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基于單片機(jī)的微型音樂噴泉的設(shè)計

2015-05-15 10:19:03栗興良馬牧燕莫蔚靖
現(xiàn)代計算機(jī) 2015年3期
關(guān)鍵詞:噴泉音頻水泵

栗興良,馬牧燕,莫蔚靖

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192)

基于單片機(jī)的微型音樂噴泉的設(shè)計

栗興良,馬牧燕,莫蔚靖

(北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192)

音樂噴泉由于具有極高的觀賞性,應(yīng)用越來越多,但基本上都建于室外。對于如何設(shè)計一款可以放在辦公桌上的音樂噴泉進(jìn)行研究,論述一個以單片機(jī)為核心的適用于室內(nèi)使用的小型移動式音樂噴泉控制系統(tǒng),介紹相關(guān)電源,驅(qū)動,程序等問題的設(shè)計思路和具體實現(xiàn)方法。

微型音樂噴泉;單片機(jī);STC12C5A60S2;ICL7660

0 引言

音樂噴泉是一種為了娛樂而創(chuàng)造出來的可以配合音樂和燈光而噴出節(jié)奏性水柱的觀賞品,極具觀賞效果。到二十一世紀(jì)初,大中型音樂噴泉已經(jīng)發(fā)展比較完善,而相比之下桌面微型音樂噴泉卻很少有人去做。目前,一般在公共場所的音樂噴泉只是單純地將噴泉的高低與音樂簡單配合,不能反映音樂的真正旋律;或者是需要非常復(fù)雜的控制系統(tǒng),成本也高,大多是只能現(xiàn)場觀看,無法隨意移動[2]。所以,設(shè)計一套桌面微型音樂噴泉系統(tǒng),非常有意義?!白烂嫖⑿鸵魳穱娙睂⒋笮蛷V場式的音樂噴泉系統(tǒng)引入室內(nèi),放在了辦公桌上,是一種小巧靈活、隨環(huán)境音樂源或指定音樂源動態(tài)變化的多功能室內(nèi)觀賞品。它集MP3音樂播放、噴泉等于一體,把聲、光、水組合巧妙地結(jié)合起來。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計以STC12C5A60S2單片機(jī)作為智能系統(tǒng)主控單元,輔之以適當(dāng)?shù)能?、硬件模塊設(shè)計完成以單片機(jī)為核心的音樂噴泉控制系統(tǒng)。有硬件設(shè)計和軟件編程兩部分,硬件設(shè)計主要是電路設(shè)計和箱體設(shè)計,軟件部分主要是設(shè)定水泵的噴水高度以及LED燈組的閃亮方式。

按照功能和電路特點,該系統(tǒng)主要分為四個模塊:

(1)音樂播放模塊,考慮到現(xiàn)在音源越來越先進(jìn),音頻輸出設(shè)備越來越豐富,所以本系統(tǒng)設(shè)置音頻輸入端子,由外部提供音頻輸入??梢杂蒑P3、電腦、手機(jī)等音頻播放設(shè)備提供音源。

(2)信號采集模塊,對輸入的音頻信號進(jìn)行預(yù)處理,方便單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,主要有放大、濾波[1]。

(3)數(shù)字信號處理模塊,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,獲得數(shù)字信號,送入單片機(jī)數(shù)字信號處理程序,并根據(jù)信號強(qiáng)度,來確定LED燈的閃爍方式,以及水泵的轉(zhuǎn)速。

(4)驅(qū)動模塊,為LED燈組和水泵提供驅(qū)動。

系統(tǒng)整體框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計主要分為電源設(shè)計、放大濾波電路設(shè)計、單片機(jī)電路、LED驅(qū)動、水泵驅(qū)動等幾部分。

(1)電源電路設(shè)計。本系統(tǒng)中電壓要求不能低于5V,采用9~12V電源供電。實際購買元器件為藍(lán)天禾科技有限公司的IT-CEO V0122A電源適配器,輸出電壓為12V,最大輸出電流為2A。整個系統(tǒng)分為正負(fù)兩種電壓,正電壓部分采用LM78105穩(wěn)壓到5V,電路如圖2。

圖2 正5V穩(wěn)壓電路

負(fù)電壓穩(wěn)壓電路主要為放大電路提供電壓,由于放大電路工作電流在30mA左右,所以選取最大電路在100mA左右即可。ICL7660的靜態(tài)電流典型值為170μA,輸入電壓范圍為1.5~10V(Intersil公司ICL-7660A輸入電壓范圍為1.5~12V),工作頻率為10 kHz,只需外接10 kHz的小體積電容(如圖3),只需外接10μF的小體積電容效率高達(dá)98%合輸出功率可達(dá)700mW(以DIP封裝為例),最大輸出電流100mA。所以選取ICL7660作為該系統(tǒng)的負(fù)電壓芯片。

圖3 負(fù)5V電壓產(chǎn)生電路

(2)模擬信號處理部分,該部分電路對音頻信號進(jìn)行放大濾波。經(jīng)過測試,一般音頻播放器輸出電壓在0~0.2V,而單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換范圍為0~5V,為了提高精確度,需要把電壓放大到4V左右,所以放大倍數(shù)選20倍即可。具體電路如圖4。運(yùn)放芯片選擇OP07[8],OP07相比其他運(yùn)算放大器,有更高的靈敏度,而且失調(diào)電壓小,不需要額外的調(diào)零措施,利于電路的簡化,供電電壓為±3V~±22V,需要雙電源,所以本系統(tǒng)采用±5V供電。

人耳能夠感受到的聲音頻率為20Hz~20kHz,所以設(shè)定帶通濾波器的上限為20kHz,下限為20Hz。電路中,電阻R2與電容C6組成低通濾波器,根據(jù)公式

將R2=200kΩ代入可得C6=0.398uF,故取C6= 400nF,電阻R1與電容C7組成高通濾波器,R1=10kΩ代入公式可得C7=0.795nF,故取C7=1nF。

圖4 放大濾波電路

(3)數(shù)字信號處理電路,該部分利用單片機(jī)STC-12C5A60S2對信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值進(jìn)行PWM定時,LED燈設(shè)定。單片機(jī)直接購買最小系統(tǒng),各管腳按手冊要求連接電路,Vcc接5V電源,P1.0腳接經(jīng)過預(yù)處理的信號,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。P1.3接水泵控制PWM控制端,發(fā)出PWM信號。P0.0接LED燈組控制端。

(4)驅(qū)動電路。水泵電流較大,采用L298N芯片驅(qū)動。L298N驅(qū)動芯片是市場上應(yīng)用非常成熟的一款驅(qū)動芯片,耐高壓、大電流,通過TTL邏輯電平信號控制輸出電流大小。

LED電流較小,用9012三極管做開關(guān),驅(qū)動LED組。PNP型三極管9012最大集電極電流為500mA,滿足設(shè)計要求。

3 軟件部分設(shè)計

圖5 單片機(jī)程序流程圖

經(jīng)過放大濾波之后的信號需要對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7-P1.0),有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器,速度可達(dá)到250kHz(25萬次/秒)。本系統(tǒng)將STC12C5A60S2單片機(jī)的P1.0作為模擬信號的兩路輸入。單片機(jī)ADC寄存器結(jié)構(gòu)如表1。

表1

取8位結(jié)果,計算公式為:

部分程序代碼:

然后判斷R的大小,將R通過一定的比例因子線性變換成PWM設(shè)置函數(shù)的參數(shù)。

STC12C5A60S2自帶兩路PWM寄存器,寄存器結(jié)構(gòu)如表2。

表2

CPS2、CPS1、CPS0是PCA記數(shù)脈沖源選擇控制位。

用函數(shù)PWM_INIT()進(jìn)行PWM初始化

利用對CCAP0H,CCAP0L,CCAP1H,CCAP1L值的設(shè)定編寫PWM占空比函數(shù)

具體參數(shù)設(shè)置大小需要根據(jù)實際情況進(jìn)行測試,由于本系統(tǒng)較小,水箱設(shè)計的尺寸也較小,所以水泵噴水高度不能太大。經(jīng)過測試,水泵噴水最高對應(yīng)CCAP0H值為125,最低對應(yīng)CCAP0H值為20。參數(shù)設(shè)置過大,容易使水柱溢出,甚至?xí)驗樗秒娏鬟^大而燒壞電路,設(shè)置過小,電流大小不足以驅(qū)動水泵轉(zhuǎn)動,無法噴出水柱。

水箱的設(shè)計中,每一個出水口都配有一個不同顏色的LED,所以,LED燈組采用規(guī)律性閃爍的方式。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2,該單片機(jī)是51單片機(jī)的升級版,指令完全兼容51系列單片機(jī),價格跟51單片機(jī)相仿,速度卻是51單片機(jī)的10倍,自帶A/D、PWM等寄存器資源,非常方便擴(kuò)展。作為數(shù)字電路,該系統(tǒng)可以簡單地通過修改程序,改變水泵的噴水方式,以及LED燈組的閃爍效果。

最終設(shè)計結(jié)果,音頻輸入由MP3提供,電源、放大、濾波電路在萬用板焊接,單片機(jī)放置在專門的單片機(jī)座上,水箱高度約15cm,水泵分四路噴水,每路水柱旁邊安裝LED小燈,不同水柱安裝的LED燈組顏色不同,這樣使燈光更加的絢麗。

音頻輸出使用自帶的擴(kuò)聲模塊,或者通過音頻插孔,輸出到外接音箱。建議音頻輸入和輸出都采用專用設(shè)備,那樣會使系統(tǒng)音質(zhì)更好,配合燈光和水柱美輪美奐的效果,才更能給人美的享受。

[1] 張長君,王連濤.單片機(jī)控制在音樂噴泉中的應(yīng)用[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2006,27(10).DOI:10.3969/j.issn.1000-7024.2006. 10.061

[2] 王方華,周永宏,趙雪嬌等.基于AT89S52單片機(jī)的室內(nèi)音樂噴泉設(shè)計[J].科技資訊,2010(29).DOI:10.3969/j.issn.1672-3791. 2010.29.010

[3] 高紹坤,秦雷,王秋生.基于C8051F單片機(jī)的移動式音樂噴泉設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008(8):62~64

[4] 張可菊,黃金菡.基于單片機(jī)的音樂噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子制作,2014(4)

[5] 李檸,張殿富.基于單片機(jī)的智能小車速度控制設(shè)計[J].科技視界,2012(28)

[6] 張均,廖建波.小型音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999(4):619~621

[7] 莊順萬.音樂噴泉控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].中國科學(xué)院自動化研究所,2002

[8] 石飛飛,馬辰.基于OP07和LTC1543溫度采集模塊的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2010(12)

Design of Mini Music Fountain Based on SCM

LI Xing-liang,MA Mu-yan,MO Wei-jing
(School of Instrumentation Science&Optoelectronic Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192)

The music fountain has highly ornamental value and it is applied more and more.But it is usually built in the outdoors.Discusses how to design a musical fountain which can be placed on the table.It is also a mini mobile music fountain control system,suitable for indoor use,with SCM at the core.Introduces the design ideas and implementation methods about the related power supply,supply-driven,procedural issues and so on.

Mini Music Fountain;SCM;STC12C5A60S2;ICL7660

1007-1423(2015)03-0061-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.03.017

栗興良(1986-),男,山東臨沂人,碩士研究生,研究方向為光電檢測技術(shù)

馬牧燕(1961-),女,北京人,研究生,副教授,研究方向為信號與信息處理

2014-11-28

2014-12-08

北京信息科技大學(xué)本科生培養(yǎng)-大學(xué)生科研訓(xùn)練項目資助(No.PXM2014_014224_000079)、專業(yè)建設(shè)-光信息科學(xué)與技術(shù)項目資助(No.PXM2014_014224_000066)

莫蔚靖(1994-),男,北京人,本科,光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)

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