1、基于單片機的音樂噴泉設計第一章音樂噴泉控制系統硬件設計1.1 控制系統硬件總設計方案1.2 音樂信號的采集1.2.1 音頻放大電路的設計1.2.2 采樣定理1.3 單片機電路1.3.1 單片機的概述 1.3.2 時鐘電路的設計1.4 AD轉換電路1.4.1ADC0809與單片機 AT89C51的連接142 輸入電路1.5 潛水泵調速硬件方案設計 1.6 燈光硬件方案設計 1.7 解決系統時間滯后硬件電 路設計 . 第二章 噴泉控制系統軟件設計 2.1 噴池數據 2.2 主程序框圖.2.3 控制潛水泵軟件設計模塊 2.3.1 潛水泵開關調速的原理 2.3.2 潛水泵開關調速的軟件設計 2.4 控

2、制電磁閥軟件設計模塊 2.5 歌曲存儲模塊 2.5.1 音頻脈沖的產生 2.5.2 音樂程序 2.6 燈光控制模塊 2.7 看門狗子 程序2.7 實驗仿真第一章音樂噴泉控制系統硬件設計 1.1 控制系 統硬件總體設計方案 該音樂噴泉控制系統的總體結構如圖 2.1 所示，由音樂輸入系統、數模轉換系 統、單片機控制系統和輸出控制系統等組成。圖 1.1 系統總體結構框圖 1.2 音樂信號的采集 前面已經介紹過，本文的研究針對的是采用外部音源的噴泉系統，因此在 對 音樂信號進展特征識別前首先要完成對模擬音樂信號的采集。音樂信號的 采集主要包括音頻放大和 A/D 轉換兩個過程，下面分別進展分析。 1.2

3、.1 音頻放 大電路的設計 外部音源信號的幅度一般較弱，因此必須要對原信號進展放大處理后才能送入 A/D 轉換器。本文選擇了 LM386 芯片設計音頻放大電路。 LM386 是美國國 家半導體公司NS推出的系列功率放大集成電路的一種， LM386具有功耗低、 工作電壓圍寬、所需外圍元件少等特點，在電子設備的音頻放大電路設計中應 用非常廣泛，它使用了 10 只晶體管構成了輸入級、電壓增益和電流驅動級。 其中 T1T6 組成 PNP 型復合差分放大器， T5、 T6 為鏡像恒流源，作 為 T3、 T4 的有6/32 源負載，使輸入級有穩定的增益。電壓增益級由接成共發射極狀態的當，其負載也使用了恒流

4、源，整個集成功放的開環增益主要由該級決定。T8、T9 復合為一個 PNP 管，和 T10 共同組成互補對稱射極輸出電路，以供 應負載以足夠的電流。 D1、D2 提供了 T8、 T9、T10 所需的偏置，使末級偏 置在甲乙類狀態。 R5R7 構成部反響環路。從圖 3.2.1 可以看出，LM386采用雙列 8腳封裝結構，它的工作電壓圍為412V,靜態電流 4mA最大輸出功率 660mW最大電壓增益 46dB,增益帶寬 300kHz, 諧波失真 0.2%。圖 1.2.1LM386 封裝形式與引腳定義在 LM386 的 DataSheet 上，提供了兩種典型放大電路的設計方案。一種 是在LM386 的

5、 1 腳和 8 腳之間不接其他元件，此時放大電路的增益僅由部電 阻 R5R7決定，為 20倍數26dB，這種方式外部電路元件最少，也最 為經濟。另一種通過在 1 腳和 8 腳之間串接不同的阻容元件，改變放大電路的交流反響量， 從而改變放大電路的閉環增益。音樂信號的放大采集如圖 2.2.2 所示。外部 音源聲卡、 CD 機等的模擬音樂信號分左、右聲道分別進入放大電路，經 過信號放大后，得到幅值放大后的音頻信號。從圖 3.2.2 可以看出放大電路 的具體設計。在 LM386 的 1 腳和 8 腳之間串接一個 10 微法的電 容 C4,使部電阻 R6被交流旁路，放大電路的增益能到達最大值，200倍數

6、46dB。再對音頻放大電路的外圍電路進展設計，電路中電容C1、C6 作為隔直電容，電位器 P1 用于調節音量的大小，元件R2、C5 有助于旁路高頻噪音和改善輸出的音質。電容 C3 作為去耦電容，一方面是本集 成電路的蓄能電容，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。電容 C2 那么是作 為旁路電容，將信號的中高頻噪音旁路到地。經過放大電路的音頻信號就送 入 A/D 轉換器進展采樣，這里A/D 轉換器要設置為雙極7/32性，即能接收負信號。圖 2.2.2 音樂信號放大采集 1.2.2 采樣定理 采樣是指用一較高頻率的開關脈沖對模擬信號進展取樣，取出脈沖到來時 刻 所對應的模擬信號的幅度，這樣就可以得到一

7、連串幅度變化的離散脈沖。 用這些 離散脈沖序列代替原來時間上連續的信號，也就是在時間上將模擬信 號離散化。 如圖 3.2.2 所示，在對音樂信號進展放大處理后，就要通 過 A/D 轉換將模擬信號采集進計算機，這就是音樂信號的采樣。我們在對一 個連續的音樂信號進展采樣時，為了使采樣后的樣本序列能夠包含足夠的信息 以使其能夠較正確地重現原來的模擬信號，在采樣時應當使采樣頻率滿足采樣 定理的要求。采樣定理的描述為“對一個模擬信號進展離散化時，只要滿足采 樣頻率fs 大于或等于被采樣信號的最高頻率 fm的2倍，就可以通過理想的 低通濾波器，從樣本值序列信號中無失真地恢復出原始模擬信號，這里的 fm 稱

8、為香農頻率，這個采樣定理又稱為香農采樣定理。實際應用中為了較好的防 止頻譜混疊失真，采樣頻率一般要稍大8/32于信號最高頻率的 2 倍。比方樂曲的音域頻段如果在 50Hz4000Hz ，就 要將A/D轉換器的采樣頻率選定為 10kHz,才能滿足香農采樣定理的要求。1.3 單片機電路單片機要采集音樂信號，并據此調節 I/O 口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片 選用AT89C5仲片機。AT89C51單片機是一個低功耗，高性能的 51核的 CMOS 8位單片機，片含8K空間的可反復擦寫1000次的Flash只讀存儲器， 具有 256bytes 的隨機存取數據存儲器 RAM， 32個 I/O 口， 1

9、個看門狗定時 器，3個16位可編程定時器，具有ISP功能，能夠滿足設計要求。使用簡單且 價格非常低廉。故系統的主控制器采用此方案。圖2.389C51芯片1.3.1 單片機的概述AT89C51是美國ATME公司生產的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機，片含 4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器PEROM和128 bytes的隨機存 取數據存取器RAM ,器件采用ATMEL公司的ATMEI公司的高密度、非易失性 存儲技術生產，兼容標準 MCS-51指令系統，片置通用8位中央處理器CPU 和Flash存儲單元。AT89C51提供一下標準功能：4K字節Flash閃速存儲器， 128字節部 R

10、AM， 32個 I/O 口線，兩個 16位定時/計數器，一個 5向量兩級中 斷結構，一個雙全工串行通信口，片震蕩器與時鐘電路。同時，AT89C51可降至 0Hz9/32的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM定時/計數器，串行通信口與中斷系統繼續工作。掉電方式 保存RAM中的容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件 復位。單片機有四個數據輸出端口，P0 口、P1 口、P2口、P3 口。由于P3 口還有許多特殊功能，如讀寫控制、串行通信、外部中斷等功能，所以P3 口不用作數據輸入輸出端口。P0 口具有很強的帶負載的能力，除了用作地址

11、總線低八位以外， 還兼作訪問外接擴展程序存時數據總線以與與 A/D轉換器ADC0809I連接的資料 線。P1 口、P2 口帶負載能力相比照教弱，而 P2 口需要用作訪問外接存的高八 位地址線，因此P2 口也不作為數據輸入輸出口，剩下的 P1 口作為資料輸出口 <1.3.2 時鐘電路的設計AT89C51芯片部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。反相放大器的輸 入端為XTAL1輸出端為XTAL2兩端跨接石英晶體與兩個電容就可以構成穩定 的自激振蕩器，如圖 213 所示： 圖2-13自激振蕩器1.4 AD轉換電路 輸入的電壓為交流模擬量，不能直接送入單片機進展處理。因此首先采用全橋 整流，

12、濾波。使其成為直流信號，再采用全橋整流，濾波。使其成為直流信號， 再采用了 ADC電路。其中AD芯片為ADC0832 ADC0832為8位分辨率A/D轉換 芯片，其最高分辨可達 256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其部電源輸 入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉換時間僅為32 s，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩 定性強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通 過 DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。串行通信節約單片機 I/O 資1.2.1 音頻放大電路的設計1.2.2 采樣定理1.3 單片機電路1.3.1 時鐘電路設計1.4 AD 轉換電路1.4.1 ADC0809 與單片機 AT89C51 的1.4.2 輸入電路1.5 潛水泵調速