论文总字数：16255字

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2课题研究现状 1

1.3 课题研究内容 2

第二章 音乐喷泉控制系统硬件设计 3

2.1系统方案比较与选择 3

2.2 控制系统硬件总体设计方案 3

2.3音乐信号的处理 4

2.3.1 音频放大电路设计 4

2.4采样定理 6

2.5 单片机电路 6

2.5.1 单片机概述 6

2.5.2 单片机的优势： 7

2.5.3 时钟电路 7

2.5.4 复位电路和单片机最小系统 8

2.6 A/D转换电路 8

2.6.1 ADC0832概述 9

2.6.2 单片机对ADC0832的控制原理 9

2.6.3 ADC0832时序图 10

2.7 LED灯组硬件电路设计 11

2.8 电机驱动电路设计 11

2.9 PWM脉宽调制 12

第三章 音乐喷去控制系统软件设计 12

3.1 系统整体流程图 12

3.2 音频信号处理软件设计 14

3.3 PWM脉宽调制 14

3.4 电路设计与仿真 17

3.5 实物展示 17

第四章 总结与展望 19

4.1 论文总结 19

参考文献 21

致谢 22

附录 23

基于51单片机的音乐喷泉控制系统

吕长明

, Jiangsu

ABSTRACT

A musical fountain control system with multiple sprinklers has been proposed and designed based on AT89C51/52 single chip microcomputer. The system controls the electric motor by the single chip microcomputer control circuit and controls the motor with the specific signal of the processed music in order to achieve the purpose of the change of the high and low of the waterfall and reappear the music. In addition, the audio signal is sampled and processed by the process A / D conversion circuit, so that the LED lamp group is changed by the audio signal.

Key words; MCU LM286 A / D conversion PWM

第一章 绪论

1.1课题背景

近几年来，人们对精神文化生活的丰富性和品质要求愈来愈看重。喷泉作为一种观赏性较高，改善生活质量，提高生活品味的艺术水景,开始映入人们的眼帘，进入人们的日常生活。很早期的喷泉是牢固在某个地方，科技的进步促使着音乐喷泉进入了身边的现代都会。

音乐喷泉是一个完全的将喷水彩色灯光、图形及音乐旋律联系的有机总体，跟着乐曲旋律和节拍的转变，各类有差的喷水花形互相响应共同改变，音乐喷泉在跟着音乐发生变动的情况下，在多彩灿艳的幻化灯光辉映下，组成一幅幅奇妙非常的景观，这为都会的人们在夜间增给一份美轮美奂的视觉和听觉的盛宴，是快节拍的都市生活夜间一项很是浪漫闲适的文娱项目。这使人心旷神怡，叹为观止并且在视听上取得极大的享受。

音乐喷泉的起始于外国，在很早的年代就已经出现，由起先的小型变为复杂华美的构造。现今，改善的音乐喷泉已经面向全世界，成为人们喜爱的艺术作品，其画面展现力和渲染力更加精美华丽。国内对于音乐喷泉的关注和发展是很重视的，上个世纪我国就很早引进了关于音乐喷泉的各种实体和资料。经过半个世纪的自由发展和我国的人才研发，国内的喷泉设计不断发展壮大，其样式，体积，功能都多种多样。同时，由于其具有一定的商业价值，这就加剧了各大厂商的不断竞争，加快了我国喷泉的发展速度，以至于我国有少许公司能够制作大型新式喷泉并创造了世界新纪录。因此，我国对于喷泉的研发和商用价值的利用都具有国际一流水准，其发展速度也是其他国家难以比拟的。

但是，目前现状，音乐喷泉过于商业价值化而其所表达的音乐情感和营造的浪漫氛围却渐于淡化，因此本设计重在对音乐的音频信号做重点分析并且结合相关音乐知识设计一个简单的控制系统来达到控制电机的转动，从而达到水柱喷涌的高低和音乐灯的闪烁相得益彰，既能创造喷泉所带来的氛围又不失简单实用。

1.2课题研究现状

自上个世纪以来，我国人名生活水平的日趋前进，对栖身情况和城区情况提出更高的要求，因此音乐喷泉在改良情况，提高生活水平中施展着越来越重要的作用，并且其具备较大的商业价值，各类样式，各种创造性的新型喷泉层见叠出：超高喷泉，音乐喷泉，超大瀑布等。这类经由单片机程序来控制喷泉的新形式不但造价适中并且喷泉样式变更繁多。本次毕业设计便是采取了单片机作为最小 系统，经由音乐的输入信号，从而输出控 制电机的动转来促使水柱的喷涌高低，期间彩灯也跟着音乐的输入信号的转变而转变。

音乐喷泉是指在播放音乐的同时，水柱急剧喷涌变换且灯光不断闪烁，这一些列相组合，就在视觉上体现出波澜壮阔，唯美浪漫的状景，同时提供视觉和听觉的享受。

现代音乐喷泉工程涉及计算机控制，流体力学，光照学，音乐编辑等方面，这是一种综合性较大的系统工程。而近来几年的音乐喷泉的飞速发展，呈现了良多新技术和工艺。包罗新式喷头和新别致喷水造型设 计，譬如超高喷泉，超大瀑布。还包括利用程控喷泉--利用专业的控制系统来达到喷泉效果。

可是，大部分的喷泉系统采用的是对音乐的选择和辨别都是比较定性程式化的，由操作职员对音乐采取选择和录入而非智能选择，这唯一的缺点便是音乐的种类有限，对于新的歌曲的选择需要人员再次编程录入，这就加重了工作量，给全部系统增加了负荷，致使系统不敷简洁灵活。而对计算机音乐辨别功能的喷泉系 统体系，其音乐特征识别也较为单一简略，对于音乐中的各个要素只能进行简单的处理，这致使了喷泉的喷涌水花的单一，音乐播放和彩灯照明的不协调。由此看来，综合音乐各种特征如音色，节拍等来实现喷泉与音乐的完美结合，既能完美表现音乐的唯美，又能欣赏不失协调的喷泉。这种制造方式还没泛用于市场并且相关资料和研发较少，因此，本次毕业设计具有相当的难度。

1.3 课题研究内容

本论文首先对音乐特征识别进行研究。音源方式主要有两种：第一种方式称为“外部硬件音源”，第二种则称为“软件音源”（Real One,Media Player等），两种方式的对比下，音乐特征识别研究的方向和内容是不尽相同的。“软件音源”的方式，在这个音乐特征提取过程中，没有任何硬件电路的参与而只用软件实现。相反，第一种方法所计划的常识规模则相对于普遍的多。

其次，我们使用单片机机将外界音乐信号采集。采集过程包括信号放大—采样—A/D转换—预处 理等过程，接着必要对音乐序列数字化，应用各种信号识别方法进行分析处理，从而提取所必要的音乐特征。“外部硬件音源”的方法在目前的音乐喷泉系统中使用的最为广泛，所以本次毕业设计就是采用第一种方式的喷泉控制系统。

针对声音信号，需要提取出其中的节奏，风格以及节拍，而这种识别技术可以应用与多种方面，我们本次设计就采用该方式。具体来说，音乐包含三种基本特征要素，分别为基本，复杂和整体特征。针对这三种要素我们也提出三种层次的音乐特征辨别别：第一层是针对于音乐的基本特点，提取以后在这基础上又钻研其繁杂特征，第三层是按照音乐的基本特点和复 杂特征再次分析出音乐的整体特征，其中包括音乐的风格，布局以及抒发的感情。

本论文基于单片机的音乐喷泉控制系统，针对音乐的某一个特征要素，使喷泉随着音乐的变化而不断变化。在对外部硬件音源的接收后，通过音频放大器，对音源进行放大。之后将音源的模拟量转换为数字量，通过单片机的输入/输出端口。通过对音频的详细区分，将其分为四个范围，在不同范围的音频值驱动不同的电机，在通过延迟函数，这样在视觉的感官上，多个喷头的喷水就是高低错落，相得益彰，带来不一样的视觉效果。具体的，本文是使用音乐的数字量的大小利用PWM调节方式来调节电机的平均电压使得水柱喷涌的高低不同，同时单片机的输出端口连接LED灯组，使得其随着音乐不断闪烁变化。

第二章 音乐喷泉控制系统硬件设计

2.1系统方案比较与选择

由于喷泉近年来的不断发展，其实现方式也愈发多种多样和趋近商业化，而本次论文设计的备选方案就是比较以下方式的优劣，再结合设计价格，作品结构以及最终设计目的，最终选择采用单片机结合基本电路的方案以此来完成毕业设计作品。

备选方案一：工业PC是借用种类浩繁的I/O板卡、通讯卡，经由过程发送控制信号以此来控制音乐喷泉。这种方式是大多数音乐喷泉制造所选择的方式，缺点是造价较贵，同样不适合本次的设计目的。

备选方案二：应用计算机智能喷泉控制系统，该控制系统的最大的好处是对音乐喷泉的控制精度较高，这种控 制方式适用于绝大多数的闻名的大型喷泉，然而，与此同时带来的瑕疵点便是造价过于昂贵，设计偏于庞大繁杂难度较大，只适用于商业用途，因此我们本次设计不采纳这类方式。

备选方案三：PLC控制方式。这种控制方式是通过预先编辑好的特定曲目来作用与音乐喷泉，局限于歌曲的单一，这也是缺点所在。同样也不适合本次的设计目的。

备选方案四：现今单片机应用于大型音乐喷泉，经由数据的收集，经过处理后的数据送入，同时整个系统将音乐信 号经过功率放大滤波除噪后，经由数模转换后输入单片机，经由单片机处理后输送到电机以此控制电机转动，达到喷泉口水柱喷水的高低的目的。这种方法造价适中，布局简略小型，合适本次设计采取。

设计者经由对以上备选方案的思考和自身的专业知识水平。通过考虑结构小型，造价成本较低，喷泉演示效果明显等问题，本次设计决定采用备选方案四。

2.2 控制系统硬件总体设计方案

通过第四种备选方案，可以得出该控制体系的总体设计方案框图，最重要的是由音乐输入、播放体系，功放系统，AD数模转换，最小单片机控制系统，输出系统和外接设备构成。如图2-2-1所示。

图2-2-1 系统总体设计框图

2.3音乐信号的处理

音源方法主要有两 种：第一种称为“外部 硬件音源”，第二种则称 为“软件音源”。第一种方式包括了功率放大—A/D转换—数据处理等过程。“外部硬件音源”的方法简单方便，因此这种方式在音乐喷泉系统中使用的最为广泛，所以我们采用第一种方式来对音乐信号进行处理。下面我们具体分析其中两种处理过程，音频功率放大和A/D数模转换。

2.3.1 音频放大电路设计

因为一般外部音源信号的幅度较弱，所以需要对原音源信号进行放大处理后才可以送入A/D数模转换。经由上述的斟酌，选择LM386芯片设计音频放大电路。

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