小型音乐喷泉控制新版专业系统设计.doc

本科毕业设计

题 目 小型音乐喷泉控制系统设计
院 系 机械学院
专 业 机械设计制造及其自动化
姓 名
学 号
学习年限 10月 至 6月
指导老师 职称
申请学位

5月 23日

小型音乐喷泉控制系统设计

学生姓名： 指导老师：

摘 要 喷泉作为一项优美建筑艺术和人文景观，以水设景方法在中外历史上全部很有特点，在人类历史上留下了光辉印记。好喷泉就仿佛是一个精美艺术品一样，它价值不仅仅在于观赏，还有颇高令人喜爱实用价值。此次设计内容关键是用单片机制作一个声控喷泉，对象为直流机控制一个水泵，最终实现喷泉喷水高度按音调高低进行同时改变。这里采取模数信号转换、程序控制信号输出、PWM变频调速等方法，提出了一个较为优异音乐喷泉设计方案和控制路径。
关键词：音乐喷泉 单片机 直流机 变频调速

Design of small music fountain control system
Author’s Name: Tutor:

ABSTRACT：Fountain as a beautiful architectural art and cultural landscape, the way the water in the history of Chinese and foreign history are very characteristic, in the history of mankind left a glorious mark. A good fountain is like a fine artwork, its value is not just watch, there are quite high practical value. The main content of this design is to use a single-chip production of a voice fountain, the object of the DC machine control of a pump, and ultimately to achieve the fountain of the water level by the pitch level of synchronization changes. Here the use of analog signal conversion, program control signal output, PWM frequency control and other methods, put forward a more advanced music fountain design and control methods.
KEYWORDS：music fountain SCM DC machine Frequency

目 录

1 引言 1
1.1 本课题研究背景 1
1.2 本课题研究意义 2
1.3 音乐喷泉在生活中很多作用 2
1.4 本课题基础内容 3
2 总体设计方案 3
2.1 方案比较 3
2.2 单片机特点及应用 4
2.3 音乐喷泉控制系统整体设计 6
2.4 系统框图 6
3 音乐喷泉控制系统硬件设计 7
3.1 音乐信号采集 7
3.2 单片机电路 9
3.3 A/D转换电路 10
3.4 潜水泵调速硬件方案设计 12
3.5 灯光硬件方案设计 14
3.6 元件清单 14
4 喷泉控制系统软件设计 15
4.1 喷池数据 15
4.2 主程序框图 16
4.3 控制潜水泵软件设计模块 17
4.4 歌曲存放模块 18
4.5 灯光控制模块 20
4.6 系统试验仿真 21
总结和致谢 23
参考文件 24
附 录 26

1 引言
1.1 本课题研究背景
音乐喷泉作为人文景观中一项不可多得建筑艺术，这条靓丽风景线在中外历史上全部享誉盛名。上世纪八十年代以前，喷泉只作为一个技术细节被排水和美化专业施工人员所使用，从构思，设计，生产，测试，到最终工程安装没有形成规模。只有在展览厅和公园等公共建筑能够看到部分小喷泉，产品设计水平相对简单，效果是单一。上世纪八十年代起，社会进步风气开始上升，国民经济取得了一定恢复和发展，人民生活水平和科学技术水平全部有显著改善和提升。部分城市相关部门对于喷泉提出了推陈出新要求，她们目标是期望将新型音乐喷泉应用到城市建设、城市改造过程中，还包含喷泉景观设置和文艺空气设计和制造方面。对建筑、园艺、水利科学院、高等教育研究所等机构来说，她们取得了一个机遇，在综合了土木工程、供排水系统等部分工科技能后，再加受骗初优异单片机技术和机电控制理论，依据学术理论改变特定量达成控制电磁阀和直流电机调速目标，设计并制造了一批和之前全然不一样喷泉设备，营造了全新景观效果，收到良好社会和社会反应。同期，部分含有加工喷泉设备专业能力工人和含有独到眼光投资人合作建厂或成立研发企业，这些工厂和企业发展推进了中国喷泉行业进步，为喷泉行业发展提供了中坚力量，奠定了坚实基础。第二十世纪90年代以后，社会风气推进思想解放，各界人士观念全部发生了翻天覆地改变，在物质生活逐步得到满足社会背景下，她们开始重视精神生活，对高品质文化气氛和优雅生活环境有了需求。就是因为这么，有市场就会有商品，有商品就会有愈加好商品，和此同理，喷泉行业亦取得了巨大发展。喷泉已经不单是公园、花园和广场专属品，开始延伸到大家多种社会活动中。就在这一时期，研发和制造喷泉工作室和工厂顺应时尚萌芽生长，以至于壮大起来。喷泉设计人员把现代工业多种相关技术全部应用到了喷泉中，把喷泉行业技术水平推上了一个新高度，为大家提供视觉震撼同时也为应用领域开辟了宽广领土，人人全部开始注意这一特殊人文景观。中国建筑金属结构协会给水排水设备分会在成立了水景喷泉专业委员会，这一组织有效调配了多种资源，统筹安排了发展计划路线，以促进喷泉行业健康有序快速发展为宗旨，期望经过提供多种服务满足大家精神追求。在一般高校建筑专业，园林专业也设置了水景，喷泉等相关课程，这一举措为喷泉行业发展提供了知识和人才贮备，初衷自然是期望喷泉行业有愈加好发展。自此以后，喷泉产业在大家希冀中进入又好又快发展新阶段。
时代在发展，社会在进步，这一切全部归结于人进步，思想进步，追求进步，对健康优雅环境要求让她们对喷泉情有独钟，尤其是喷泉在城市和小区环境建设中作用是无可替换。于是以高新科技为支撑多种新型水景在中国纷纷涌现，音乐喷泉是其中最具代表性一例，以它悠扬曲调，动感节奏，缤纷花样，多变色彩征服了观众心。程序控制喷泉方法已经成为喷泉艺术展现新主流形式，现代控制技术和传统人工喷泉完美结合，经过单片机程序令喷泉水姿展现不一样改变。采取单片机控制技术，经过单片机控制电路和初始化程序，完全能够实现喷泉和光协同控制，形成美轮美奂活水景观。
1.2 本课题研究意义
假如把喷泉看做艺术，那么在现代社会住宅小区和酒店大厅全部应该有它身影，营造优雅静美灵动环境同时增加空气湿度，不单有利于身体健康还能放松心情。我相信，大家全部有一个一样疑问：喷泉关键是什么，我认为是控制系统。模拟大型喷泉系统做个小型喷泉，像它一样控制关键采取单片机，能够控制水泵电机达成调整水流目标，彩灯一样能够用单片机控制。控制系统关键使用单片机，注意是考虑到它物理应用特征。比如体积小、集成度高、抗干扰能力强、工作环境要求不高、价钱廉价、可靠性高等全部是使用优点。在现代社会研究小型喷泉控制系统不仅能够带来经济效益还会收获对应社会效益。在利用成熟水平制作音乐喷泉国际背景下，生产厂家为消费者提供了包含系统设计和设备安装等专业服务。智能化、集成化、多元化已经成为了音乐喷泉发展主流方向，同时这一发展方向也对喷泉控制系统设计者也提出了全然不一样要求，这对工程师来说既是挑战又是机遇。
本课题研究小型音乐喷泉控制系统就是以单片机为关键，不仅能够推广喷泉在中国应用，凸显其在美化环境中作用，还能够有力推进喷泉控制技术发展。对我个人而言，研究本课题，能够加深我对单片机技术、数控技术和机电一体化系统了解，方便知识应用。复习C语言课程，自学protei99 SE软件并使用该软件绘制电路原理图。经过处理设计过程中碰到各式各样问题，取得更多知识以提升自己专业能力。
1.3 音乐喷泉在生活中很多作用
音乐喷泉作为人文景观中一项不可多得建筑艺术，这条靓丽风景线在中外历史上全部享誉盛名。音乐喷泉被誉为一项流动艺术，音乐喷泉那美轮美奂艺术体验给人以无限享受。伴随经济发展科学技术取得了巨大进步，和此同时，景观在生活中被越来越多人关注和向往，在现代城市生活园林景观设计中，水灵动已然令其成为了不可缺乏组成部分，音乐喷泉便是其中最为关键景观，所以不管是在公园景观布局、城市环境计划及水景制造还是在小区风景设计中，音乐喷泉应用必不可少，其设计和效果更是至关关键。为了使水灵动起来，音乐喷泉尤其采取了现代循环系统设计构想，这么做不仅避免了水池里水变成死水或臭水，在一定程度上节省了本就匮乏水资源，达成提升水利用率目标。音乐喷泉花姿百态活灵活现，有很高观赏价值。音乐喷泉能够利用水和音乐做出及其壮美声效景观，形随音动，能够表现出很多姿态，形成活泼而又绚烂景观，是夜晚专题。尤其注意，水是生命之源，增加空气湿度来改善生活环境方法也是音乐喷泉最关键作用。
1.4 本课题基础内容
基础任务：设计一个音乐喷泉，控制关键使用ST89C51单片机，对喷水高度控制是要实现目标，要达成这一目标，能够调整水泵水流量，由基础知识能够知道只有调整水泵电动机转速才能完成这一基础任务。那么调整电机转速就成为我们关注焦点了。控制系统最关键部分采取是程序控制措施，经过编写正确适宜程序并将其输入单片机内，外部信号由单片机获取并经程序处理最终输出预定数据来控制三极管工作，经过改变加在电机两端电压进而实现控制水泵转速预期目标。输入音频信号，经过A/D转换程序处理等将输出信号作用到三极管基极最终控制电机，水流量变换会展现出水姿高低改变情形。各个彩灯分别和单片机I/O引脚相连，内部程序能够达成每种音调状态组合效果。这次设计方案最惊艳地方在于是否有音频输入来决定喷泉启停状态。LED灯也会显示出一系列变换表示音乐运行状态。

2 总体设计方案
2.1 方案比较
方案一：基于硬件电路采样前馈赔偿音乐喷泉控制系统
优点：在同类音乐喷泉中该控制系统采样结果是完全有能力直接反应音乐信号强度，采集音乐信号和该信号后续处理全部是由喷泉控制器等配合工作来完成，这个方法采样周期是0.1秒。这次系统中赔偿方法采取是控制输出前馈赔偿方法，而这里前馈控制时间长度能够系统设置“前馈”时间得到确定。使用这种时间赔偿方法目标就是要消除音乐和喷泉动作时间差，因为这种方法能够满足音乐喷泉前馈赔偿控制需求，实现喷泉动作随音乐友好律动。
缺点：系统条件限制较为苛刻，各硬件组件要求精密度高，对系统设计者能力要求也颇为严格，实施起来比较困难。
方案二：基于全数字集成电路音乐喷泉控制器
这个设计方案采取既能音控又能程控两用控制器，而且音控、程控可用开关手动切换。程控时，电位器能够起到作用是调整速度；音控时，输入音乐音量便能直接控制彩灯，控制思绪是以音乐音量大小来决定彩灯打开组数多少，音量越大彩灯亮组数越多。整个控制系统电路设计相对简单，应用普遍广泛，项目标可行性论证比较可靠。不过，实现效果有限，无法达成较高要求。
方案三：基于单片机音乐喷泉控制系统
以单片机为关键控制系统是小型音乐喷泉控制系统中用最广泛而普遍。灵活编程设计，丰富I/O端口，正确控制单片机这些特点能够简单而又实用将音乐和喷泉动作亲密而默契配合起来。而且这类控制器性价比理想，体积小，易于操控，简便可行。
经过比较发觉，方案三以单片机为关键控制系统和此次设计要求较为符合，而且经济适用。我认为选择方案三作为这次设计方案较为合理。
2.2 单片机特点及应用
管控功效好、体积小、价钱低是单片机关键特点。因为单片机特有良好管制功用和很灵敏嵌入质量，在智能仪表、机电一体化产品、家用电器等多个范围内在近些年来全部取得了很关键地位。
2.2.1 单片机及其特点
把一台完整微型计算机浓缩在一个微小芯片内，就能够把这个芯片叫做单片机芯片。而单片机内部关键零部件包含：CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多个I/O口。简单说，单片机就相当于一个微型计算机，能够正确反应它定义本质说法应该是微控制器。
设计单片机初衷就是想把很多大致积外围设备和管理中心CPU全部放置在一个微小芯片中，令计算机系统最小化，使其能够方便快捷应用到复杂而又要求极高控制部分去。
单片机最大特点就是能够应用特定程序完成特定任务，在控制极端条件下使用较多，这是其它控制器无法比拟特殊性。用户完全能够依据自己控制需求编写自己单片机程序，这不仅是智能和效率表现而且很可靠！
2.2.2 单片机应用
单片机独有特点决定了它肯定会受到社会青睐结果，不管是在工业、民用甚至事业部门全部在发挥着无可替换作用。大约把它归属为以下不一样应用层面：

表2-1 单片机应用领域
智能
仪器仪表
凭借控制功效好优点单片机在仪器仪表中广泛使用，和不一样传感器配合可测量不一样物理量。而且仪器仪表凭借单片机已经实现了数字化、智能化、微型化，而且功效也越来越强大。比如，示波器就采取单片机。
工业控制
单片机能够按不一样需要组成不一样控制系统和数据采集系统。最常见例子就是电梯智能化控制。
家电
很负责任说，在现在家电市场上，电器控制部分绝大部分全部采取单片机控制。生活中我们常常使用洗衣机、空调机、全部有单片机身影，毫不夸张说四处全部有。
网络通信
单片机发展到今天，通信接口已经在其上普及，能够和计算机进行实时数据传输，它作为物质基础在算机网络和通信设备间起到了巨大作用。依据现在发展情况看，通信设备大致上全部做到了基于单片机智能控制，从固定电话，手机到日常生活中常常见到移动电话，无线电对讲机等。
医疗方面
在多种医疗设备中也普遍活跃着单片机单片机身影，像医用呼吸机，监护仪，超声诊疗设备及病床呼叫系统等等。

除了以上工作层面，单片机在办公，营销，移动通信、计算机外部设备等范围内全部在饰演着自己角色。总而言之，单片机已然成为了控制领域一个关键方向，而且会越来越关键。
2.2.3 单片机选择
对于很多专业人士来讲，单片机选型是一件极其关键却又很费心思一件事情,如若能够取得适宜单片机型号,但就成原来讲，该系统就会节省很大一部分花销,而且工作可靠、稳定;如若没有取得适宜单片机型号,系统运行一定会出现反常现象，严重话甚至根本达不到功效预期,在成本方面也会造成一部分浪费。
不管是芯片个数还是芯片包含功效数量全部要略大于设计需求，芯片有功效尽可能靠芯片实施不要采取外部设备替换。购置芯片时候要买大厂不买小厂，要买产品批量多不买产品批量少，尽可能选择名牌不用不著名牌子，在确保质量前提下尽可能选择价钱低。这是工程师选择单片机芯片时必需秉承理念。
对单片机选型,必需考虑多个原因：
(1)技术性:确保控制系统在一定范围技术指标下能够可靠运行;
(2)实用性:依据厂家以往供货产品数据分析，选择质量好，耐用产品，以确保单片机被应用到系统中以后能长久、可靠运行；
(3)可开发性：所选择单片机必需要有类似程序编辑、仿真调试等能够开发手段。
下面我们来比较89C51和89C52：

表2-2 AT89C51和AT89C52单片机比较

数据存放器
程序存放器
定时器
中止
51系列
128B
4KB
2
5
52系列
256B
8KB
3
8

经过数据比较及功效需求分析，本课题中，选择51系列单片机，即AT89C51单片机，完全能够满足设计预期功效要求。
2.3 音乐喷泉控制系统整体设计

电路输入/输出模块

采集模块

单片机模块

电源电路模块

A\D
转换模块

图2-1 系统设计构架
2.4 系统框图
就像大家全部知道一样，全部声音产生源全部是震动，声音中音调高低关键取决于描述物体振动频率，所以我们能够经过单片机来进行频率信号控制输出，这么多个音调就能够控制产生了；不一样音调所连续时间也需要控制，这一任务能够利用单片机计时系统来完成，简言之，就是实现节拍控制和变换。音调流转和节拍变换全部有章可循，那就是乐谱，依据乐谱排列章法加以变换表现就是乐曲演奏功效。水泵电动机控制电路和彩灯控制电路要注意，令她们分别和单片机上对应输出点连接，每种音调全部有和它相对应一组输出点开关状态组合，这一控制就是经过单片机内程序完成，就是根据这个过程实现乐曲控制喷泉动作。系统总体结构图图2-1所表示。
单片机

A/D转换

功放

喇叭

频谱彩灯显示

驱动

水泵

电源

音频

图2-2 系统总体框图

用于喷泉控制音乐只要能够输入到控制系统就能够了，用像VCD、DVD一样外部设备或经过计算机直接播放控制音乐效果全部是一样。喷泉开启或停止状态是经过有没有音乐信号输入控制。假如音乐播放时，先将音乐信号放大，再经过一系列变换，作用到电机上，经过改变水压力来使喷头喷出水柱达成起伏效果，和音乐配合，水随曲动，相互辉映。音乐喷泉单片机控制系统功效齐全，包含捕捉音乐、开启喷泉、彩灯，喷泉和彩灯状态经过程序控制输出信号变换，所达成效果包含停止喷泉、彩灯闪和一定时间内按乐谱曲调为准则彩灯变换。

3 音乐喷泉控制系统硬件设计
3.1 音乐信号采集
按前文所述，此次课题设计方案拟采取外部音源音乐喷泉控制系统，要想利用音乐信号特征控制此系统首先要面临一个重大问题就是怎样有效采集音乐信号。由我们学过基础知识就能够知道，信号放大和 A/D 转换这两个相对独立又紧密衔接过程能够处理采集音乐信号问题。
3.1.1 音频放大电路设计
音频放大对于这个系统必不可少，因为播放音乐音源信号幅度相对来说比较微弱，为了能够有效全方面利用音乐信号，只有放大原来音乐信号才能避免系统对微弱信号漏采，以后再将信号送入A/D 转换器。在这里选择 LM386 芯片作为设计音频放大电路关键。LM386 芯片在电子应用中有着不可替换作用，这全部是由它特点决定，功耗低、工作电压范围较宽为 4~12V、所需外围元件少，所以在相关领域中应用及其普遍。LM386 芯片内部结构功效包含输入级、电压增益和电流驱动级。从图 3-1 能够看出，LM386 采取双列 8 脚封装结构；物理特征也颇受青睐工作电压范围为 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，谐波失真只有0.2%。

图3-1 LM386 封装形式及引脚定义
图 3-2 是此次设计采取音频放大电路，能够看出该电路具体细节。在 LM386 芯片 1 脚和 8 脚之间串接一个 10 微法电容，如此便能使放大电路增益能达成最大值，200 倍数（46dB）。前面是放大电路关键部分，另外图中还包含对音频放大电路外围电路进行设计内容，电路中电容 C1、C6 作用同为隔直流，电位器 P1 能够帮你达成想对音量大小有绝对控制权利，降低旁边电路高频噪音，提升输出音质水平是元件 R2、C5 所要做事情。去耦电容 C3 既能蓄能还能把旁路产生高频噪声最小化。

图 3-2 音乐信号采集放大
3.1.2 采样定理
模拟信号经过A/D变换转换为数字信号过程被称为采样。奈奎斯特发觉了模拟信号和数字信号之间联络桥梁，我们称之为采样定理。它作为连续信号离散化基础依据反应是采样频率和信号频谱之间关系。通常情况下，连续信号又被称为模拟量信号，离散信号和数字量信号是相同。采样定理具体内容描述为“当对一个模拟（连续）信号进行离散化时，必需满足采样频率fs 大于或等于被采样信号最高频率fm2 倍，只要这么才能经过理想低通滤波器，从变换后样本值序列信号中正确地恢复出原始模拟信号”，此处fm 为香农频率。
图 3-2 所表示，在此次设计中，被放大音乐信号经过A/D转换变为数字信号，并以其形式被输送到计算机，这便完成了音乐信号采样。
3.2 单片机电路
采集数字量音乐信号最终要输入到单片机，并依据输入信号经过一系列变换来调整I/O口输出电平，进而控制水泵和彩灯。前面已经提到，此次设计单片机主芯片选择AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个低功耗，高性能51内核CMOS 8位单片机，片内含4K空间可反复擦写1000次Flash只读存放器，含有128字节RAM，32个I/O口，还包含定时器，计数器，振荡电路等，完全能够满足我们设计要求。最关键是其使用简便价格低廉。

图3-3 AT89C51芯片
时钟电路设计
AT89C51芯片内部有一个用于组成振荡器高增益反相放大器。XTAL1是反相放大器输入端，XTAL2为输出端。输入端和输出端跨接晶振及两个电容就能够组成稳定自激振荡器，图3-4所表示。
其中，电容 C2 也有着不可替换作用，它作为旁路电容，能够把该信号中高频噪声连接到地，减弱系统噪声。而晶振所起作用就是为控制系统提供最基础却又很关键时钟信号，所以在单片机系统中晶振已经成为不可或缺一部分。晶振和单片机内部电路连接并配合，能够产生单片机运行时所必需时钟频率，能够这么形容，假如晶振能够提供足够高时钟频率，那么单片机运行速度也随之足够快。晶振能够提供稳定、正确单频振荡，是因为一个特殊晶体（能把电能和机械能相互转化）在共振状态下工作原因。

图3-4 自激振荡器
3.3 A/D转换电路
经过放大电路音频信号是音乐喷泉是否有动作决议者，对喷泉控制系统有着绝正确控制权，单片机要依据音乐信号对喷泉进行控制，所以，音乐信号应该被输入到单片机来使用。不过，单片机无法对模拟量信号进行识别并使用，为了完成这一任务，特地在此加入了A/D转换电路，它作用就是将放大模拟量信号转换为数字量信号输入到单片机，以供控制喷泉动作和灯光闪烁。
此次设计中，AD转换电路主芯片采纳ADC0832。ADC0832芯片关键有这些特征：8位分辨率、双通道A/D转换芯片，兼容性好，体积小，性价比高，有能力满足通常模拟量转换要求。所以，在业内ADC0832吸引了无数人眼球，被广泛采取。连接图图3-5。该芯片转换时间是32s，和其它同类产品相比较快，数据误差小，转换速度快，稳定性强等全部是其长相。另外，独立芯片使能输入也使它应用变得快捷、方便、有效。
ADC0832芯片接口说明如表3-1所表示。

表3-1 ADC0832各引脚说明表
接口
说明
CS
片选使能，低电平芯片使能
CH0
模拟输入通道0，或作为IN+/-使用
CH1
 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用
GND
 芯片参考0 电位（地）
DI
数据信号输入，选择通道控制
DO
数据信号输出，转换数据输出
CLK
芯片时钟输入
Vcc/REF
电源输入及参考电压输入（复用）

3.3.1 ADC0832和单片机89C51连接
音乐信号是音乐喷泉控制量。单片机是喷泉控制系统关键，不过必需以音乐信号作为依据，才能发出动作指令，而且不能识别模拟量信号。而A/D转换电路能够把模拟量信号转换为单片机可识别数字量信号。所以，把这两部分结合起来就能够组成控制系统输入部分，具体接口电路图3-5所表示。
ADC0832时钟信号用单片机AT89C51P1.2控制输入。用P1.0控制A/D转换开启，用P1.3控制A/D转换器转换结束后数字量读取和选择通道。
3.3.2 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装置。简而言之，这里仅用音频接收装置将收到音频信号送入音频放大电路即可（图3-2），以后音频放大信号经AD转换将信号输入单片机就能够了。因为有了这一系列传输和变换，音乐已经不单纯拥有背景音乐这一个身份了，它也能够用来控制整个喷泉是否有动作产生，由此能够说，音乐喷泉最基础要求已经达成了。

图3-5 ADC0832和AT89C51连接图

3.4 潜水泵调速硬件方案设计
在此次设计方案中所选择水泵型号较小，其内电动机是直流电动机。所以，要完成对水压调整，只要对直流电动机转速调整就能够了。
现在，行业内对直流电动机调速方案采取最多就是变压调速原理。在变压调速前提下，调速方案又包含可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。而这两种变压调速方案又各有千秋，各自表现出自己优劣。不过，总来说PWM调速表现愈加好部分。PWM调速系统开关频率较高,可取得平稳直流电流,低速特征好，稳速精度高，调速范围宽;响应快速,动态抗干扰能力强;主电路损耗小,装置效率高。所以，此处采取变压调速中直流PWM调速系统，硬件电路图结构也比较简单，图3-6所表示。其中，电容起到稳压作用。
这里采取变压调速原理是经过对半导体开关器件导通和关断进行控制，使单片机输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等脉冲。在这个电路中经过单片机来实现脉宽调制，用软件控制方法起作用，能够这么了解，软件延时循环程序能够改变单片机端口二进制位输出逻辑状态进而产生脉宽调制信号，在程序内设置不一样延时时间能够得到不一样占空比（输出PWM中，高电平保持时间和该PWM时钟周期时间之比）。

图3-6 电机电路图

图3-7 彩灯连接图

3.5 灯光硬件方案设计
灯光在音乐喷泉之中使用尤为关键，在夜里，感人心魄旋律，百变起伏水姿形态，再加以绚烂夺目标灯光效果，会使喷泉效果最大化，不仅能够成为一道亮丽风景吸引大家眼球，还能够给大家带来3D式感官效果，心随律动，眼随水动，绚丽灯光照亮你世界，给人以不一样震撼。所以灯光选择就显得愈加关键了。
此次设计方案采取LED水下低压彩灯作为闪光彩灯使用。该灯被广大喷泉设计者普遍使用，产品机构合理，密封和防护方面全部很好，而且色彩较为艳丽。连接电路图3-7所表示，其中电阻作用是限流，保护。
3.6 元件清单
选择使用元器件列表如3-2所表示。

元件名称
元件标号
数量
10uf
电容
C1, C3
2
20pf
电容
C2, C4
2
104pf
电容
C5, C7, C9
3
220uf
电容
C6, C8
2
LED
发光二极管
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8
8

喇叭
LS1
1

电机
M1
1
9012
三极管
Q1
1
1K
电阻
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8
8
10K
电阻
R9
1
10K
可调电位器
R10
1
4.7Ω
电阻
R11
1
1K
电阻
R12
1
SW
按键
S1
1

电源开关
SW1
1
ADC0832
AD采集芯片
U1
1
AT89C51
单片机
U2
1
LM386
功放芯片
U3
1
12M
晶振
Y1
1
表3-2 硬件选择表
4 喷泉控制系统软件设计
控制程序采取模块化结构，即不一样功效经过单块程序完成，程序中全部用到常数或数组全部用DATA或DB伪指令定义和命名，以易于程序修改、调试和升级。
4.1 喷池数据
喷池数据就是用来对喷泉池内水泵和彩灯等进行启停控制控制量数据。一组特定喷池数据，就能够决定喷泉和彩灯一组相对应改变形态。我们也能够把组喷池数据叫做花样数据。对一个已经确定结构喷池，我们能够编写出很多花样数据，是喷池内展现出不一样改变形态。
此次设计中喷池采取图4-1所表示样例，并简明说明花样数据编排方法。假设期望外圈喷头连续喷水，水下LED灯按频谱分析不停亮灭改变。在这期间，中心喷头是否喷水及水柱高低一直连续改变。假如要完成设计预期，该喷池只要1个输出寄存器就能够了，其各位控制LED灯定义以下：
8
7
6
5
4
3
2
1

以上各位若为1时对应彩灯亮，为0时不亮，则彩灯数据应为：
0000 0011B
0000 1111B
0011 1111B
1111 1111B
1111 1100B
1111 0000B
1100 0000B
0000 0000B

若该花样数据定义为HYSJ01则数据定义以下：
DB 03H，0FH，3FH，0FFH，0FCH，0FOH，0COH，00H。
每次将花样数据输出时全部是顺次取一列输出，且可循环取用。显然这么花样数据能够编不少，还可将两个以上数据搭配起来，组成新更复杂部分花样数据。
1号LED灯

图4-1喷头布局例
4.2 主程序框图
音乐开始，喷泉开启，其步骤图图4-2所表示。音频信号经初始化即放大电路放大后，被输入到A/D转换模块，将模拟量信号转换为数字量信号。单片机读取转换结果并保留，经内部程序处理后将结果以电平形式输出。实施完后又返回到A/D转换之前再次实施，循环下去。也就是奏曲每停一次(大多数乐曲奏曲中间不会停)，下次再奏曲就重新开始实施程序，即多个乐曲依次轮番循环使用编制好数据。

图4-2 主程序框图

4.3 控制潜水泵软件设计模块
前面已经提到，此次设计中我们使用脉宽调制调速系统来对水泵转速进行调整。脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)是一个模拟管制方脉冲宽度调制，它本质是利用微处理器数字输出来对模拟电路进行管理一个十分有效技术，普遍使用于测量、通信、功率控制和变换等很多和生活息息相关领域中。
4.3.1 潜水泵开关调速原理
从以前学过知识中我们能够知道，直流电动机转速能够经过改变加在它两端电压得到改变。PWM调速控制原理就是按固定频率来接通和断开加在电动机两端电源，和此同时，依据需要改变一个周期内接通和断开电源时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压"占空比"。简单形容就是用时间占空比改变电压占空比。这么平均电压也就随之改变了，那么电机转速也就间接得到了控制。只需要知道，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。假如我们根据一定规律改变通、断电时间，那么电机转速也就在控制范围内了。不可忽略是采取PWM技术组成无级调速系统，启停时对直流系统均无冲击，开启功耗小、运行稳。
4.3.2 潜水泵开关调速软件设计
单相潜水泵采取单片机AT89C51控制，单片机输出端口P3.7经变阻器和三极管基极连接。经A/D转换输入单片机数字量信号经过PWM调压程序处理，由P3.7端口输出电平信号。PWM调压程序控制输出电平高低，依据三极管工作特征进而控制电动机两端电压，达成调速目标。
三极管工作特征：三极管顾名思义有三个极，分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C）。简单点说基极电流大小直接控制着集电极电流大小，因为是倍数关系能够起到信号放大作用。三极管在电路中关键起到电流、电压放大和转变相位作用，因为它是非线性元器件，在坐标图上能够划成三个区域，既截止区域、工作区域、饱和区域。截止状态是指在基极没有电压或没有足够偏置电流，集电极输出电流几乎为零，就像一个开关没有施加控制电压被断开一样。工作状态是指伴随基极电流增加，三极管进入近似于线性工作区域，此时集电极电流输出电流为基极电流β倍，Ib*β=Ic。饱和状态是当基极电流增加到一点程度，集电极电流增加缓慢或不再增加即此三极管已经达成饱和，三级管就是利用这个特征来控制电路通断。
此处随采取PWM调速，不过，其还有不可避免缺点：有污染电网谐波产生；PWM波会令电机、电缆额外发烧；电机轴寿命可能会伴随共模电压产生而降低。
4.4 歌曲存放模块
4.4.1 音频脉冲产生
假如要利用数字量形式音频信号转换成为音频脉冲，我们要做就是求出任意一个 音频周期（1/频率），然后再取这个周期二分之一，简单说就是求半周期时间。每到半周期时间，就把I/O反相，反复实施这一过程。而在这个过程中，半周期时间能够经过计时器得到。那么这个频率对应脉冲便能在I/O引脚上获取了。在单片机内部就有定时器，令定时器工作在计数器模式（MODE1）下，假如利用改变计数值TH0及TL0便能够产生不一样频率方法来制造不相同音阶。比如，音频频率是523Hz，它周期T是1/523也就是1912μs，所以只需要让计数器计时956μs/1μs即956，每次计数956次时把I/O反相，那么中音DO（523Hz）就得到了。

表4-1 C调各音符频率和计数值T对照表
音符
频率Hz
简谱码(T值)
音符
频率Hz
简谱码(T值)
低1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#DO#
277
63731
中5SO
784
64898
低2RE
294
63835
#5SO#
831
64934
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3M
330
64021
#6
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
988
65030
#4FA#
370
64185
高1DO
1046
65058
低5SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
#6
466
64463
高3M
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA#
1480
65198
#1DO#
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64684
#5SO#
1661
65235
#2RE#
622
64732
高6LA
1760
65252
中3M
659
64777
#6
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283

这里用一个字节表示一个音符，音符高低能够经过对应字节高4位表示，音符节拍就用该字符低4位表示，表4-2列出来了节拍和节拍码一一对应情况。若1拍时间是0.4秒，那么1/4拍时间便是0.1秒