基于C8051F單片機的移動式音樂噴泉設(shè)計

　　目前在公共場所噴泉一般只是將音樂和噴泉高低簡單配合, 無法真正體現(xiàn)音樂的旋律、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)雜的外圍電路實現(xiàn)功能；并且多數(shù)只能在現(xiàn)場觀賞，不能進(jìn)入家庭。本文介紹基于C8051F單片機控制的小型室內(nèi)移動式音樂噴泉。它使用了較少的外圍器件和較為簡單的電路設(shè)計，成本低、體積小、水型變換多樣，實用性強，適合室內(nèi)觀賞。
1 系統(tǒng)設(shè)計
　　本系統(tǒng)采集音樂信號，根據(jù)音樂信號的強弱來控制水泵電機的轉(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，由音樂輸入部分、音響放大部分、單片機控制部分和輸出控制部分組成。C8051F單片機作為系統(tǒng)的主芯片，一方面采集音樂信號，另一方面依據(jù)采集到的音樂信號的強弱輸出延時不等的矩形波來控制可控硅的導(dǎo)通時間，進(jìn)而控制水泵電機的轉(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依據(jù)音樂采樣值的大小來控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　硬件系統(tǒng)由單片機電路、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 單片機電路
　　單片機要采集音樂信號，并據(jù)此調(diào)節(jié)I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用C8051F系列單片機中的C8051F310。C8051F系列單片機是集成的混合信號片上系統(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。這樣不僅可以簡化單片機的外圍電路，而且處理速度和靈活度都大大增強，并且具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過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)計調(diào)試周期短。所選的C8051F310內(nèi)部集成了一個10位ADC，兩個模擬比較器，4個通用16位計數(shù)器/定時器，1個可編程精密內(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，把單片機的I/O口都用插針轉(zhuǎn)接出來以便于設(shè)計和調(diào)試。

2.2 音頻電路
　　音頻電路由音響放大器和音樂預(yù)處理電路兩部分組成。音響放大電路將音樂外放，包括兩級放大和一級功放。音樂預(yù)處理電路是將音頻信號經(jīng)由放大濾波輸入到單片機供片內(nèi)AD采集。整個系統(tǒng)采用單電源5V供電，選用可以使用單電源供電的運算放大器LM324。功放由4V～12V供電，功率由可達(dá)1.25W的LM386完成，可以推動喇叭達(dá)到揚聲器的作用。信號經(jīng)音頻電路初步處理后送入單片機內(nèi)部AD，由定時器控制以8k采樣率采集音樂信號。
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，由單片機的I/O口輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制水泵電機的轉(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。交流通過二極管1N4007(耐壓值1000V)組成的整流橋后變?yōu)?00Hz脈動的直流，由單片機P0.4依據(jù)音樂采樣結(jié)果輸出矩形波，通過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脈動直流保持同相，由AD采樣的結(jié)果決定100Hz脈動直流的每一個周期有多長時間是導(dǎo)通的。所以將100Hz脈動直流分壓后作為單片機內(nèi)部比較器的一個輸入端，另一個輸入端接一個由5V分來的固定電壓(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，由定時器定一段時間(本系統(tǒng)定為100Hz脈動直流由0.5V下降到0V的時間)，這樣就找到了每個周期的起點，然后再根據(jù)AD采樣的結(jié)果決定不等的延時來輸出矩形波導(dǎo)通可控硅。AD采樣結(jié)果大，每個周期的延時短，可控硅導(dǎo)通的時間長，水泵電機轉(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節(jié)奏感而設(shè)計的。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)計成內(nèi)外環(huán)繞的三圈，每圈六個燈，顏色搭配得當(dāng)。每圈的燈并聯(lián)占用一個I/O口，用三極管8050放大提供足夠的電流驅(qū)動，依據(jù)音樂采樣值大小決定點亮的燈的圈數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　在硬件上本系統(tǒng)使用了單片機內(nèi)部的AD、比較器、定時器、中斷等資源，故軟件編程就包含這幾個方面的設(shè)置和使用。定時器T0控制AD的采樣速率。定時器T1在比較器的下降沿中斷中被啟動，延時一段時間，找到100Hz脈動直流每個周期的起點。定時器T2在定時器T1的中斷中被啟動，依據(jù)不同的AD采樣值延時不等的時間，在T2的中斷程序中輸出矩形波啟動可控硅。單片機的I/O口采用交叉開關(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（漏極開路或推挽，復(fù)位后為漏極開路輸出方式），被配置為模擬輸入的端口要用端口跳過寄存器（PnSKIP）選擇為被交叉開關(guān)跳過。I/O口初始化程序如下：

　　XBR1=0x40；　　　　　　　　　　　　 //交叉開關(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，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//作為音樂輸入口
　　P1SKIP=0x04 | P1SKIP；　　　　　　　// P1.2被交叉開關(guān)跳過
　　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被交叉開關(guān)跳過
　　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)計結(jié)果
　　設(shè)計的音樂噴泉LED彩燈經(jīng)過熱縮管的絕緣處理后用導(dǎo)線纏繞在塑料軟管上，然后再固定在盆內(nèi)。圍繞塑料軟管開幾個小孔，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)計的噴泉控制系統(tǒng)基于C8051F單片機，采用了音頻放大，可控硅控制等簡潔的外圍電路，經(jīng)過焊接、組裝、調(diào)試后，可以很好實現(xiàn)控制功能，具有很強的實用性，尤其是具有體積小、易移動、適合家庭和室內(nèi)使用的特點。本方案也可以在功能上加以擴展，如加上對樂曲的頻域分析，結(jié)合頻域特點控制水泵；還可以制作霧化器來渲染效果等