一种基于51单片机的音乐喷泉系统的设计

一种基于51单片机的音乐喷泉系统的设计

楼俊君

上海电力大学自动化工程学院    

[摘要]本文以51单片机为核心设计了一套音乐喷泉系统。该系统硬件包括音频放大电路、AD转换电路、单片机电路、水泵控制电路和LED灯光电路等，能根据播放的音乐来控制喷泉的灯光和喷水等效果，实现了音乐喷泉的控制与调节。在软件程序设计部分，通过对音乐信号进行分析，提取音乐的频率信息并转换为相应的控制信号，来控制喷泉灯光和水泵的工作状态。本设计实现了音乐与喷泉的完美结合，在未来的研究中，可以进一步拓展该系统的应用场景和功能，为现代艺术和科技创新注入新的活力。

[关键词]单片机；音乐喷泉； AD转换

前言

音乐喷泉是一种集音乐欣赏和水景艺术于一体的艺术形式。通过控制喷泉高度、灯光色彩等参数，使观众能够在视觉、听觉上获得极大的享受。如广场喷泉、激光喷泉、水幕电影等已经成为了城市景观中不可或缺的一部分。超高喷泉、人工瀑布等观赏价值极高的喷泉设备也成为了人们追逐的目标。因此，喷泉设计和喷泉设备研究已逐渐成为娱乐产业中的重要组成部分，不仅带来了良好的经济效益，同时也产生了巨大的社会效益。本文以51单片机为核心设计了一套音乐喷泉系统。能根据播放的音乐来控制喷泉的灯光和喷水等效果，实现了音乐喷泉的控制与调节。

一、总体方案设计

本设计采用STC89C51单片机作为主控制器加上外围电路实现音乐喷泉的功能。工作原理是通过单片机控制水泵、灯光和音乐模块，实现水流、灯光和音乐的同步变化。具体来说，单片机会接收外部的音乐信号，首先对音乐进行采样，然后使用ADC0832芯片将音频信号转换成数字信号，并通过读取ad值来控制水泵的水位，led灯根据数字信号的大小来模拟各种不同的灯光效果

二、主要元器件选择

2.1 STC89C51单片机

STC89C51单片机是一款基于8051架构的单片机，由宏晶公司生产。该单片机采用了高性能CMOS工艺，集成了大量的模拟/数字接口、时钟模块、存储器和外设，具有低功耗、高集成度和易于开发等特点。

2.2 音频放大器

音乐喷泉系统使用了外部声源，所以需要先收集模拟音频信号，然后才能够进行特征识别。通常，收集音乐信号需要经历两个步骤：音频放大和 A/D 转换。由于外部声音来自的信号会比较弱，所以我们需要先将其放大，然后再将其输入A/D 转换器。

采用 LM386 芯片构建的音频放大器具有出色的性能。LM386是一种常见的低电压、低功耗、音频功率放大器。它广泛应用于电子设备中，特别是小型电子设备和电池供电的电子设备中，例如收音机、喇叭、电子琴、游戏机等等。LM386通过使用负反馈，可以实现稳定的增益和低失真。此外，它具有内置的音量控制功能，可以通过外部电阻调节音量大小，从而方便了系统的设计。

2.3 AD转换

AD转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。ADC0832是一种8位串行模数转换器，常用于单片机等嵌入式系统中进行模拟信号的数字化处理。它采用的是双积分逼近型转换方式，具有转换速度快、精度高、抗干扰能力强等特点。本设计中采用ADC0832完成模数转换。

2.4 水泵控制

水泵控制电路是用于控制水泵开关的电路，可以通过单片机控制水泵的开关，实现对水泵的精确控制。水泵控制电路采用三极管来实现。三极管连接在微控制器的输出引脚和水泵电源之间。通过控制微处理器输出引脚的高低电平，来使得三极管导通或者截止，以此来控制水泵的开关。

三、软件设计

软件设计流程可以分为以下几个步骤：

1.初始化：在程序开始执行时，首先进行初始化操作，包括设置IO口的状态、初始化定时器和ADC模块等。

2.读取声音信号：通过麦克风模块读取声音信号，并进行相应的信号放大、滤波等处理，将声音信号转换成数字信号。

3.解析音乐数据：将音乐数据进行解析，获取音乐的数字信号，将数字信号进行节奏检测，判断当前节奏的强度和频率。

4.控制灯和水泵：根据当前节奏的强度和频率，控制水泵和灯光的开启和关闭，使得水流和灯光能够跟随音乐节奏变化而变化。

5.循环运行：程序进行循环运行，不断读取声音信号、检测节奏、控制泵和灯光等操作。

通过C语言编程将程序下载到单片机的程序存储器中，即可实现音乐喷泉的自动控制。

四、调试

4.1 仿真调试

本系统在PROTEUS中的仿真电路图如图1-1所示。仿真结果分析：在仿真运行后，可以看到水泵通过驱动电路工作，水流顺利流动到顶端并喷出，同时灯光也可以随着音乐的变化而变化，呈现出不同的效果。单片机通过ADC0832模数转换芯片采集音频信号，通过音频输出接口，将单片机产生的音乐信号输出到扬声器中，可以听到清晰的音乐声音。同时单片机通过控制IO口实现对水泵、灯光、音频等设备的控制，通过程序算法对输入的音乐信号进行分析和处理，并根据处理结果实现控制功能。

图1-1 仿真电路图

4.2 实物制作

在PROTEUS仿真成功的基础上实现了实物的制作，实物图如图1-2所示。实物制作成功上电运行，可以看到水泵根据单片机控制的信号驱动水循环，同时，音乐的节奏变化也能够自动控制灯光的变化，让整个喷泉演出过程非常生动。该系统的设计不仅展现了单片机的高效率和精准控制能力，同时也展示了多个功能模块之间的协同工作能力，使得喷泉系统的整体表现更加协调和统一。

图1-2 实物电路板实拍图

五、结论

通过仿真和实物制作成功设计并实现了一款基于51单片机的音乐喷泉系统，实现了音乐与喷泉的完美结合。通过对音乐信号的分析和处理，该系统能够控制喷泉的灯光和喷水等效果，展示了现代电子技术在艺术领域的应用前景。

参考文献

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作者简介：上海电力大学自动化工程学院 讲师，主要研究方向：嵌入式系统开发。