音乐喷泉控制系统硬件设计

1 控制系统硬件总体设计方案

       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 系统总体结构框图

2音乐信号的采集

       前面已经介绍过，本文的研究针对的是采用外部音源的喷泉系统，因此在对音乐信号进行特征识别前首先要完成对模拟音乐信号的采集。音乐信号的采集主要包括音频放大和 A/D 转换两个过程，下面分别进行分析。

2.1 音频放大电路的设计

       外部音源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X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 T1~T6 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。R5~R7 构成内部反馈环路。从图 2-2 可以看出，LM386 采用双列 8 脚封装结构，它的工作电压范围为 4~12V，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2-2 LM386 封装形式及引脚定义
       在 LM386 的 DataSheet 上，提供了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 R5~R7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 2.2.2 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。从图 3.2.2 可以看出放大电路的具体设计。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。
 

             图 2-2 音乐信号放大采集

2.2 采样定理

       采样是指用一较高频率的开关脉冲对模拟信号进行取样，取出脉冲到来时刻所对应的模拟信号的幅度，这样就可以得到一连串幅度变化的离散脉冲。用这些离散脉冲序列代替原来时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。如图 3.2.2 所示，在对音乐信号进行放大处理后，就要通过 A/D 转换将模拟信号采集进计算机，这就是音乐信号的采样。我们在对一个连续的音乐信号进行采样时，为了使采样后的样本序列能够包含足够的信息以使其能够较正确地重现原来的模拟信号，在采样时应当使采样频率满足采样定理的要求。采样定理的描述为“对一个模拟信号进行离散化时，只要满足采样频率fs 大于或等于被采样信号的最高频率fm的2 倍，就可以通过理想的低通滤波器，从样本值序列信号中无失真地恢复出原始模拟信号”，这里的fm称为香农频率，这个采样定理又称为香农采样定理。实际应用中为了较好的防止频谱混叠失真，采样频率一般要稍大于信号最高频率的 2 倍。比如乐曲的音域频段如果在 50Hz~4000Hz 内，就要将 A/D 转换器的采样频率选定为 10kHz，才能满足香农采样定理的要求。

2.3 单片机电路

       单片机要采集音乐信号，并据此调节I/O口的输出来控制水泵和彩灯。主芯片选用AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，1个看门狗定时器，3个16位可编程定时器，具有ISP功能，能够满足设计要求。使用简单且价格非常低廉。故系统的主控制器采用此方案。
 

                  图2-3 89C51芯片

3.1 单片机的概述

       单个芯片的计算机是集成到单个芯片中，虽然其大部分功能都集成一个小的芯片上的完整的计算机系统，它具有最必要的组件的一个完整的计算机: CPU，存储器，内部和外部总线。 SCM是一个中央处理器，随机存取存储器。具有只读存储器，定时器芯片和集成在一个芯片上的I / O接口电路的微控制器。微控制器也被称为因为它们用于在工业控制所述第一时间的微控制器（单片机）。单片微处理器仅由CPU处理器芯片开发的。早期设计概念是计算机系统提供大量外设和CPU在单个芯片上集成，使得较小的计算机系统，更容易集成到复杂的设备和控制，该他们是在严格要求中提到。英特尔Z80是基于这一理念设计的第一个处理器，从那时起，开始了单芯片处理器和专用处理器的发展。SCM先前已经8或4位。其中最成功的是Intel 8031，由于其简单性，可靠性和良好的性能，受到很多好评。此后，在8031到开发一个系统MCS51系列单片机。基于该系统的单片机系统仍然被广泛使用至今。改善工业控制领域中，16位的单芯片微型计算机（SCM）已经出现，但它没有被广泛使用，因为它不能令人满意的性能。 90年代后，消费电子产品的发展，单片机技术有很大的提高。具有广阔的应用INTEL I960系列，特别是后来的ARM系列32位微控制器快速更换的16位微控制器的首位，并进入主流市场。传统的高性能8位微控制器也得到了提高速度，容量和相对于上世纪80年代改良加工几百倍。目前，高端的32 bit比300MHz的，一个特殊的处理器性能赶上90年代中期以上，而平均模型价格下降到$ 1，中高端价格只有$ 10，现代的SCM系统只开发和使用裸金属的环境中，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全范围的单芯片微型计算机。和掌上电脑和手机的处理核心的高端微控制器，并可能甚至直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的，独特的功能，这是其他需要大量设备的努力来完成的，有些是巨大的努力，也很难做出。特征不是太复杂，如果X研制74系列在上世纪50年代或60 CD4000系列这些清洁设备调整，则电路应该是一个大PCB板！然而，如果X在70年代成功地推出了一系列单片机的，其结果将是一个很大的区别！正因为单片机，你可以通过你编写的程序实现高智能，高效率和高可靠性！
       目前，单片机渗透到我们生活的各个领域，这几乎是不可能找出哪些领域没有一个统一的跟踪单片机。导弹导航设备，飞机仪表控制，计算机网络的通信和数据传输，实时控制和处理过程的工业自动化数据，广泛使用的各种智能IC卡，，录像机，摄像机控制，全自动洗衣机，以及程控玩具电子宠物等，所有这些都离不开单片机。更何况机器人，智能仪表，自动控制，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

3.2 时钟电路的设计

     ST89C52芯片中有一个高增益反相放大器，作用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端则是XTAL2两端跨接石英晶体和两个电容这样就可以构成稳定的自激振荡器，如图2—4所示：

                              图2-4自激振荡器

4 AD转换电路

       输入的电压为交流模拟量，不能直接送入单片机进行处理。因此首先采用全桥整流，滤波。使其成为直流信号，再采用全桥整流，滤波。使其成为直流信号，再采用了ADC电路。其中AD芯片为ADC0832。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32s，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。串行通信节约单片机I/O资源。
       ADC0832各引脚功能：ADC0832采用双列直插式封装，共有28条引脚。
   （1）IN0—IN7(8条) IN0—IN7为8路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压；
   （2）地址输入和控制（4条） ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上的地址信号得以锁存，经译码后控制8路模拟开关工作，ADDA、ADDB和ADDC 为地址输入线，用于选择IN0—IN7上的哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。
   （3）数字量输出及控制线（11条）“START”为“启动脉冲”输入线，该线上的正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线，该线上的高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。OE为“输出允许”线。
   （4）电源线及其他（5条） CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0832提供逐次比较所需的时钟脉冲序列。VCC为+5电源输入线，GND为地线。VREF(+)和VREF(-)为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。VREF(+)常与 VCC 相连VREF(-)常接地或负电源电压。

4.1 ADC0832与单片机89C51的连接

       ADC0832的时钟信号来自单片机89C51的ALE信号，89C51采用12MHz时钟频率，ALE为2MHz，经四分频后为500KHz作为ADC0832的时钟频率。用P2.7控制A/D转换的启动与转换结束后数字量的读取。ADC0832的地址锁存允许管脚（ALE）H和启动管脚（START）相连。由P2.7和WR信号经或非门提供的信号使P0.2—P0.0提供的3位通道地址送入ADC0832进行锁存，用以选取通道号。转换结束信号EOC作为查询信号。具体接口电路如图2-5所示

              图2-5 ADC0832

4.2输入电路

       在这里，输入电路是指能对乐曲启停、乐曲节奏和声音强弱等进行检测并将检到的信号以电平、脉冲或数字形式送至单片机的电路。为说明简单计，这里仅介绍能反映乐曲启停的奏曲信号电路。因为有了它，音乐已不再仅是背景音乐，音乐已用来控制整个喷池的动作与否，因而已达到了音乐喷泉的最基本要求。
       奏曲信号电路的框图如图2-6所示。左右两路立体声信号经混合后送限幅放大电路放大，这样即使是极弱的乐曲信号也能有足够强度媳信号输出。整流滤波电路用以将信号转为单向信号。电压比较器用以将大于基准电压的单向信号变换成低电平有效的奏曲信号由之端输出。通过调整基准电压，可使电路既不受干扰的影响又灵敏度最大。奏曲信号电路的输出经R3送至光耦4N35在单片机P1．5引脚产生一低电平信号。
 

                               图2-6 奏曲信号电路框图

5潜水泵调速硬件方案设计

       方案一：采用变频器，调速方便、容易，只要控制口电流范围为4到20毫安就可以，精度高，缺点价格偏贵。
       方案二：采用步进电机调速电路，这样会增加电路复杂性，控制精度偏低，优点是价格偏低。本系统成本问题必须考虑，控制精度要求不是很高，步进电机调速电路就可以满足要求。
       本系统采用可控硅调相的方法控制喷泉水泵的转速。电路如图2.5所示，由单片机的I/O口输出矩形波，通过光耦控制可控硅的导通角，进而控制水泵电机的转速，调整喷泉的输出高度。选用单相可控硅BT169控制220V的双向交流电。交流通过二极管1N4007（耐压值1000V）组成的整流桥后变为100Hz脉动的直流，由单片机P0.4依据音乐采样结果输出矩形波，通过光耦控制可控硅的通断，以达到调相的目的。

            图2-7 电机电路图
       采用这种方法关键要保证矩形波与100Hz脉动直流保持同相，由AD采样的结果决定100Hz脉动直流的每一个周期有多长时间是导通的。所以将100Hz脉动直流分压后作为单片机内部比较器的一个输入端，另一个输入端接一个由5V分来的固定电压。当比较器的输出结果发生变化时，由定时器定一段时间，这样就找到了每个周期的起点，然后再根据AD采样决定不等的延时来输出矩形波导通可控硅。AD采样结果大，每个周期的延时短，可控硅导通的时间长，水泵电机转速快，反之亦然。

6灯光硬件方案设计

       方案一：使用大功率，不同颜色的发光二极管。
       方案二：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。

                    图2-8 彩灯的连接

7解决系统时间滞后硬件电路设计

       由于单片机采集数据并处理需要一定的时间，加上电机响应和水柱显示也需要一定的时间。电机由一种转速到另一种转速的响应时间可以查电机参数得到，电动机的响应时间为0.04S，单片机采集处理数据程序约为100句，约为0.6ms，水柱的显示延时可以通过水闸效应计算出来，经计算总延时约为0.2S。提出两种解决方案。
       方案一：采用预处理，即把要控制的音乐元素提前编辑好，提前控制。
       方案二：采用把音乐延时播放，即在音乐源与音响间加延时电路，调节参数，使音乐与水柱的变化同步。
       音乐元素提前预处理一般使用在工控机等数字处理能力非常强的控制系统中，使用单片机一般实现不了这个预处理目标。因此采用延时电路^[6]把音乐延时播放，选择方案二。