毕设-简易音乐喷泉设计.doc

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电 子 系 统 设 计
大

作

业

课 题： 简易音乐喷泉的制作
组 员：

任课老师：

教育资料
目 录

一、 设计任务和分析 1
二、 硬件电路设计 1
2.1总体设计 1
2.2各模块设计 2
2.2.1单片机最小系统 2
2.2.2 A/D转换模块 2
2.2.3 音频放大模块 3
2.2.4 LED灯及电机 3
三、 程序设计 4
3.1主程序设计 4
3.1.1设计框图 4
3.1.2程序代码 4
3.2 A/D转换程序设计 5
3.2.1 A/D转换程序原理 5
3.2.2 A/D转换程序框图 6
3.2.3 A/D转换子程序代码 7
3.3 PWM调压设计 8
3.3.1 程序框图 8
3.3.2 PWM调压子程序 8
四、 调试和测试结果分析 10
4.1调试 10
4.2 结果分析 10

一、 设计任务和分析

基本任务：用MCS-51单片机设计一个音乐喷泉，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。系统采用对单片机进行编程，通过单片机输出改变的PWM来控制直流电机工作转速，进而使水柱发生变化。当有音乐信号时，获取声音强度，通过A/D转换采集音频电压强度，再通过软件计算占空比输出PWM，作用到电机上，使喷头产生随音乐起伏的效果。同时通过将PWM的占空比与设定的8档值比较来控制8盏LED灯随音乐起伏的效果。

二、 硬件电路设计
2.1总体设计
本设计方案为当有音乐信号时，获取声音强度，通过A/D转换采集音频电压强度，再通过软件计算占空比输出PWM，作用到电机上，使喷头产生随音乐起伏的效果。同时通过将PWM的占空比与设定的8档值比较来控制8盏LED灯随音乐起伏的效果。

单片机

AD转换

功放

喇叭

频谱彩灯显示

驱动

水泵

电源

图2.1 总体设计图

2.2各模块设计

2.2.1单片机最小系统
STC89C52单片机的最小系统电路包含以下几个部分：
u 单片机供电电路：AT89S52需要具有可靠的5V供电，在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符；
图 2.2
u 振荡电路：AT89S52需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，在该电路采用了24Mhz的晶振作为AT89S52的时钟源；
u 复位电路：复位电路是单片机正常运行的一个必要部分，复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位，在单片机正常工作时将RST引脚置低。此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。

2.2.2 A/D转换模块

ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。
ADC0832 具有以下特点：
· 8位分辨率；
· 双通道A/D转换；
· 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
· 5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
· 工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
· 一般功耗仅为15mW；
图 2.3
· 8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装

2.2.3 音频放大模块

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。
LM386特性：
l 静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；
l 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V；
l 外围元件少；
图 2.4
l 电压增益可调，20-200；
l 低失真度；

2.2.4 LED灯及电机

图2.5 电机驱动电路 图2.6 LED电路

教育资料
三、 程序设计
3.1主程序设计
开始
A/D采集
PWM调压
3.1.1设计框图

图3.1 主程序框图

3.1.2程序代码
void main()
{

while(1)
{
penquan(); //调用PWM调压函数，通过延时改变输出高低电平，
//并根据占空比控制LED
}
}

3.2 A/D转换程序设计
3.2.1 A/D转换程序原理

图3.2 ADC0832通道选择

如图2.1 所示，当SGL与ODD2 位数据分别为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。

图3.3 ADC0832转换时序图

当时钟信号到第3 个脉冲的下降沿时，DO/DI端开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下降沿开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个时钟下降沿DO端输出下一位数据。直到第11个时钟脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟下降沿输出DATD0。随后输出8位数据，到第19 个时钟下降沿时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。
3.2.2 A/D转换程序框图
否
是
开始
初始化
通道选择
启动A/D转换
读取一位数据
8位读取完毕？
读取1位校验数据
8位读取完毕？
两次数据相等？
返回转换值
返回0
返回
是
是
否
否

图3.4 A/D转换程序框图

3.2.3 A/D转换子程序代码
unsigned char ad0832read(bit SGL,bit ODD)
{
unsigned char i=0,value=0,value1=0;
SCL=0;
DO=1;
CS=0; //开始
SCL=1; //第一个上升沿
SCL=0;
DO=SGL;
SCL=1; //第二个上升沿
SCL=0;
DO=ODD;
SCL=1; //第三个上升沿
SCL=0; //第三个下降沿
DO=1;
for(i=0;i<8;i++)
{
SCL=1;
SCL=0; //开始从第四个下降沿接收数据
value<<=1;
if(DO)
value++;
}
for(i=0;i<8;i++)
{ //接收校验数据
value1<<=1;
if(DO)
value1+=0x80;
SCL=1;
SCL=0;
}
CS=1;
SCL=1;
if(value==value1) //与校验数据比较，正确就返回数据，否则返回0
return value;
return 0;
}

3.3 PWM调压设计
开始
读取音频电压
更新PWM占空比
输出PWM低电平
根据PWM低电平时间软件延时
根据PWM占空比控制8盏LED亮灭，共8档

输出PWM高电平
根据PWM高电平时间软件延时

返回
3.3.1 程序框图

图3.5 PWM调压程序框图
3.3.2 PWM调压子程序
void penquan() //PWM调压
{
uchar h1,h2,date;
date=ad0832read(1,0); //读取音频信号电压值，通道CH0
h2= 255-date; //取PWM占空比，h2为低电平时间，h1为高电平时间
h1=h2*10; //占空比放大十倍，增加分辨率
out=0; //输出PWM低电平
delay((h2-100)); //PWM低电平延时
if(h1>300) led1=1; else led1=0;
if(h1>700) led2=1; else led2=0;
if(h1>1000) led3=1; else led3=0;
if(h1>1300) led4=1; else led4=0;
if(h1>1600) led5=1; else led5=0;
if(h1>1800) led6=1; else led6=0;
if(h1>2000) led7=1; else led7=0;
if(h1>2200) led8=1; else led8=0;

out=1;
delay((date-100));

}

四、 调试和测试结果分析
4.1调试
调试分为两步，一是硬件调试，二是软件调试。本人主要负责软件调试也参与了硬件调试。在硬件调试方面由于电机运转会给电路带来噪声，想要完全去除噪声在现有条件下很难做到，因此我们只能尽量减少了噪声。查阅资料发现电机的噪声对电源影响较大，于是在电源模块增加了滤波处理，主要通过与地之间串接电容来实现。另一方面，在LM386功放输出端加了大电容接喇叭来减少输出到喇叭的噪声。同时由于音频电路对走线有较高要求，限于经验不足，未做到较完善的考虑，仅将喇叭接线的地尽量远离电源输入的地。经过以上改动后，噪声有明显减少，但不能完全消除。并且，功放的放大倍数对噪声也有影响。放大倍数大，会将噪声一并放大。虽然减小放大倍数可以一定程度上减小噪声，但是随着放大倍数的减小，A/D转换的电压范围也随之减小，即PWM的分辨率减小而使喷水的变化和LED的变化都随之减小，效果减弱。因此减小放大倍数时要适度。
在软件调试方面，由于软件只有两部分组成，即A/D转换和PWM调压。A/D转换方面不需要十分精确的数据，也考虑到喷泉是实时性的，对反应速度有要求，所以没有用到滤波处理。PWM调压主要实现了电机的PWM输出和LED的控制。鉴于两者有一定联系，将两部分整合在了一起，也可以提高反应速度。由于电机的调速是由PWM来控制，因此软件通过根据占空比分别延时输出高电平和低电平来实现PWM。其占空比的计算则通过AD采集的8位分辨率决定，设AD采集值为U。因为满量程为255，高电平时间为U，则低电平时间为255-U.。另外，通过U的值与预设的8档量程比较来控制LED的变化效果，电压越高，亮的LED就越多。由于AD为8位精度，而单片机对浮点数的运算能力又有限。所以为了提高精度，将U放大10倍。这样LED的变化效果可以更加明显。
4.2 结果分析
通过调试，已基本可以实现设计目标。通过喇叭输出的音乐在高音量时基本听不出噪声，且LED的变化和喷水的变化已基本能达到预想的效果。在此基础上未来可以通过增加电机和喷头来实现连环喷水的效果，且LED也可以设置成专业的彩色频谱灯，来实现更加令人赏心悦目的效果。

图4.1 实验效果图1

图4.2 图4.1 实验效果图2