基于C8051F單片機(jī)的移動(dòng)式音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)

　　目前在公共場(chǎng)所噴泉一般只是將音樂(lè)和噴泉高低簡(jiǎn)單配合, 無(wú)法真正體現(xiàn)音樂(lè)的旋律、節(jié)奏；或者是采用了高成本復(fù)雜的控制系統(tǒng)，搭建復(fù)雜的外圍電路實(shí)現(xiàn)功能；并且多數(shù)只能在現(xiàn)場(chǎng)觀賞，不能進(jìn)入家庭。本文介紹基于C8051F單片機(jī)控制的小型室內(nèi)移動(dòng)式音樂(lè)噴泉。它使用了較少的外圍器件和較為簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，成本低、體積小、水型變換多樣，實(shí)用性強(qiáng)，適合室內(nèi)觀賞。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)采集音樂(lè)信號(hào)，根據(jù)音樂(lè)信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及LED彩燈的亮滅。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由音樂(lè)輸入部分、音響放大部分、單片機(jī)控制部分和輸出控制部分組成。C8051F單片機(jī)作為系統(tǒng)的主芯片，一方面采集音樂(lè)信號(hào)，另一方面依據(jù)采集到的音樂(lè)信號(hào)的強(qiáng)弱輸出延時(shí)不等的矩形波來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制噴水高度的目的。彩燈的亮滅也由單片機(jī)依據(jù)音樂(lè)采樣值的大小來(lái)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　硬件系統(tǒng)由單片機(jī)電路、音頻電路、水泵控制電路、彩燈控制電路、電源電路等組成。
2.1 單片機(jī)電路
　　單片機(jī)要采集音樂(lè)信號(hào)，并據(jù)此調(diào)節(jié)I/O口的輸出來(lái)控制水泵和彩燈。主芯片選用C8051F系列單片機(jī)中的C8051F310。C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SoC，它具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器等等。這樣不僅可以簡(jiǎn)化單片機(jī)的外圍電路，而且處理速度和靈活度都大大增強(qiáng)，并且具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過(guò)10針的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試，設(shè)計(jì)調(diào)試周期短。所選的C8051F310內(nèi)部集成了一個(gè)10位ADC，兩個(gè)模擬比較器，4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，1個(gè)可編程精密內(nèi)部振蕩器，32腳LQFP封裝，2.7V～3.6V供電電壓。
　　C8051F310的最小系統(tǒng)電路如圖2所示。包括復(fù)位和晶振，JTAG程序下載和調(diào)試端口，AS1117供電芯片，把單片機(jī)的I/O口都用插針轉(zhuǎn)接出來(lái)以便于設(shè)計(jì)和調(diào)試。

2.2 音頻電路
　　音頻電路由音響放大器和音樂(lè)預(yù)處理電路兩部分組成。音響放大電路將音樂(lè)外放，包括兩級(jí)放大和一級(jí)功放。音樂(lè)預(yù)處理電路是將音頻信號(hào)經(jīng)由放大濾波輸入到單片機(jī)供片內(nèi)AD采集。整個(gè)系統(tǒng)采用單電源5V供電，選用可以使用單電源供電的運(yùn)算放大器LM324。功放由4V～12V供電，功率由可達(dá)1.25W的LM386完成，可以推動(dòng)喇叭達(dá)到揚(yáng)聲器的作用。信號(hào)經(jīng)音頻電路初步處理后送入單片機(jī)內(nèi)部AD，由定時(shí)器控制以8k采樣率采集音樂(lè)信號(hào)。
2.3 水泵控制電路
　　本系統(tǒng)采用可控硅調(diào)相的方法控制噴泉水泵的轉(zhuǎn)速。電路如圖3所示，由單片機(jī)的I/O口輸出矩形波，通過(guò)光耦控制可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整噴泉的輸出高度。選用單相可控硅BT169控制220V的雙向交流電。交流通過(guò)二極管1N4007(耐壓值1000V)組成的整流橋后變?yōu)?00Hz脈動(dòng)的直流，由單片機(jī)P0.4依據(jù)音樂(lè)采樣結(jié)果輸出矩形波，通過(guò)光耦控制可控硅的通斷，以達(dá)到調(diào)相的目的。

　　采用這種方法關(guān)鍵是要保證矩形波與100Hz脈動(dòng)直流保持同相，由AD采樣的結(jié)果決定100Hz脈動(dòng)直流的每一個(gè)周期有多長(zhǎng)時(shí)間是導(dǎo)通的。所以將100Hz脈動(dòng)直流分壓后作為單片機(jī)內(nèi)部比較器的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端接一個(gè)由5V分來(lái)的固定電壓(本系統(tǒng)使用了0.5V)，當(dāng)比較器的輸出結(jié)果發(fā)生變化時(shí)，由定時(shí)器定一段時(shí)間(本系統(tǒng)定為100Hz脈動(dòng)直流由0.5V下降到0V的時(shí)間)，這樣就找到了每個(gè)周期的起點(diǎn)，然后再根據(jù)AD采樣的結(jié)果決定不等的延時(shí)來(lái)輸出矩形波導(dǎo)通可控硅。AD采樣結(jié)果大，每個(gè)周期的延時(shí)短，可控硅導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速快，反之亦然。
2.4 彩燈控制電路
　　彩燈是為了渲染色彩增強(qiáng)節(jié)奏感而設(shè)計(jì)的。電路如圖4所示，使用高亮LED，有紅綠藍(lán)白黃五種顏色，設(shè)計(jì)成內(nèi)外環(huán)繞的三圈，每圈六個(gè)燈，顏色搭配得當(dāng)。每圈的燈并聯(lián)占用一個(gè)I/O口，用三極管8050放大提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)，依據(jù)音樂(lè)采樣值大小決定點(diǎn)亮的燈的圈數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　在硬件上本系統(tǒng)使用了單片機(jī)內(nèi)部的AD、比較器、定時(shí)器、中斷等資源，故軟件編程就包含這幾個(gè)方面的設(shè)置和使用。定時(shí)器T0控制AD的采樣速率。定時(shí)器T1在比較器的下降沿中斷中被啟動(dòng)，延時(shí)一段時(shí)間，找到100Hz脈動(dòng)直流每個(gè)周期的起點(diǎn)。定時(shí)器T2在定時(shí)器T1的中斷中被啟動(dòng)，依據(jù)不同的AD采樣值延時(shí)不等的時(shí)間，在T2的中斷程序中輸出矩形波啟動(dòng)可控硅。單片機(jī)的I/O口采用交叉開(kāi)關(guān)配置,用端口輸入方式寄存器（PnMDIN）選擇所有端口引腳的輸入方式（模擬或數(shù)字，復(fù)位后為數(shù)字輸入方式），用端口輸出方式寄存器(PnMDOUT)選擇所有端口引腳的輸出方式（漏極開(kāi)路或推挽，復(fù)位后為漏極開(kāi)路輸出方式），被配置為模擬輸入的端口要用端口跳過(guò)寄存器（PnSKIP）選擇為被交叉開(kāi)關(guān)跳過(guò)。I/O口初始化程序如下：

　　XBR1=0x40；　　　　　　　　　　　　 //交叉開(kāi)關(guān)使能
　　P0MDOUT=0x10 | P0MDOUT；　　　　　　//P0.4為推挽輸出，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//作為矩形波輸出口
　　P1MDIN=0xfb P1MDIN；//P1.2為模擬輸入，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//作為音樂(lè)輸入口
　　P1SKIP=0x04 | P1SKIP；　　　　　　　// P1.2被交叉開(kāi)關(guān)跳過(guò)
　　AMX0P=0x02；　　　　　　　　　　　　//設(shè)置P1.2為AD輸入通道
　　AMX0N=0xff；
　　P1MDIN=0xde P1MDIN；　　　　　　　//P1.0，P1.5為比較器模擬輸入
　　P1SKIP=0x21 | P1SKIP；　　　　　　　//P1.0，P1.5被交叉開(kāi)關(guān)跳過(guò)
　　CPT0MX=0x10；　　　　　　　　　　　 //選擇P1.0為比較器正輸入，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//P1.5為比較器負(fù)輸入
4 設(shè)計(jì)結(jié)果
　　設(shè)計(jì)的音樂(lè)噴泉LED彩燈經(jīng)過(guò)熱縮管的絕緣處理后用導(dǎo)線(xiàn)纏繞在塑料軟管上，然后再固定在盆內(nèi)。圍繞塑料軟管開(kāi)幾個(gè)小孔，再安裝塑料插頭作為噴水裝置?？梢杂秒娔X或者mp3作為音源，噴泉高低和彩燈隨著音樂(lè)的啟停節(jié)奏發(fā)生變化。系統(tǒng)的主要控制電路被安裝在盒子里放置于旁邊，注意絕緣，安全用電。
　　設(shè)計(jì)的噴泉控制系統(tǒng)基于C8051F單片機(jī)，采用了音頻放大，可控硅控制等簡(jiǎn)潔的外圍電路，經(jīng)過(guò)焊接、組裝、調(diào)試后，可以很好實(shí)現(xiàn)控制功能，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，尤其是具有體積小、易移動(dòng)、適合家庭和室內(nèi)使用的特點(diǎn)。本方案也可以在功能上加以擴(kuò)展，如加上對(duì)樂(lè)曲的頻域分析，結(jié)合頻域特點(diǎn)控制水泵；還可以制作霧化器來(lái)渲染效果等