湖南工業大學本科畢業設計（論文）過程管理資料湖 南 工 業 大 學本科畢業設計（論文）開題報告 學 院（部）： 理學院 專 業： 電子信息科學與技術 學 生 姓 名： 費明祥 班 級： 091 學號 09411400106 指導教師姓名： 黃卓冕 職稱 講師 2012年 12 月 20日38題目：基于單片機的音樂噴泉設計1.1單片機應用于控制系統的研究背景早期時候，人們通過繼電器來實現對系統的控制，成而形成了對系統的控制。在單片機出現后，單片機應用于小型或者是中小型控制系統已經成為了主流，隨著科學技術和科學理論的不斷創新和發展，單片機的控制理論不斷成熟。單片機的發展能也逐漸朝著高集成、高速度、低功耗、低價格、大存儲容量和強I/O功能等方向發展。隨著計算機檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機已越來越廣泛地應用在各種領域的控制、自動化、智能化等方面。其中單片機也應用到了美化環境系統中，比如說彩燈顯示，噴泉。本次畢業設計我將以8位單片機AT89C51為主機，以及各先關的元器件，來完成對音樂噴泉控制系統設計。1.2研究意義：音樂噴泉是近幾年來出現的噴泉水景與音樂欣賞相結合的產物，它的出現改變了噴泉藝術單調不變的局面。在音樂的伴隨下噴泉的高度、燈光的色彩以及噴泉造型等隨著音樂變化而變化，忽而氣勢磅礴，猶如萬馬齊奔，忽而悠然舒緩，猶如春風撫過楊柳，使觀眾陶醉于音樂與水型的完美結合中。目前，音樂噴泉出現了各種表現形式，比如大型廣場噴泉、激光噴泉、水幕電影、超高噴泉、人工瀑布等。由于音樂噴泉作為一種獨特的人工景觀，具有很大的觀賞價值，國內各大城市或在廣場或在公園都有它的身影。可以說，音樂噴泉己經成為一種娛樂產業，具有很高的經濟效益和社會效益。為了適應噴泉工程建設的需要，國內出現了眾多的噴泉設備廠和噴泉設計專業公司。音樂噴泉作為一種獨特的人工景觀，獲得了廣大人民的喜愛，不僅使得人們在視覺上得到了享受，而且在音樂背景下，能夠激勵我們的心智。目前音樂噴泉已經成為一種娛樂產業，具有很高的經濟效益和社會效益，研究和設計高水平的音樂噴泉控制技術是非常重要的1.3音樂噴泉國內外發展形勢音樂噴泉是現代科技與藝術的綜合，音樂噴泉將噴水圖形、彩色燈光及音樂旋律構成一個有機的整體，隨著樂曲旋律和節奏的變化，各種不同的噴水花形相應的配合變換，在五彩絢麗的變幻燈光照耀下，構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，此后經過多年的發展，其音樂噴泉的設計及構造已變得更大型及復雜。隨著我國改革開放政策的不斷實施，80年代中，我國也相繼引進和自行設計建造了多座音樂噴泉，為美化環境，活躍人民的文化生活起了良好的作用。通過學習和引進國外先進技術，加上自行研究和開發，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、激光表演和舞臺表演相結合，產生令人難忘的藝術效。音樂噴泉涉及的專業非常廣泛，包括音樂信號分析、給排水、電氣控制、通訊、攝像技術、計算機自動控制、三維動畫制作和網絡通訊技術等。所以說音樂噴泉這個行業是一個綜合性非常強的行業。一個音樂噴泉工程的成功實施需要以上幾方面的專業工程技術人員緊密的配合才能完成。 在國際上，由于現在大多數噴泉使用單位對音樂噴泉的要求越來越高，他們想讓噴泉具備更多的變化手段或表現形式，所以有越來越多的用戶或者需要根據自己的喜好；或者對音樂噴泉控制程序進行進一步研發和應用；或者抱著游戲的態度對噴泉本身的水形變化根據音樂信號的特征進行有目的或隨機的編排。這就要求音樂噴泉控制系統中的組態軟件、PLC編程軟件、網絡通訊架構和變頻器必須具備“宏指令編輯功能”（即在組態界面專門開辟出的編輯菜單或子程序內填寫相應的數據后存儲形成新的控制程序）、開放式編程環境（即可以在線或離線編制與主控制程序相適應的符合國際標準的開放式程序寫入到組態軟件和PLC程序內形成新的控制程序）和快速穩定可靠的網絡通訊功能。2.1選題依據：在來到大學時，我才第一次正真意義上了解到音樂噴泉。大二時，學校的后山開發了神農城項目。其中最引人矚目的項目是水系表演音樂噴泉項目。2011年10月份的慶市建成60周年時。音樂噴泉以獨特的魅力吸引著我。水柱的波動隨音樂而變幻莫測，絢麗多彩，同時彩燈的變換更添幾絲神韻。從那是起我就開始迷戀上了音樂噴泉，后來我就對自動控制原理做了一番研究，隨后我又開始了解了單片機的先關原理。而對音樂噴泉的原理有了一定的了解，所以這次在畢業設計時我毅然的選擇了基于單片機的音樂噴泉設計。我想通過這四年的學習我有能力完成這次設計。同時在指導老師的引導下，這次設計也是對大學四年的檢測和提升。隨著生活水平的提高， 人們對環境要求越來越高,城市環境建設日益為人們所重視。噴泉作為一種觀賞性較高的藝術水景，不斷地出現在城市的廣場、公園及其他公共場所。在音樂噴泉中，噴頭的多姿造型和繽紛的水下燈光都受噴泉控制器的控制。由于不同的噴泉對水泵和彩燈組數的要求各不相同，因此設計一種簡單、通用、組數可靈活擴充的噴泉控制器就成為噴泉設計者的一個任務。本課題利用所學的知識，設計一個音樂控制的模擬噴泉。2.2課題的主要內容：設計一個基于單片機控制的音樂噴泉，確定方案，畫出原理圖和PCB版圖，購買元器件完成產品制作，確定具體電路、制作、調試、作品驗收。根據音樂的強弱對電機，水泵或閥門進行控制，以便控制噴泉水柱的高低，驅動噴頭的個數根據情況自行確定。可行性分析：用單片機根據音樂的強弱對電機，水泵或閥門進行控制，以便控制噴泉水柱的高低。輸入為音樂成正比的電壓信號，輸出為對水泵轉速或閥門的控制量。選用單片機作為此次音樂噴泉控制系統設計的控制核心，主要是為了實現單片放音，并控制多個電磁閥的開閉動作和水泵的動作，解決系統中信號的同步性問題。整個電路設計簡單，通用，基于工程背景，具有可行性。2.3技術解決方案：（1）方案一：基于硬件電路采樣的前饋補償音樂噴泉控制系統此方案優點是新型音樂噴泉控制方法的采樣結果可以直接反映音樂強度，并由噴泉控制器與上位機配合工作來實現數據的采集與處理，該方法每0.1秒采樣一次數據。當利用前饋補償方式控制輸出時，前饋控制時間完全可由設置的“前饋”時間確定，故可滿足實際音樂噴泉前饋補償控制的需要。可由于硬件條件的限制以及能力的要求較高，實施較困難。（2）方案二：基于全數字集成電路音樂噴泉控制器此方案設計分為音控、程控兩用的音樂噴泉控制器。控制三組不同顏色的彩燈，五臺不同噴泉造型的水泵。音控、程控可用開關手動切換。程控的速度可用電位器調節。音控時，輸入音樂的音量直接控制彩燈，音樂音量小則彩燈打開的組數少，音量大則彩燈打開的組數多。整個電路設計簡單，通用，基于工程背景，具有可行性。（3）方案三：基于單片機的音樂噴泉控制系統采用以AT89C51為核心的單片機控制方案。利用單片機靈活的編程設計和豐富的IO端口，及其控制的準確性，能夠簡單而又實用的將樂曲控制噴泉的動作。而且以AT89C51為核心的嵌入式控制器，具有性價比高，體積小，易于操作等有點。因此本文采用該方案。該系統框圖如下圖所示。圖1 系統總體框圖音樂的播放可在開啟噴泉時，由外部設備如VCD、DVD等設備播放，也可由計算機播放。根據有無音樂信號（計算機上播放或外部輸入），啟停噴泉。當有音樂信號時，獲取聲音強度，通過模擬量卡、實時輸出到變頻器，作用到變速電機上，使噴頭噴水產生隨音樂起伏的效果。單片機控制系統具有啟動噴泉、燈光，捕獲音樂，產生輸出控制，顯示當前音樂，噴泉、燈光狀態，停止噴泉、燈光等功能，同時對各組噴頭進行一定時間內的一定規則內的隨機輪換。系統實現了樂曲演奏、樂曲選擇、樂曲序號顯示、噴泉水柱控制、彩燈控制等功能。物體振動產生聲音，而振動的頻率決定音調高低，因此使用單片機控制輸出不同頻率的信號，就可以產生不同的音調；利用單片機的計時系統可以控制各個音調的時間，即實現節拍的控制。音調和節拍按照樂譜排列就實現了樂曲演奏的功能。噴頭及彩燈分別與相應輸出點連接，通過程序實現每種音調都有對應的一組輸出點開關狀態組合，從而實現樂曲控制噴泉動作的功能。預期成果：（1）、完成硬件電路設計，提供protel電路原理圖及Pcb印制版圖，最終達到硬件能準確無誤地應用的目標。（2）、進行硬件調試，經確定無誤后交指導老師批閱。（3）、撰寫符合要求的畢業論文。3工作進度及具體安排進度安排起止日期工作內容2012年下學期第12周至第13周明確課題任務，掌握文獻檢索方法，積極準備相關資料。2012年下學期第14周至第18周研讀相關文獻資料，鞏固加深和進一步學習課題所涉及專業知識，撰寫好開題報告。2012年下學期第19周至第20周繼續收集和研讀相關資料，為畢業論文和畢業實習做好準備。2013年上學期第1周至第4周完成畢業實習，填寫好實習日志，撰寫好實習報告。2013年上學期第5周至第11周歸納整理資料，形成自己的觀點，完成論文的初稿和中期報告。2013年上學期第12周至第14周修改論文，定稿，并將論文正稿提交老師評閱。2013年上學期第15周至第16周做好答辯準備，完成論文答辯。主要參考資料1周慈航.單片機程序應用設計M.北京:航空航天大學出版社,1991.2孫涵芳.MSC-51、96系列單片機原理及應用M. 北京:航空航天大學出版社,1992.3黃勝軍.微型計算機控制應用實例集M.