基于C8051F單片機的移動(dòng)式音樂(lè )噴泉設計

　　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)法真正體現音樂(lè )的旋律、節奏；或者是采用了高成本復雜的控制系統，搭建復雜的外圍電路實(shí)現功能；并且多數只能在現場(chǎng)觀(guān)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)單的電路設計，成本低、體積小、水型變換多樣，實(shí)用性強，適合室內觀(guān)賞。
1 系統設計
　　本系統采集音樂(lè )信號，根據音樂(lè )信號的強弱來(lái)控制水泵電機的轉速以及LED彩燈的亮滅。系統的總體結構如圖1所示，由音樂(lè )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單片機作為系統的主芯片，一方面采集音樂(lè )信號，另一方面依據采集到的音樂(lè )信號的強弱輸出延時(shí)不等的矩形波來(lái)控制可控硅的導通時(shí)間，進(jìn)而控制水泵電機的轉速，從而達到控制噴水高度的目的。彩燈的亮滅也由單片機依據音樂(lè )采樣值的大小來(lái)控制。

2 系統硬件設計
　　硬件系統由單片機電路、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(lè )信號，并據此調節I/O口的輸出來(lái)控制水泵和彩燈。主芯片選用C8051F系列單片機中的C8051F310。C8051F系列單片機是集成的混合信號片上系統SoC，它具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器。除了具有標準8051的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其他數字外設及功能部件，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、溫度傳感器等等。這樣不僅可以簡(jiǎn)化單片機的外圍電路，而且處理速度和靈活度都大大增強，并且具有片內調試電路，通過(guò)10針的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統調試，設計調試周期短。所選的C8051F310內部集成了一個(gè)10位ADC，兩個(gè)模擬比較器，4個(gè)通用16位計數器/定時(shí)器，1個(gè)可編程精密內部振蕩器，32腳LQFP封裝，2.7V～3.6V供電電壓。
　　C8051F310的最小系統電路如圖2所示。包括復位和晶振，JTAG程序下載和調試端口，AS1117供電芯片，把單片機的I/O口都用插針轉接出來(lái)以便于設計和調試。

2.2 音頻電路
　　音頻電路由音響放大器和音樂(lè )預處理電路兩部分組成。音響放大電路將音樂(lè )外放，包括兩級放大和一級功放。音樂(lè )預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AD采集。整個(gè)系統采用單電源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1.25W的LM386完成，可以推動(dòng)喇叭達到揚聲器的作用。信號經(jīng)音頻電路初步處理后送入單片機內部AD，由定時(shí)器控制以8k采樣率采集音樂(lè )信號。
2.3 水泵控制電路
　　本系統采用可控硅調相的方法控制噴泉水泵的轉速。電路如圖3所示，由單片機的I/O口輸出矩形波，通過(guò)光耦控制可控硅的導通角，進(jìn)而控制水泵電機的轉速，調整噴泉的輸出高度。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P0.4依據音樂(lè )采樣結果輸出矩形波，通過(guò)光耦控制可控硅的通斷，以達到調相的目的。

　　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采樣的結果決定100Hz脈動(dòng)直流的每一個(gè)周期有多長(cháng)時(shí)間是導通的。所以將100Hz脈動(dòng)直流分壓后作為單片機內部比較器的一個(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(本系統使用了0.5V)，當比較器的輸出結果發(fā)生變化時(shí)，由定時(shí)器定一段時(shí)間(本系統定為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AD采樣的結果決定不等的延時(shí)來(lái)輸出矩形波導通可控硅。AD采樣結果大，每個(gè)周期的延時(shí)短，可控硅導通的時(shí)間長(cháng)，水泵電機轉速快，反之亦然。
2.4 彩燈控制電路
　　彩燈是為了渲染色彩增強節奏感而設計的。電路如圖4所示，使用高亮LED，有紅綠藍白黃五種顏色，設計成內外環(huán)繞的三圈，每圈六個(gè)燈，顏色搭配得當。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動(dòng)，依據音樂(lè )采樣值大小決定點(diǎn)亮的燈的圈數。

3 系統軟件設計
　　在硬件上本系統使用了單片機內部的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（模擬或數字，復位后為數字輸入方式），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為比較器負輸入
4 設計結果
　　設計的音樂(lè )噴泉LED彩燈經(jīng)過(guò)熱縮管的絕緣處理后用導線(xiàn)纏繞在塑料軟管上，然后再固定在盆內。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(zhù)音樂(lè )的啟停節奏發(fā)生變化。系統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。
　　設計的噴泉控制系統基于C8051F單片機，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、調試后，可以很好實(shí)現控制功能，具有很強的實(shí)用性，尤其是具有體積小、易移動(dòng)、適合家庭和室內使用的特點(diǎn)。本方案也可以在功能上加以擴展，如加上對樂(lè )曲的頻域分析，結合頻域特點(diǎn)控制水泵；還可以制作霧化器來(lái)渲染效果等