姜方琴，梁龍果

（興義民族師范學(xué)院，貴州 興義 562400）

噴泉作為一項藝術(shù)建筑，在國內(nèi)外一直都有很長的歷史，音樂噴泉最初是為了滿足貴族的娛樂需求。現(xiàn)在，音樂噴泉逐漸走入人們的日常生活，為了讓音樂噴泉更好地融入人們的生活，設(shè)計一款音樂噴泉控制系統(tǒng)以滿足人們的需要。首先音樂噴泉控制系統(tǒng)是一種集娛樂及觀賞為一體的娛樂休閑設(shè)備，該設(shè)備在進行推廣的過程當中能夠得到大量的普及，緊接著帶來了市場上的需求，因此國家關(guān)于音樂噴泉的研究工作也在加大力度。傳統(tǒng)音樂噴泉控制系統(tǒng)功能單一，無法緊跟時代的發(fā)展，已經(jīng)無法滿足人們的使用需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，各種各樣新式的音樂噴泉出現(xiàn)在了人們的眼前，音樂噴泉中加入了煙霧燈光，可以產(chǎn)生絢麗多彩的燈光效果，甚至還加入了舞臺表演等設(shè)備，極大地拓展了音樂噴泉控制系統(tǒng)的表現(xiàn)內(nèi)容。本文設(shè)計的新式智能音樂噴泉控制系統(tǒng)加入了流水燈，并通過PWM 形式智能控制噴水柱的高度，而且可以通過手機播放器、移動端設(shè)備來控制音樂，隨著音樂頻率的振幅變化，水柱也會隨之變化?？傊?，本文設(shè)計的智能音樂噴泉控制系統(tǒng)是能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)音樂幅度大小控制噴泉的高低及LED 燈亮滅數(shù)量的智能控制設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

該音樂噴泉控制系統(tǒng)是利用STC89C52 單片機設(shè)計的一個音樂噴泉控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)以外部音頻信號作為輸入?yún)?shù)，如用手機音樂播放器進行播放或在電腦端播放音樂，也可以由藍牙音頻接收單元輸出的音頻信號作為輸入?yún)?shù)，極大程度上方便了人們選擇自己喜歡的音樂，增加了人們的一個參與感，讓人們可以更好地來體會時代的進步。這個音樂噴泉的設(shè)計根據(jù)有無音頻信號隨時啟動或者暫停噴泉的水柱表演和LED 的亮滅。系統(tǒng)對該接收到的音頻信號進行放大處理，利用外部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，STC89C52 單片機采集到轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號，并對該數(shù)字信號系統(tǒng)地進行處理。STC89C52 單片機控制外部LED 燈帶的點亮，同時控制水泵電機按照接收到的不同的音樂幅度來實現(xiàn)噴射水柱的高低變化。

本系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、音頻輸入單元、音頻信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電機驅(qū)動器和噴水電機模塊及LED 燈帶等組成，通過KEIL4 軟件平臺編程，在PROTEUS 軟件上進行仿真，通過多次的仿真及測試實驗，最終實現(xiàn)設(shè)計功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機又稱單片微控制器，屬于一種集成式電路芯片，其是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個微小的電路上，即將電路包括半導(dǎo)體設(shè)備或者被動組件等以小型化的方式，整合在半導(dǎo)體晶圓的表面上，具有體積小、重量輕和價格相對實惠等優(yōu)點，其中的單片機由中央處理器CPU、存儲器、接口電路、計數(shù)器、中斷控制器、轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器及其他部件組成。單片機最小系統(tǒng)電路主要包括時鐘電路和復(fù)位電路，其主要的作用是能夠保證單片機的穩(wěn)定工作。時鐘電路能夠為單片機的運行提供時鐘頻率信號。單片機復(fù)位電路的功能是在單片機控制系統(tǒng)出現(xiàn)死機或者在單片機系統(tǒng)程序運行紊亂時能夠?qū)崿F(xiàn)單片機的重新啟動運行，在整體上保證單片機能進行正常的工作。單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計原理圖如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路圖

2.2 音頻功放電路

LM386 是美國半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。LM386 與通用型集成運放相類似，其是1 個3 級放大電路，第一級為差分放大電路，第二級為共射放大電路。LM386 為音頻功率放大器，其5 腳為音頻輸入，6 腳接地，7 腳控制輸入波形不失真，其電路設(shè)計原理圖如圖3 所示。

2.3 ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832 是美國半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于其體積小，兼容性高及性價比高而深受用戶歡迎。該芯片能實時采集2 路模擬電壓，該芯片在進行處理模擬電壓的時候，具有8位的精準度，采集模擬電壓數(shù)值后，采用逐次比較法，轉(zhuǎn)換為8 位數(shù)字量輸出。其能夠在不同的場合中進行使用。電路設(shè)計原理圖如圖4 所示。

2.4 電機驅(qū)動電路

電機調(diào)速可分成3 大部分，即控制、驅(qū)動和反饋。本系統(tǒng)采用PWM 控制方式來調(diào)節(jié)噴泉水泵的轉(zhuǎn)速，進而達到控制噴水高度的目的。由圖3 可知，由單片機的P1.4 引腳依據(jù)音樂采樣結(jié)果輸出PWM 波，通過控制三極管的導(dǎo)通時間，來控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整噴泉的輸出高度，具體應(yīng)用電路如圖5 所示。

圖3 LM386 電路設(shè)計原理圖

圖4 ADC0832 電路設(shè)計原理圖

圖5 電機驅(qū)動電路設(shè)計

2.5 LCD1602 顯示模塊

LCD1602 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動及易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點。上拉電阻驅(qū)動LCD1602，對音頻電壓信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)化后，通過單片機控制，顯示到液晶顯示器上。同時需要單片機對采集到的電壓進行實時判斷，進一步控制水泵和LED 燈。

2.6 燈光控制模塊

LED 是一種發(fā)光器件，通過電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光，發(fā)光二極管可高效地將電能轉(zhuǎn)化為光能。本設(shè)計采用LED 燈，通過LED 燈的亮暗可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，單片機對采集到的電壓信息進行等級分類判斷后，通過LED 燈根據(jù)電壓等級通過P3 端口，控制外部的LED 燈進行工作，不同電壓等級對應(yīng)不同的亮滅個數(shù)。

2.7 PWM 原理

脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的，可以通過調(diào)整PWM 的周期，使PWM 的占空比達到控制充電電流的目的。彩燈控制系統(tǒng)和水泵電機控制系統(tǒng)均由PWM調(diào)壓程序進行主控。電機工作的時候，電源并不是連續(xù)地向電機供電，而是在一個特定的頻率下以脈沖的形式提供電能，不同占空比的信號能對電機起到調(diào)速作用。不同的占空比能改變加在電機2 端的電壓大小，從而改變轉(zhuǎn)速。

3 軟件測試

在本次音樂系統(tǒng)的設(shè)計過程中，需要對數(shù)據(jù)采集及輸出部分進行初始化處理，初始化完畢之后，單片機要對模擬音頻信號進行處理，將其數(shù)字化的音頻量顯示到液晶顯示器上；同時需要對采集到的電壓進行實時判斷，不同電壓等級點亮不同的LED 燈個數(shù)，每一個等級上都設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速，通過控制輸出PWM信號來控制電機的轉(zhuǎn)速，進而控制噴泉的高度。系統(tǒng)的硬件和軟件部分設(shè)計完成后，需要對各個模塊進行調(diào)試，從而觀察效果并發(fā)現(xiàn)問題，然后對設(shè)計進行改進。本次系統(tǒng)調(diào)試主要對單片機程序及硬件電路進行調(diào)試，在仿真檢測中，使用PROTEUS 軟件進行畫圖，通過KEIL4 軟件平臺編程，編譯成功后就在仿真軟件上進行仿真。仿真電路圖如圖6 所示。

圖6 仿真電路圖

4 實物測試

通過仿真設(shè)計驗證，最終得到了符合理想的狀態(tài)。當焊接單片機、LM386、液晶顯示模塊、LED 燈和電機等元器件出現(xiàn)焊點不牢時，會導(dǎo)致驗證時LED 燈不亮、水泵噴射出現(xiàn)不高的情況。通過手機播放器給該系統(tǒng)輸入音頻電源，充電寶提供電源，在手機播放音樂的時候，音頻信號越大，輸出的電壓信號也會越大。單片機接收到音頻信號的輸入時，該信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，水泵會隨著音樂的節(jié)奏噴射水柱，實現(xiàn)了隨著音樂頻率不斷發(fā)生變化而進行噴水，再次播放不同的音樂，水泵也會不斷地噴涌出不同的水柱，同時也會控制LED 燈的點亮個數(shù)。與此同時，喇叭將接收到的音頻信號進一步擴大后，實現(xiàn)在每一個場合都能夠?qū)⒁魳凡シ懦鋈?，從而實現(xiàn)音樂噴泉的設(shè)計思路。實物測試圖如圖7 所示。

圖7 實物測試圖

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)可以根據(jù)音樂的聲調(diào)、節(jié)奏變化而影響水泵出水的高低及燈光的亮暗。用戶可以選擇喜歡的音樂進行播放，選擇音樂的途徑也比較方便，可幫助人們實現(xiàn)隨時更換音樂就能解決水柱變化情況，從而達到音樂、水花與燈光氣氛同步進行的效果。總之，通過軟硬件設(shè)計和仿真，采用單片機作為主控制器，把輸入的音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給單片機，單片機根據(jù)音頻信號控制和調(diào)節(jié)外部水泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)噴射水柱高度的智能調(diào)節(jié)，同時調(diào)整LED 燈點亮個數(shù)，實現(xiàn)噴泉的智能化控制。