李 飛 張冬梅 常弘煜 蘇 言

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)遼陽(yáng)分校，遼寧遼陽(yáng) 111003

現(xiàn)如今的中國(guó)各個(gè)城市建設(shè)和市民物質(zhì)文化生活水平，伴隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而大幅度地提高，水景噴泉，更確切地說(shuō)音樂(lè)彩燈噴泉，作為城市美化環(huán)境的重要一個(gè)環(huán)節(jié)，越來(lái)越受到城市建設(shè)者的青睞。為了使控制更加簡(jiǎn)單、可靠，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)市場(chǎng)的需要，各類(lèi)形式的彩燈噴泉也很常見(jiàn)，并逐步向商業(yè)性較強(qiáng)和觀賞性方向發(fā)展。其中音樂(lè)噴泉的控制也變得多姿多樣，如51單片機(jī)、可編程邏輯控制器、等都在音樂(lè)噴泉中有過(guò)較多的運(yùn)用，當(dāng)然每種類(lèi)型的控制方式都各具特色。本課題針對(duì)高等院校校園設(shè)計(jì)了觀賞型的小型“音樂(lè)彩燈噴泉系統(tǒng)”。

選用單片機(jī)作為此次音樂(lè)彩燈噴泉的控制器。

1 音樂(lè)噴泉研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，新型的音樂(lè)噴泉與計(jì)算機(jī)的交互式應(yīng)用也更加廣泛，音樂(lè)噴泉也越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越完備，使得更多的控制電路需要計(jì)算機(jī)來(lái)完成。因此，使用計(jì)算機(jī)來(lái)控制音樂(lè)彩燈噴泉成為必然的趨勢(shì)。但至今一些小型噴泉工程還存在不少技術(shù)上的困難，大概表現(xiàn)為明顯的聲音與噴泉彩燈不能同步、控制部分滯后、成本昂貴等問(wèn)題。

目前，我國(guó)的大型的音樂(lè)彩燈噴泉技術(shù)已逐漸成熟，并且向智能、分散、綜合、多樣的方向發(fā)展，于是對(duì)彩燈噴泉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。但對(duì)于更多音樂(lè)彩燈噴泉小型的項(xiàng)目的研究較少。如何控制是彩燈噴泉的關(guān)鍵所在，其余部分基本和普通類(lèi)型的噴泉大體上一致。音樂(lè)彩燈噴泉的控制系統(tǒng)可采用可編邏輯程序控制器 （PLC） 作為控制核心，也可以使用小型工控機(jī)作控制的核心。但是對(duì)于小型的音樂(lè)彩燈噴泉系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最合適、便捷的應(yīng)是單片機(jī)作為控制的核心。適用于一般二三線(xiàn)城市的小廣場(chǎng)或者普通的居民小區(qū)的音樂(lè)彩燈噴泉，由于其控制的要求簡(jiǎn)單，使用單片機(jī)完全可以滿(mǎn)足其要求而且因其成本較低則更普及化，是未來(lái)音樂(lè)噴泉的發(fā)展總趨勢(shì)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為智能控制系統(tǒng)的主要控制單元，輔之以適當(dāng)?shù)能浖陀布K來(lái)設(shè)計(jì)完成以單片機(jī)為核心的音樂(lè)彩燈噴泉控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)圖如圖1 所示。

本系統(tǒng)主要完成了軟件的編程和硬件的設(shè)計(jì)，硬件部分主要是由水泵電路、單片機(jī)和繼電器電路、彩燈電路、音樂(lè)功放電路等組成，軟件編程部分則通過(guò)匯編語(yǔ)言編程、流程圖及Protues軟件仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，通過(guò)電路板焊接、元件組裝、軟硬件反復(fù)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)小型音樂(lè)彩燈噴泉的基本功能，因而此系統(tǒng)具有成本低廉、體積較小、水型變化多樣、實(shí)用性較強(qiáng)、室內(nèi)外均可欣賞的特點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的工作過(guò)程為：音樂(lè)信號(hào)響起，通過(guò)聲控傳感器采集信號(hào)、單片機(jī)彩燈控制電路和噴泉控制電路的作用，使噴頭隨音樂(lè)滾動(dòng)的效果，便形成了音樂(lè)噴泉。

控制系統(tǒng)總體包括4部分模塊∶數(shù)據(jù)采集模塊、電路輸入輸出模塊、燈光電路模塊、噴泉模塊。噴泉的打開(kāi)和關(guān)閉完全根據(jù)音樂(lè)的播放或暫停，根據(jù)傳感器檢測(cè)有無(wú)聲音的信號(hào)，來(lái)控制噴泉。

3.1 核心系統(tǒng)

主要由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)與控制，由聲音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)音樂(lè)，當(dāng)音樂(lè)響起實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作效果。

STC12C5A60S2系列的單片機(jī)是宏晶科技公司生產(chǎn)的單個(gè)的時(shí)鐘周期單片機(jī)。它是速度快、耗能低、抗干擾能力較強(qiáng)的新的一代51系列單片機(jī)，其指令代碼完全可以替代傳統(tǒng)的8051,但速度比原來(lái)快8～10倍。此單片機(jī)集成了MAX810專(zhuān)用的復(fù)位電路,兩路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器,針對(duì)于有電機(jī)控制的電路，干擾較強(qiáng)的場(chǎng)合。

3.2 電源系統(tǒng)

電源部分采用LRS-50型號(hào)，它是50W單組的對(duì)外輸出是閉合式的電源供應(yīng)設(shè)備，具有30mm低外觀設(shè)計(jì)，采用85～264（V）范圍內(nèi)的交流電壓輸入，提供3.3、5、12、15、24、36和48V輸出，效率高達(dá)90%，金屬外殼設(shè)計(jì)加強(qiáng)了散熱能力。

3.3 聲音檢測(cè)系統(tǒng)

最簡(jiǎn)單的聲音傳感器作為該系統(tǒng)的主要部件，用以檢測(cè)音樂(lè)是否響起，同時(shí)向單片機(jī)傳送高低電平數(shù)據(jù)。

（1） 聲音模塊對(duì)環(huán)境聲音的強(qiáng)度最為敏感，一般用來(lái)檢測(cè)周?chē)沫h(huán)境聲音強(qiáng)度；

（2） 傳感器在外接聲音強(qiáng)度達(dá)不到預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，輸出端是高電平，當(dāng)外界聲音的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于設(shè)定值時(shí)，輸出端是低電平；

（3） 單片機(jī)直接可以與小板數(shù)字信號(hào)量的輸出連接，通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低電平，因而就能檢測(cè)到聲音有無(wú)。

3.4 彩燈系統(tǒng)

彩燈控制系統(tǒng)采用繼電器模塊控制，具有以下功能：

（1） 采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)電壓繼電器，常開(kāi)接口最大負(fù)載：交流電壓為250V，電流為10A；直流電壓為30V，電流為10A;

（2） 采用貼片式光耦隔離板，驅(qū)動(dòng)性能加強(qiáng)，穩(wěn)定性較好，接通電流為5mA；

（3） 繼電器觸發(fā)方式可以通過(guò)跳線(xiàn)的方式設(shè)置高電平或低電平；

（4） 采用容錯(cuò)技術(shù)，即便在控制電路線(xiàn)斷開(kāi)的情況下，模塊也不會(huì)動(dòng)作；

（5） 電源的指示燈為綠色，繼電器狀態(tài)的指示燈為紅色；

（6） 接口處設(shè)計(jì)極具人性化，所有接口都可以能通過(guò)接線(xiàn)一方的端子來(lái)接線(xiàn)引出，非常方便。

3.5 噴泉系統(tǒng)

水泵通電之后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生一定的能量差值（即壓力差） ，在壓力差的帶動(dòng)下，不斷將水壓入水泵的入水口，再?gòu)膰娝诹鞒?。利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能作用下，水可連續(xù)不斷地壓入、流出，形成較穩(wěn)定的流量。用單片機(jī)來(lái)控制噴泉的開(kāi)啟與關(guān)閉，當(dāng)有音樂(lè)響起，單片機(jī)便會(huì)對(duì)噴泉發(fā)出開(kāi)啟指令。

綜上，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)集信號(hào)采集與處理的單片機(jī)控制系統(tǒng)，控制方式簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，且具有安全保護(hù)裝置。

4 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)程序采用獨(dú)立模塊的框架，其中能用到的數(shù)組都使用定義和命名指針或偽指令的方式編程，有助于程序再次改善和仿真軟件的調(diào)試過(guò)程。

程序設(shè)置后，進(jìn)入OOOOH開(kāi)始的主程序，聲控傳感器測(cè)試決定是否輸出高低電平；音樂(lè)是否響起決定了噴泉是否有動(dòng)作；延時(shí)程序的設(shè)定值決定了彩燈和噴泉?jiǎng)幼鞫嚅L(zhǎng)時(shí)間，即噴泉改變動(dòng)作的時(shí)間間隔：音樂(lè)頻率只要緩慢一次（多數(shù)音樂(lè)中間會(huì)有間歇停頓） ，同時(shí)聲控傳感器不斷的循環(huán)收集信號(hào)，下次音樂(lè)響起時(shí)就能使用其它的亮燈方式，如果用完了設(shè)定的最終亮燈的數(shù)據(jù)，之后就開(kāi)始循環(huán)取數(shù)據(jù)，燈光模擬效果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真效果圖

5 設(shè)計(jì)特色

（1） 多功能性。白天開(kāi)啟白天模式，晚上開(kāi)啟夜景模式。不同模式的燈控方式不同。

（2） 智能性。完全自動(dòng)控制，無(wú)需人為操作，規(guī)定時(shí)間自動(dòng)開(kāi)啟。

（3） 安全性。電路均有短路保護(hù)機(jī)制，有效防止短路引起的電流過(guò)大等問(wèn)題，同時(shí)交直流和高低電壓的轉(zhuǎn)換，降低了危險(xiǎn)性。

（4） 經(jīng)濟(jì)性。采用固態(tài)繼電器，增加了開(kāi)關(guān)的靈敏度，保證線(xiàn)路的安全性，提高了使用的周期，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，保證音樂(lè)噴泉的時(shí)效性和電路的自動(dòng)控制。

（5） 便捷性。單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便，可以隨時(shí)更換程序?qū)崿F(xiàn)不同的表現(xiàn)方式，根據(jù)音樂(lè)的高低起伏，彩燈實(shí)現(xiàn)不同的閃亮方式。

（6） 觀賞性。采用LED水下低壓彩燈，在原有的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行密封防護(hù)和接線(xiàn)方面的改善，發(fā)出燈光色彩艷麗。

6 關(guān)鍵技術(shù)

（1） 采用聲控延時(shí)判斷，即傳感器接受聲音加延時(shí)程序，實(shí)現(xiàn)音樂(lè)和水柱的同步變化。

（2） 實(shí)現(xiàn)了交直流和高低電壓的轉(zhuǎn)換，降低了危險(xiǎn)性。

（3） 使用時(shí)間繼電器，保證了音樂(lè)噴泉的時(shí)效性和電路的自動(dòng)控制。

（4） 采用LED水下低壓彩燈，在原有的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行密封防護(hù)和接線(xiàn)方面的改善，發(fā)出燈光色彩艷麗。

（5） 根據(jù)音樂(lè)的高低起伏，彩燈實(shí)現(xiàn)了不同的閃亮方式。

7 結(jié)語(yǔ)

此次音樂(lè)彩燈噴泉系統(tǒng)采用的單片機(jī)是51系列單片機(jī)的升級(jí)版本，編程指令內(nèi)容都可兼容和替代51系列單片機(jī)，價(jià)格與51單片機(jī)相當(dāng)，速度卻是51的2～10倍，而且非常方便進(jìn)行擴(kuò)展。

最終的設(shè)計(jì)成果，音樂(lè)輸入由MP3提供，電源、放大、濾波等基礎(chǔ)電路在電路板上焊接，而單片機(jī)則放置在專(zhuān)用的單片機(jī)機(jī)座上，音頻輸出既可以使用市面上常見(jiàn)的擴(kuò)聲器也可以通過(guò)音頻插孔連接到音箱。水泵分幾路進(jìn)行循環(huán)工作，各路水柱的旁邊都安裝不同顏色的水下低壓彩燈，這樣做使得燈光效果更加迷人絢麗，最終通過(guò)精密設(shè)計(jì)和反復(fù)調(diào)試，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

[1] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[2] 魏偉, 王永清.51單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)案例詳解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]姜志海，劉連鑫.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2013.