB4.4 运 放 模 块 （ 音 频 放 大 ）运放模块是将 MP3模块产生的音乐信号经过一个运放通过小喇叭输出。由于 MP3模块产生的音乐信号强度不是很大，如果直接通给喇叭或者其他外部广场信号的话，我们通过耳朵并不能听到音乐信号，所以需要经过一个运放之后给喇叭我们才能在喇叭听到 MP3模块产生的音乐。运放模块如图4.4.1所示：常州大学本科生毕业设计（论文）第 19页 共 40页图4.4.1：运放模块该运放模块用的是芯片 LM386N-1，由图可以看出放大芯片的3口是音乐信号的输入端，1口跟8口是控制放大倍数的端口。本
48、设计采用的放大倍数是50倍，由于可以看出由一个1.2K 和一个10uf 的电容组成即可。第 7口是一个旁路，滤掉一些杂波。第 5口是该芯片的音乐信号输出口，该端口连接的是电容跟电阻组成的滤波电路。图中 C18电容的较大起到了阻低频的效果，另一路的电容 C17由于其阻值较小起到了一个低通滤波的效果。最后经过处理的音乐信号提供给喇叭外放。4.5 单 片 机 控 制 模 块音乐喷泉控制器的设计涉及到通过单片机采集音乐信号，来调节 I/O 口的输出来控制彩灯以及电机的转动，从而达到声、光、水的完美控制。作为整个设计核心，我选用的是 AT89S52单片机的最小系统来实现的。该系统如图 4.5.1所示：图
49、4.5.1： AT89S52单片机的最小系统该图中分别有 AT89S52单片机，复位电路，时钟电路组成。其中复位电路是用来确定单片机的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机在接通电源时产生复位信号，完成单片机的启动，同时手动按键也能产生复位信号完成单片机的启动。复位电路还有一个比较重要的用途就是，在单片机工作出现混乱或者“死机” 时，使用手动手段可以使单片机“ 重启” 。这样可以便于我们更好的控制和保护单片机以及各个芯片。复位电路如图4.5.2所示：图4.5.2：AT89S52的复位电路时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机工作的节奏，决定单片机的工作速度。时钟电路也就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的速度。AT89S52的时钟频率范围是： 0-33MHz。图4.5.3为 AT89S52单片机的时钟电路。常州大学本科生毕业设计（论文）第 21页 共 40页图4.5.3：AT89S52的时钟电路整个单
