目前在公共场所喷泉一般只是将音乐和喷泉高低简单配合, 无法真正体现音乐的旋律、节奏;或者是采用了高成本复杂的控制系统, 搭建复杂的外围电路实现功能;并且多数只能在现场观赏, 不能进入家庭。本文介绍基于AT89S52单片机控制的小型室内移动式音乐喷泉。它使用了较少的外围器件和较为简单的电路设计, 成本低、体积小、水型变换多样, 实用性强, 适合室内观赏。
1 系统设计
本系统采集音乐信号, 根据音乐信号的强弱来控制水泵电机的转速以及LED彩灯的亮灭。系统的总体结构如图1所示, 由音乐输入部分、音响放大部分、单片机控制部分和1输出控制部分组成。AT89S52单片机作为系统的主芯片, 一方面采集音乐信号, 另一方面依据采集到的音乐信号的强弱输出延时不等的矩形波来控制可控硅的导通时间, 进而控制水泵电机的转速, 从而达到控制喷水高度的目的。彩灯的亮灭也由单片机依据音乐采样值的大小来控制。
2 系统硬件设计
硬件系统由单片机电路、音频电路、步进电机控制电路、彩灯控制电路、电源电路等组成。
2.1 单片机电路
单片机要采集音乐信号, 并据此调节I/O口的输出来控制水泵和彩灯。主芯片选用AT89S52单片机。采用Atmel公司的擅长处理多开关量的标准单片机AT89S52作为控制器。AT89S52是一个低功耗, 高性能的51内核的CMOS 8位单片机, 片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器, 具有2 5 6 b y t e s的随机存取数据存储器 (RAM) , 32个I/O口, 1个看门狗定时器, 3个16位可编程定时器, 具有ISP功能, 能够满足设计要求。使用简单且价格非常低廉。故系统的主控制器采用此方案。
2.2 音乐信号的采样
2.2.1 音频功放
音频电路由音响放大器和音乐预处理电路两部分组成。音响放大电路将音乐外放, 包括两级放大和一级功放。音乐预处理电路是将音频信号经由放大滤波输入到单片机供片内AD采集。整个系统采用单电源5V供电, 选用可以使用单电源供电的运算放大器LM324。功放由4V～12V供电, 功率由可达1.25W的LM386完成, 可以推动喇叭达到扬声器的作用。信号经音频电路初步处理后送入单片机内部AD, 由定时器控制以8k采样率采集音乐信号。
2.2.2 音乐控制
音乐信号是一个相当复杂的量, 实践证明, 采用国际标准音量计量单位VU信号对喷泉进行音乐控制, 能取得较为理想的效果。将音乐信号经电路转换为VU (volum eunit音量单位) 信号 (随音乐变化) , 再经A/D转换为数值信号进入单片机处理, 输出控制信号控制喷泉。图1中音乐分频段处理主要是为了拾取音乐更多的信息量, 提高控制效果并能实现对喷泉按各种喷型组合进行控制。本控制设备可进行的分频段最多不超过6段。最简单的可将音乐三分频 (高、中、低频) , 各频段分别控制某几组喷型的开、关及组合, 如中频段一般用于控制“雪松”、“礼花”等水花型, 中高频段一般用于控制“旋转”、“摆动”、“直射”等。图2是VU信号的具体线路, 图中C2起到延时作用, 其值取得过小, 则VU信号变化过快, 取值过大V U信号又反应过慢, 经实际调试C2取值20微法至100微法 (用于全音乐信号时可取20微法左右, 用于控制喷型组合时, 可以取100微法左右) 。电路如图2。
2.2.3 AD转换电路
输入的电压为交流模拟量, 不能直接送入单片机进行处理。因此首先采用全桥整流, 滤波。使其成为直流信号, 再采用了A D C电路。其中A D芯片为A D C 0 8 3 2。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片, 其最高分辨可达256级, 可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用, 使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。芯片转换时间仅为32μS, 据有双数据输出可作为数据校验, 以减少数据误差, 转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入, 使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端, 可以轻易的实现通道功能的选择。串行通信节约单片机I/O资源。AT89S52与ADC0832采用SPI串行接口方式, 将ADC 0832的CS和CLK分别接单片机的P0.0和P0.1引脚, 将D1和D0分别接P0.2和P0.3引脚。对CH0通道的模拟信号实行A/D转换, 转换结果传送给数组mo_shu。其与单片机的接线如图3所示。
2.3 步进电机控制
文中所控制的步进电机是四相单极式35BY48HJ120减速步进电动机。本文所设计的步进电机控制驱动器由A T 8 9 C 5 2单片机、光电耦和器、集成芯片L297和L298组成。L297是步进电动机控制器 (包括环形分配器) , L298是高压、大电流双全桥式驱动器双H桥式驱动器。其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的, 例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。具有两抑制输人来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的, 相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源, 使逻辑能在低电压下工作。L298芯片是具有15个引出脚的高功率直插式封装的集成芯片。A T 8 9 S 5 2通过串口经M A X 2 3 2电平转换之后与微机相连, 接受上位机指令, 向L297发出时钟信号、正反转信号、复位信号及使能控制等信号。由于L297内部带有斩波恒流电路, 绕组相电流峰值由Uref确定。当采用两片L297通过L298分别驱动步进电机的两绕组, 且通过两个D/A转换器改变每相绕组的Uref时, 即组成了步进电机细分驱动电路。另外, 为了有效地抑制电磁干扰, 提高系统的可靠性, 在单片机与步进电动机驱动回路中利用两个1 6引脚光电耦合器件TLP521—4组成隔离电路。其作用是切断单片机与步进电动机驱动回路之间电的直接联系, 实现了单片机与驱动回路系统地线的分别联接, 防止处于大电流感性负载下工作的驱动电路产生的干扰信号以及电网负载突变产生的干扰信号通过线路串入单片机, 影响单片机的正常工作。
2.4 彩灯控制电路
彩灯是为了渲染色彩增强节奏感而设计的。使用高亮L E D围绕在喷头的周围, 有红绿黄三种颜色, 设计成上下环绕的三层构成树形结构, 每层六个灯, 颜色搭配得当。每圈的灯并联占用一个I/O口, 用三极管8050放大提供足够的电流驱动, 依据音乐采样值大小决定点亮的灯的圈数。喷头布置如图4所示, LED控制电路如图5所示。
3 系统软件设计
在硬件上本系统使用了AD、比较器、定时器、中断等资源, 故软件编程就包含这几个方面的设置和使用。定时器T0控制AD的采样速率。定时器T1在比较器的下降沿中断中被启动, 延时一段时间, 找到100Hz脉动直流每个周期的起点。定时器T2在定时器T1的中断中被启动, 依据不同的AD采样值延时不等的时间, 在T2的中断程序中输出矩形波启动水泵驱动电路。图6给出了音乐喷泉的主程序框图。
4 设计结果
设计的音乐喷泉LED彩灯经过热缩管的绝缘处理后用导线缠绕在塑料软管上, 然后再固定在盆内。围绕塑料软管开几个小孔, 再安装塑料插头作为喷水装置。可以用电脑或者MP3作为音源, 喷泉高低和彩灯随着音乐的启停节奏发生变化。系统的主要控制电路被安装在盒子里放置于旁边, 注意绝缘, 安全用电。
设计的喷泉控制系统基于AT89S52单片机, 采用了音频放大, 可控硅控制等简洁的外围电路, 经过焊接、组装、调试后, 可以很好实现控制功能, 具有很强的实用性, 尤其是具有体积小、易移动、适合家庭和室内使用的特点。本方案也可以在功能上加以扩展, 如加上对乐曲的频域分析, 结合频域特点控制水泵;还可以制作雾化器来渲染效果等。
摘要：音乐喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景已经得到了越来越广泛的应用。论述了一个以AT89S52单片机为核心的适于室内使用的小型移动式音乐喷泉控制系统, 给出了单片机控制电路, 水泵控制电路, 彩灯控制电路及A/D转换程序。喷泉水型随音乐的高低旋律发生变化, 再辅以LED彩灯的亮灭, 实用性强, 适宜家庭和室内观赏。
关键词：AT89S52单片机,音乐喷泉,A/D转换,电磁阀
参考文献
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