花样音乐喷泉设计.doc

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1、摘要进入了21世纪，随着人们生活水平的提高和建立绿色城市的向往，音乐喷泉以其独特的魅力和特殊的功能，愈来愈成为休闲娱乐产业中的一项重要产品,音乐喷泉的兴建也越来越多。根据目前音乐喷泉的发展现状，完成了小型音乐喷泉系统硬件结构设计和控制系统设计。控制系统的原理是利用单片机控制喷泉的功能，分级控制单相电动机，最终达到控制喷头流量的方法。采用程序控制或人工按键控制电磁阀来控制喷泉。音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉随音乐节奏而变化。音乐喷泉是利用播放或现场演奏或按照预先编辑的程序变换喷水造型和灯光色彩强弱变化的喷泉。音乐喷泉控制系统可以使喷水造型变化和灯光的

2、变化随音乐的节奏、旋律的起伏变化而变化，美妙动人;编辑程序一般可以随时修改，也可储存多种程序，随意调用。其原理是利用 89C51 单片机通过 A/D 对语音信号进行采样, 然后通过控制步进电机来控制电磁阀, 实现对喷头流量的控制, 从而使喷泉水姿、灯光色彩随音乐节奏而变化。关键词: 89C51 单片机; A/D 转换; 变频器; 音乐喷泉。31ABSTRCTHas entered the 21st century, with the improvement of the peoples living standard and establishing the yearning of the g

3、reen city ,the fountain of the music becomes an important product in the recreation amusement industry. With its unique glamour and special function, construction of the fountain of the music is become more popular. According to the current situation of the development of the fountain of the music a

4、t present, finishing small-scale music fountain systematic hardware structural design and control system to design. The principle of the control system is to utilize the one-chip computer to control the function of the fountain, controls the single-phase motor in grades, reach and control the flow m

5、ethod of the shower nozzle finally. Controlling or artificial button controls the electromagnetic valve to control the fountain to adopt the procedure. Audio frequency signal still influences light color and light and shade change of light .Thus make the light color, light glimmer and fountain water

6、 appearance change with music rhythm. Music fountain to utilize, broadcast or play live or vary, spray water model and the intersection of light and the intersection of color and the intersection of power and fountain of change according to procedure that edit in advance. Music the intersection of f

7、ountain and control system can make, spray water the model is changed and the change of the light varies with rhythm of the music, wave of melody, wonderful and moving; The editor can generally revise procedure at any time, can also store many kinds of procedures. Its principle is that use 89C51 one

8、-chip computer samples the pronunciation signal through A/D, then control the electromagnetic valve by controlling and walking into the electrical machinery, realize the control on flow of the shower nozzle, thus make fountain water appearance, light color change with music rhythm .Keyword: 89C51 on

9、e-chip computer; A/D changes; frequency converter; music fountain.目录摘要IABSTRCTII1绪论21.1音乐喷泉系统简介21.2 论文背景21.3 音乐喷泉发展史31.4 论文的结构与主要工作41.4.1 本文要完成的主要工作42 花样音乐喷泉的总体设计52.1音乐喷泉系统框图52.2 设计要求及设计方案52.3 喷泉花样的设计与实现63 硬件设计73.1离心泵的简介及其选用73.1.1离心泵工作原理及分类73.1.2主要性能73.1.3水泵的选用83.2 变频器的简介以及选用83.2.1 变频器的工作原理83.2.2 基本

10、组成83.2.3变频器的选用93.3 彩灯简介与选用93.3.1 彩灯的选用103.3.2灯光硬件方案设计103.4 单片机的简介113.4.1 中央处理器(CPU)113.4.2 运算器(AUL)113.4.3 控制器113.4.4 存储器（memory）123.5 Atmel89S51单片机的引脚说明123.6 单片机电路143.7音乐信号的采样163.7.1 音频放大电路的设计163.7.2 音乐控制173.7.3 A/D转化器以及与单片机的连接183.8 输出电路203.8.1单片机驱动变频器电路203.8.2 继电器及其驱动电路203.9输入电路214 系统软件设计224.1灯光控制

11、模块224.2 喷池数据及喷头224.2.1 喷头的选择234.3 主程序框图244.4 主程序的编写244.5 keilCS51的使用275 总结29参考文献30致 谢31附录32附录A321绪论1.1音乐喷泉系统简介目前国内的水上乐园或者公园都会有喷泉，音乐喷泉作为一种新兴的喷泉得到了普遍的应用。音乐喷泉与普通的喷泉相比，附加了音乐的节奏，使得喷泉像具有了灵魂一样，无论从视觉和听觉上都能给观看者以美得享受。国内的一些市县已经开始计划在小区和广场建造音乐喷泉，音乐喷泉的发展十分迅速，音乐也越来越丰富，喷泉水型所体现出来的节奏也是越来越清晰明朗，水柱和灯光的辉映效果也更加和谐。音乐喷泉的形成是

12、将音乐的节奏和强度转变为控制信号，此信号再控制一个电压控制器件，电源经过这个电压控制器件后，输出电压也随音乐的变化而改变，然后控制水泵电机，改变频率就改变了电机的转速，也就改变了水泵的压力，音乐的不同频率经单片机处理送到变频电机的控制端，使电机转速随音乐的音调，节奏，和强弱变化，水泵的压力随之变化，喷岀的水就有了高低变化。使用Atmel89S51单片机控制音乐喷泉不论从价格或者性能方面都有很强的可用性，使用Atmel89S51单片机能够在实验中看到模拟效果，音乐喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景已经得到越来越广泛的应用。1.2 论文背景 随着我国人民物质和精神生活水平的不断提高，现在中国许多城市

13、的市民广场、单位和居民生活小区里都能看到各种形式的音乐喷泉。音乐喷泉，顾名思义就是指喷泉的水型根据播放音乐的旋律和节拍有规律地进行变化，同时辅以灯光、激光或其它介质的变化，在人们的视觉和听觉上形成和谐的统一，使人们在精神上有愉悦的感受。 音乐喷泉的形式多种多样，例如， 观赏型喷泉：音乐程序控制喷泉（分为水景控制、灯光控制、水景+灯光控制等方式）、跑泉、水幕电影、激光表演喷泉、火山喷泉、程控小景、雾化造景、舞台移动式水景、雕塑喷泉、瀑布、超高型喷泉等； 1.3 音乐喷泉发展史喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。而音乐喷泉的构思及萌生则是本世纪30年代开始的，1930年，德国的OTTO

14、PRZYSTAWIK(奥图皮士特霍)首先提出了喷泉与音乐相结合的设想，并设计成小型装置应用于酒店及商场，其后则逐步发展到大型化及多样化。GUNTER PRZYSTAWIK继承父业使音乐喷泉变得更为多姿多彩，并于l952年夏在西柏林工业展览会上进行展示，经纽约一名摄影师将其引进应用于纽约无线电音乐厅，从此，音乐喷泉陆续在世界各地应用推广，目前，西方工业发达国家已有制造音乐喷泉成套装置的专业工厂、如美国的WALTZING，MIDAS加拿大的PEM，意大利的NeonALPina日本的KAWAMURA 等公司。随着音乐喷泉市场的需求越来越大，国内关于音乐喷泉的研究与开发工作也蒸蒸日上。我国在80年代中

15、期相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环境，活跃人民的文化生活起了良好的作用。据不完全统计，2006年整个喷泉行业年总产值也早已达到几十亿元以上。同时我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等，也为推动喷泉技术的发展做了不少工作：1989年出版的给水排水设计手册，第一次将“水景设计”以专章列入设计手册；1989年出版、1990年开始施行的建筑给水排水设计规范，第一次将“喷泉设计”以专节列入国家设计规范；1990年出版了第一本专门著作喷泉设计；1991年在中国土木工程学会建筑给水排水委员会和中国标准化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届“全国喷泉研讨会”，有关喷泉的专门设

16、计规程和术语标准等也公开发布执行音乐喷泉以其水柱绚丽多姿，水柱随着音乐而跳动，给人以视觉和听觉的双重享受。大型的音乐喷泉功能齐全，规模大，有很强的震撼力，适用于大型音乐广场，对软硬件要求高，投资大。随着人民生活水平的提高，对美化住宅小区以及别墅环境的要求越来越高，小型化音乐喷泉成为一个发展方向。大型音乐喷泉的科技含量高,设计和制造难度大。目前,我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟,但对小型音乐喷泉的研究较少，小型音乐喷泉存在着协调性能差等缺点。小型音乐喷泉系统适用于住宅小区和酒店厅堂等场所，一个好的音乐喷泉就是一个精美的艺术品，可以美化环境、愉悦身心。而其控制系统是整个音乐喷泉的关键。对小型音乐喷

17、泉控制系统的研究具有很大的经济效益和社会效益1.4 论文的结构与主要工作 1.4.1 本文要完成的主要工作要实现喷水高度的连续控制，就必须能够调节喷头出水水压，而通过调节水泵转速可以达到平滑调节水压的目的。水泵由变频器来驱动，通过调节电机转速可以实现以上的要求。三相异步电动机通入工频电源，转速是不变化,变频器是专门针对电机调速装置。选用变频器来实现对三相电机的控制。由于单片机的输出是数字量，而变频器的控制口所需要的是模拟量，因此要通过数模转换来使输出达到要求。系统采用对单片机进行编程，通过单片机输出预定的数据来控制变频器工作，进而实现控制水泵的转速，使水柱发生变化。喷泉通过键盘输入来启动和停止

18、喷泉，同时键盘的输入还可以改变喷泉的运行模式。LED灯用来显示喷泉的运行状态。当变频器的控制电压为零时，变频器停止工作，水泵也会随之停止工作，达到关掉水泵的目的。单片机的特点是控制性能和可靠性高，体积小、价格低、易于产品化。由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪表、机电一体化产品、实时工业控制家用电器等各个领域都获得了极其广泛的应用2 花样音乐喷泉的总体设计2.1音乐喷泉系统框图该音乐喷泉控制系统的总体结构如图2.1所示，由音乐输入系统、数模转换系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成。图2.1 音乐喷泉系统框图2.2 设计要求及设计方案音乐喷泉控制系统主要由音乐输入采集

19、单元，数模转化单元，单片机控制单元和输出控制系统。在整个控制系统当中，当按钮按下时，喷泉处于待定状态，在按下自动按钮喷泉进入音乐喷泉状态，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，首先，音乐信号经过分频处理，分为不同的频率，各频段分别控制某几组喷型的开关的组合，在经过vu（音量单位）电路将接收到的信号转换成随音乐变化的音量单位信号，在经过数模转化器（ADC0809）将上一级的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号，输入单片机，经过单片机的各种动作。再将信号输出到相应的驱动电路上面驱动相对应的单元，如变频器，当变频器接受到电信号后，将信号传输到水泵上，水泵由变频器来驱

20、动，通过调节电机转速可以实现喷水高度的连续控制，就必须能够调节喷头出水水压，而通过调节水泵转速可以达到平滑调节水压的目的。LED灯用来显示喷泉的运行状态。当变频器的控制电压为零时，变频器停止工作，水泵也会随之停止工作，达到关掉水泵的目的。2.3 喷泉花样的设计与实现整个花样音乐喷泉由五台水泵组成，每台水泵控制两个喷嘴，外部有5个喷嘴，内部有5个喷嘴，彩灯的布局是外部有15个，内部有5个。如图2.3所示。图2.2 音乐喷泉实现的花样：花样一：一笔画成五角星，喷嘴的喷水顺序是222234532123543.彩灯也随着喷嘴的开启同时打开。花样二：处在五角星最外围的五个喷嘴依次喷水，当五个都有水喷出的

21、同时，外层的15个彩灯也依次打开，延时五秒。停止喷水，进行下一个花样。花样三：处在五角星内层的五个喷嘴依次喷水，当五个都有水喷出时，里层的5个彩灯也依次打开，延时五秒。停止喷水，进行下一个花样。花样四：所有喷嘴都一起打开，形成那个五角星的同时，也是一个圆环形，此时，所有彩灯一起打开，延时一定后，继续循环。整个花样音乐的水泵是由变频器控制的，而变频器是由单片机及器驱动电路来控制。彩灯的开关是由继电器来控制的，继电器的启停是由单片机和外围的驱动电路来驱动的。3 硬件设计3.1离心泵的简介及其选用3.1.1离心泵工作原理及分类 离心泵的工作原理就是在泵内充满水的情况下，叶轮旋转产生离心力，叶轮槽道中

22、的水在离心力的作用下甩向外围流进泵壳，于是叶轮中心压力降低，这个压力低于进水管的压力，水就是在这个压力差的作用下由吸水池流入叶轮。这样水泵就可以不断的吸水不断的供水了。 除了也轮的作用之外，螺旋形的泵壳起的作用也是很重要的。从叶轮获得了能量的液体流出叶轮时具有较大的动能，这些液体在螺旋形泵壳内被收集起来，并在后面的扩散管把动能变成压力能5。3.1.2主要性能 主要性能参数是：l 扬程直单位重量液体通过水泵后所获得的能量，用H表示，单位为米。H=(p2-p1)/g+(c2-c1)/2g+z2-z1 式中:p1，p2泵进出口处液体的压力，Pa；c1，c2流体在泵进出口处的流速，ms；z1，z2进出

23、口高度，m；液体密度，kgm3；g重力加速度，约 9.81 ms2。l 流量离心泵的流量即为离心泵的传送液体的能力，是指单位时间内水泵供出的液体的体积，用Q表示，单位升/秒。D2b2V2m22 其中：D 直径；V2m径向分速度；l 转数即水泵轴每分钟的转数，用r/min 定义叶轮每分钟的转数。用n表示。水泵只有在额定转速下才能达到铭牌上的参数。l 轴功率即泵轴所需功率即原动机输送给泵的功率。用N表示，单位是千瓦或马力。l 效率有效功率和轴功率的比，用表示。 Ne表示有效功率 ；3.1.3水泵的选用出于各方面的考虑，水泵选用了IS80-65-125,转速1450r/min，流量25m3/h,扬程

24、为5米，轴功率0.48kw，电机功率0.75kw6。3.2 变频器的简介以及选用3.2.1 变频器的工作原理 变频器的工作原理是把工频交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三项逆变器，将直流电变成可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的争先脉宽调制方法，时输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑的增速和减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围高、精度高且能无级变速的优点。3.2.2 基本组成 变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进

25、行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 (1). 整流电路整流电路的功能是

26、把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.(2). 平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。 (3). 控制电路 现在变频器基本是采用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电

27、路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路 变频器采取的控制方式，即速度控制、转矩控制、PID或其它方式 (4 ) 逆变电路 逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W得到相位差为120度的三相交流电压7。3.2.3变频器的选用根据水泵的各项性能指标，变频器选用七喜系列的HD700-40T-000075,主电源等级 220V 50HZ；额定输出电流2.5A，输入电流3.6A，适配电机功率0.75kw。断路器10A,熔断器6A。3.3 彩灯简介与选用彩灯，又名花灯

28、，是我国普遍流行的传统的民间的综合性的工艺品，彩灯艺术也就是灯的综合性的装饰艺术。彩灯的产生，是从人类应用火，发明灯,制造灯具等而来的。随着人们审美观的变化，彩灯艺术得到了更大的发展，彩灯艺术更是花样翻新，奇招频出，传统的制灯工艺和现代科学技术紧密结合，将电子，建筑，机械，遥控，声学，光导纤维等新技术，新工艺用于彩灯的设计制作，把形、色、光、声、动相结合，思想性，知识性，趣味性，艺术性得到了完美的统一，用于喷泉钟的彩灯，无论它的性能还是他的各方面参数，都有特别的要求，首先性能要求它要耐用，因为彩灯一般都是安装在地下的，地下的周围环境和地上的迥然不同，这对彩灯的稳定性要求也很高，又由于它是埋在地

29、下的，安装的拆卸和麻烦，因此，要保证不能出现故障频发的现象出现，影响喷泉的观赏性，另外，对于彩灯颜色的要求也决定喷泉的观赏性，它的发光强度要至少渗透早水柱的2/3高度。 LED多彩水下灯之特性： 1、长寿命：采用进口LED光源，使用寿命长达10万小时以上。 2、低耗能：平均15粒LED为3W，最大功率为15W。 3、高节能：耗电量为传统同等功率灯的1/5，节能达90%。 4、超亮度：亮度可达10.000MCD以上。可直射、散射。 5、低温冷光：为固态冷光源，不发热。 6、健康环保：无紫、红外线辐射，固体发光无污染，无频闪。 7、低压安全：可在6V、12V、24V-220V之间随意变换。 8、防

30、腐、防锈：灯体采用全不锈钢或ABS。 9、防水、防潮、防晒：采用硅胶防水，电路板经三层树脂密封，防护等级为IP68级。 10、坚固耐压：灯体为全不锈钢、ABS，采用钢化玻璃、厚度为1.2公分。 11、安装方便：使用软件芯片编程，无需控制器即可变换色彩和动作状态功能程序。 LED-水下彩灯系列有：红、黄、兰、绿、白、等多种颜色可供选择。图3.1 彩灯3.3.1 彩灯的选用Cree LED，水下照明LED，不锈钢材质，钢化玻璃面罩。主要特性：高效光学级透镜，光损小，照度好。功率10w，LED颜色，RGB变色，黄、蓝、绿、白。驱动方式为3.5A恒流驱动，环境温度-25到+45。3.3.2灯光硬件方案

31、设计 使用LED水下低压彩灯。LED-水下彩灯系列除广泛使用于喷泉，瀑布水下照明外，还可用于假山，桥梁等投光照明。 水下彩灯均采用著名荷兰菲利蒲公司产品，产品结构合理，色彩鲜艳，并进一步改进了其密封、防护和接线方式，广泛适合于各种喷泉。本次设计采用水下照明和闪光彩灯，水下照明采用LED水下低压彩灯两个，闪光彩灯采用不同颜色的发光二极管。如图3.2所示。图3.2彩灯的连接3.4 单片机的简介3.4.1 中央处理器(CPU) 中央处理器CPU是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制的数据或代码，CPU负责控制，指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操

32、作，它由运算器、控制器（定时控制部件）和寄存器3部分部件构成。3.4.2 运算器(AUL) 运算器的动能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节，单字节等数据进行操作，既能完成加、减、乘、除等四则运算，也可以完成加1，减1，BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑运算。3.4.3 控制器（1）时钟电路晶体时钟电路与AT89C51单片机的连接方式如图所示。晶体时钟电路中由石英晶晶振体、C1，C2电容和片内与非门组成了三点式振荡器，石英晶振体的频率和两个电容的频率决定着晶体时钟电路产生的振荡信号的频率，但是决定性因素是石英晶振体的频率(一般为033MHz)，电容C1、C2（

33、一般为530pF）则处于次要因素的位置。在本设计中石英晶振体的频率选为12MHZ，电容的容量选为20pF。晶振时钟电路如图所示。图3.3 时钟电路3.4.4 存储器（memory）存储器用来存储程序及数据。常用的存储器有：ROM，程序存储器，程序存储器ROM的地址空间为64kB，其内容是制造厂在生产过程中制造进去的，无法自己改变其内容。EPROM，可擦除再重新烧录得ROM。其内容是用户烧录进去的，必要时可用紫外线灯照射将其内容清除掉，并可以重新用烧录器烧录新的内容。RAM，随机存取存储器。RAM的内容可由CPU随时存取，因此常被用来存储需要变更的数据。 存储在ROM和EPROM存储器中的尼尔并

34、不会因为电源切断而消失，因此常用来存储程序及固定不变的数据。RAM的内容会随电源的切断而消失，所以一般用来存储容易动的数据。3.5 Atmel89S51单片机的引脚说明Atmel89S51单片机是一个40引脚的超大规模集成电路，引脚排列如图3.4所示:图3.4 AT89C51引脚图（1） VCC：电源端，为+5V。（2） GND：接地端。（3） RST：复位信号端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以出现RST引脚使单片机复位。（4） ALE/PROG(_)：地址锁存允许端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH

35、编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出频率为振荡器频率的1/6的正脉冲信号。 （5） PSEN(_)：程序储存允许， PSEN(_)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令或数据时，每个机器周期两次PSEN(_)有效(即输出两个脉冲)。但此期间访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN(_)信号将不出现。 （6） EA(_)/VPP：外部访问允许。当EA(_)保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。 （7） XTAL1：

36、振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 （8） XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 （9） P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻态输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 (10)P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉

37、的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 (11)P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 (12)P3口：P3口管脚是8个带内

38、部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。最重要是它的第二功能，P3口的第二功能如表3.1所示3。表3.1 P3口的第二功能端口功能第二功能RXD（P3.0）串行输入口TXD（P3.1）串行输出口INT0(_)（P3.2）外中断0INT1(_)（P3.3）外中断1T0（P3.4）定时/计数器0外部输入T1（P3.5）定时/计数器1外部输入WR(_)（P3.6）外部数据存储器写选通RD(_)（P3.7）外部数据存储器读选通3.6 单片机电路图3.5

39、单片机电路选用 ATMEL89C51 单片机为硬件核心电路。AT89C51 单片机引脚和指令系统与 51 系列单片机完全兼容，因而使用方便。其最大特点是内部有 4KB Flash ROM，而且价格低廉。用Flash ROM 在开发过程中十分容易对程序进行修改，大大缩短系统开发周期2。单片机电路如图所示。除复位和晶振电路外，还有以光耦合器件 4N35 为主的输入隔离电路、BCD拨码开关和用 74HC373的输出寄存器组。输出寄存器最多可用 8 个，这对于小型音乐喷泉已是富足有余了。为了充分利用单片机已有资源，尽可能简化硬件电路，这里采用的是线选法扩展 I/O 口来扩展输出寄存器 74HC373。

40、如果准备用指令：MOVX DPTR,A来向74HC373输出数据，DPTR中的地址和数据输出的目标如下：01XXH 数据输出至 0# 74HC37302XXH 数据输出至 1# 74HC37304XXH 数据输出至 2# 74HC37308XXH 数据输出至 3# 74HC37310XXH 数据输出至 4# 74HC37320XXH 数据输出至 5# 74HC37340XXH 数据输出至 6# 74HC37380XXH 数据输出至 7# 74HC373这里 XX 代表任意值，可取 00。由于不使用P0口地址，所以由P0口输出的低 8 位地址信号可以为任意值，由于 P2口各引脚分别接 74HC3

41、73 的输入控制端 G，所以地址信号的高 8 位只能是使 8个G 端仅一个为高电平的那些二进制数： 01H 02H 04H 08H 10H 20H 40H 80H中的一个。也可用选通 74HC373 的 MOV P2, B与起输出作用的MOVP0, A 之类的指令来输出数据，则当B的内容为01H/02H/04H/08H/10H/20H/40H/80H 时，则A的内容输出的目标寄存器也依次为 0#7#的74HC373之一。图中 R2、C4使开机复位期间各 74HC373的输出允许端存在一高电平，避免373内部随机数的输出而引起喷池中水泵、电磁阀和彩灯的误动作。BCD拨码开关可向单片机输入09 中

42、任意数码，用以改变单片机输出两组数据的时间间隔4。3.7音乐信号的采样3.7.1 音频放大电路的设计外部音乐信号的幅度一般较弱，因此必须要对原信号进行放大处理后才能送入A/D 转换器。本文选择了 LM386 芯片设计音频放大电路。LM386 是美国国家半导体公司（NS）推出的系列功率放大集成电路的一种，LM386 具有功耗低、工作电压范围宽、所需外围元件少等特点，在电子设备的音频放大电路设计中应用非常广泛，它使用了 10 只晶体管构成了输入级、电压增益和电流驱动级。其中 T1T6 组成 PNP 型复合差分放大器，T5、T6 为镜像恒流源，作为 T3、T4 的有源负载，使输入级有稳定的增益。电压

43、增益级由接成共发射极状态的 T7 承担，其负载也使用了恒流源，整个集成功放的开环增益主要由该级决定。T8、T9 复合为一个 PNP 管，和 T10 共同组成互补对称射极输出电路，以供给负载以足够的电流。D1、D2 提供了 T8、T9、T10 所需的偏置，使末级偏置在甲乙类状态。R5R7 构成内部反馈环路。从图 3.6 可以看出，LM386 采用双列 8 脚封装结构，它的工作电压范围为 412V，静态电流 4mA，最大输出功率 660mW，最大电压增益 46dB，增益带宽 300kHz，谐波失真 0.2%。图3.6 LM386 封装形式及引脚定义在 LM386 的 Datasheet 上，提供了

44、两种典型放大电路的设计方案。一种是在LM386 的 1 脚和 8 脚之间不接其他元件，此时放大电路的增益仅由内部电阻 R5R7决定，为 20 倍数（26dB），这种方式外部电路元件最少，也最为经济。另一种通过在 1 脚和 8 脚之间串接不同的阻容元件，改变放大电路的交流反馈量，从而改变放大电路的闭环增益。音乐信号的放大采集如图 3.7 所示。外部音源（声卡、CD 机等）的模拟音乐信号分左、右声道分别进入放大电路，经过信号放大后，得到幅值放大后的音频信号。在 LM386 的 1 脚和 8 脚之间串接一个 10 微法的电容 C4，使内部电阻 R6 被交流旁路，放大电路的增益能达到最大值，200 倍

45、数（46dB）。再对音频放大电路的外围电路进行设计，电路中电容 C1、C6 作为隔直电容，电位器 P1 用于调节音量的大小，元件 R2、C5 有助于旁路高频噪音和改善输出的音质。电容 C3 作为去耦电容，一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。电容 C2 则是作为旁路电容，将信号的中高频噪音旁路到地。经过放大电路的音频信号就送入 A/D 转换器进行采样，这里 A/D转换器要设置为双极性，即能接收负信号11。图 3.7音乐信号放大采集3.7.2 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

46、经电路转换为VU ( volume unit 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)，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3.8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VU信号又反应过慢,经实际调试C2取值20微

47、法至100微法( 用于全音乐信号时可取20微法左)。图3.8 AU转化电路3.7.3 A/D转化器以及与单片机的连接A/D 转换及控制根据控制精度的需要, 音乐信号的特点和芯片的性价比, 选用美国国家半导体公司生产的A/D 芯片ADC0809。它是CMOS 的8 位单片A/D 转换器, 片内有8 路模拟开关,可控制8个模拟量中的一个。A/D 转换采用逐次逼近原理, 输出的数字信号由TTL 三态缓冲器控制, 故可直接连至数据总线。逐次逼近法A/D 也称逐次比较法A/D, 它由结果寄存器、D/A 比较器和置位控制逻辑等部件组成, 如图3.9 所示。这种A/D 采用对分搜索法逐次比较、逐步逼近的原理来转换, 整个转换过程是