音樂(lè)噴泉控制器的設(shè)計(jì).doc
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學(xué)號(hào)： 常 州 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （2012屆） 題 目 音樂(lè)噴泉控制器的設(shè)計(jì) 學(xué) 生 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí) 校內(nèi)指導(dǎo)教師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 校外指導(dǎo)老師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 二○一二年六月 音樂(lè)噴泉控制器的設(shè)計(jì) 摘要：音樂(lè)噴泉的核心部分是控制器。音樂(lè)噴泉之所以能展現(xiàn)出各種不同的效果，是因?yàn)橐魳?lè)噴泉控制器能控制噴頭和燈光，顯現(xiàn)多變的曲線和色彩。不同的噴泉所需的水泵和彩燈組數(shù)也不盡相同，所以噴泉控制器可以采用簡(jiǎn)單、通用、組數(shù)能靈活擴(kuò)充的控制器。為了達(dá)到這一目的，本噴泉控制器由模擬電路與數(shù)字集成電路相結(jié)合，這種設(shè)計(jì)就可以靈活的改變水泵和彩燈組數(shù)。 本設(shè)計(jì)的核心控制器是AT89S52單片機(jī)，主要包括音樂(lè)產(chǎn)生模塊、運(yùn)放模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、濾波放大模塊、單片機(jī)控制模塊、繼電器模塊以及彩燈模塊。其系統(tǒng)原理是音樂(lè)信號(hào)分兩路輸出，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路之后為喇叭提供信號(hào)，另一路信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后提供給單片機(jī)，最后由單片機(jī)根據(jù)該信號(hào)控制電機(jī)、彩燈以及繼電器。整個(gè)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)易于該設(shè)計(jì)的推廣使用。 關(guān)鍵詞：音樂(lè)噴泉；控制器；電機(jī)；繼電器 Design of musical fountain controller Abstract:The musical fountain controller is the centre of the musical fountain. The controller dominates sprinklers and lighting of fountain so that it manifests various spectaculars with different curves and colors. Since water pumps and the number of color lamp vary due to different types of fountains, so we need to design a controller with simple, general, and flexible expanding character. This eruptive fountain controller is the combination of analog circuits and the digital circuit design, which can change the operation of water pump and the colored lantern group number nimbly. In my research, the control core of fountain is AT89S52 MCU, including the music module, the op amp module, A/D converter module, filter amplifier module, microprocessor control module, relay module and the lantern module. The principle of the system is that the music signal is outputted through two routes, namely, through the op amp circuit, the loudspeaker can receive a part of the signal, and through A/D converter, the single chip can receive the other part of the signal. Then the single chip can control motors, lights and relays, according to the signal. This controller can be easily promoted for its modularized design. Key Words:Music fountain;Controller; Electrical appliances; Relay 目 錄 摘要 Ⅰ 目次 Ⅲ 1 緒論 1 1.1 課題背景以及意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題研究的內(nèi)容及意義 2 2 總體方案的設(shè)計(jì) 3 2.1 方案比較 3 2.2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 4 3 芯片的選擇與功能介紹 6 3.1 AT89S52單片機(jī) 6 3.2 音頻信號(hào)放大器 8 3.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片 9 3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N 10 3.5 電機(jī)的選擇與確定 11 3.5.1 步進(jìn)電機(jī)的介紹 11 3.5.2 直流電機(jī)的介紹 12 3.5.3 電機(jī)的選擇 13 4 硬件電路的設(shè)計(jì) 14 4.1 音樂(lè)MP3模塊 14 4.2 音樂(lè)信號(hào)的濾波放大模塊 15 4.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 16 4.4 運(yùn)放模塊（音頻放大） 18 4.5 單片機(jī)控制模塊 19 4.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 21 4.7 繼電器模塊 23 4.8彩燈控制模塊 24 5 硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試方法 25 5.1 硬件原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境 25 5.2 硬件調(diào)試 26 6 軟件程序設(shè)計(jì)及流程圖 28 6.1系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)的環(huán)境 28 6.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖 28 6.3 代碼編寫 30 6.4 軟件調(diào)試 31 7 結(jié)論 33 致 謝 35 附 錄A 36 附 錄B 38 IV 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 1.1 課題背景以及意義 隨著生活水平提高，人們對(duì)于美化生活環(huán)境的要求也是越來(lái)越高。在公園、廣場(chǎng)以及其他一些公共場(chǎng)合的音樂(lè)噴泉也越來(lái)越多。人工的噴泉在城市廣場(chǎng)、公共建筑、園林也是很常見(jiàn)的。它不僅是一種觀賞性較高的藝術(shù)水景，而且也能夠增加周圍空氣的濕度，減少空氣中的塵埃，降低空氣的溫度。從噴頭噴出來(lái)的水柱與空氣中的水分子撞擊后能產(chǎn)生大量的氧負(fù)離子，從而對(duì)改善環(huán)境起著重要的作用。 音樂(lè)噴泉作為人文景觀和自然景觀相結(jié)合的產(chǎn)物，已經(jīng)深受廣大人名群眾的喜愛(ài)。所以有關(guān)音樂(lè)噴泉的研究也就豐富了起來(lái)。 目前，我國(guó)大型音樂(lè)噴泉技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但是對(duì)于小型音樂(lè)噴泉的研究較少?？刂葡到y(tǒng)作為整個(gè)音樂(lè)噴泉的核心部分，其余部分和普通類型的噴泉基本一致。音樂(lè)噴泉的控制系統(tǒng)可采用可編程控制器PLC作為核心，也可以采用單片機(jī)作為總的控制核心。對(duì)于小型音樂(lè)噴泉最適合的控制核心還是單片機(jī)。其適合于一般城市、小型廣場(chǎng)和普通的居民區(qū)的小型音樂(lè)噴泉，由于其要求控制簡(jiǎn)單，使用單片機(jī)完全可以滿足要求，而且成本較低更適合普及，是未來(lái)的音樂(lè)噴泉發(fā)展的必然趨勢(shì)。 本課題主要研究的是用單片機(jī)作為音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的核心，設(shè)計(jì)出一種控制簡(jiǎn)單，成本較低而且便于推廣的小型音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機(jī)（AT89S52）作為核心處理器，通過(guò)MP3模塊輸出的音樂(lè)節(jié)奏的不同控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速跟燈光的閃爍，從而實(shí)現(xiàn)音樂(lè)與噴泉的同步，增加了音樂(lè)噴泉的欣賞價(jià)值。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外，目前世界上最大的噴泉是由美國(guó)Bellagio噴泉制造商WET公司設(shè)計(jì)而成的，它就是迪拜音樂(lè)噴泉。其投資總額達(dá)2.18億美元，總長(zhǎng)度為275米，最高噴射高度為150米，其最大噴水量為2.2萬(wàn)加侖，比原世界第一的美國(guó)Bellagio噴泉大了25%。同時(shí)，該噴泉有6600個(gè)燈和50個(gè)彩色的投影機(jī)。噴泉隨著音樂(lè)起伏有上千種變化，或婉約或豪放，令人嘆為觀止，目不暇接。有報(bào)道稱，在20英里內(nèi)都能看到迪拜噴泉的燈光。 國(guó)內(nèi)，西安大雁塔位于北廣場(chǎng)中軸線上的音樂(lè)噴泉，南北橫向長(zhǎng)達(dá)350米，東西縱向?qū)挒?2米，最寬處有N 米，呈T字型，它由八級(jí)跌水池、百米瀑布水池及前端音樂(lè)水池三個(gè)區(qū)域組成，這三個(gè)部分既可以單獨(dú)分區(qū)表演也可以整體表演。音樂(lè)噴泉流光溢彩，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，如煙似霧。八級(jí)噴泉方陣的噴頭有1024個(gè)，每個(gè)噴頭是由一臺(tái)水泵和變頻器獨(dú)立控制，噴泉共計(jì)有水泵1360臺(tái)，變頻器1124臺(tái)，彩燈3300余盞，噴頭2000多只。整個(gè)噴泉共有22種國(guó)內(nèi)最新推出的科技含量較高的新穎獨(dú)立水型。大型激光水幕有20米高，從水中噴出噴火泉有4臺(tái)，在6米高空充分燃燒低溫爆開(kāi)，這些設(shè)計(jì)增加了整個(gè)噴泉的奪人氣魄，取得了獨(dú)特觀賞效果。水下池面地?zé)?、LED光帶及岸上電腦燈多光源照明使噴泉融聲、光、水、色于一體。 由此可見(jiàn)國(guó)內(nèi)外的音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì)均已達(dá)到了一個(gè)相當(dāng)高的水平。現(xiàn)今的音樂(lè)噴泉應(yīng)不斷取得國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的噴泉技術(shù)上新的突破，將噴泉的娛樂(lè)觀賞性與創(chuàng)新的時(shí)代文化、前瞻的藝術(shù)創(chuàng)想、濃郁的地方特色有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，別具一格，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，使音樂(lè)噴泉可以隨音樂(lè)的曲調(diào)的變動(dòng)而控制水型的變換從而展現(xiàn)音樂(lè)噴泉的美感。 1.3 課題研究的內(nèi)容及意義 本課題主要研究的內(nèi)容如下： 音樂(lè)信號(hào)由MP3模塊產(chǎn)生提供，經(jīng)過(guò)濾波放大模塊對(duì)音樂(lè)信號(hào)處理之后，再傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊，最后由單片機(jī)進(jìn)行總控制。執(zhí)行部分分為3個(gè)部分，第一部分是音樂(lè)信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放之后通過(guò)喇叭播放，第二部分是通過(guò)單片機(jī)傳輸信號(hào)給彩燈控制模塊執(zhí)行，最后一部分就是通過(guò)單片機(jī)輸出的PWM波控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)再控制直流電機(jī)。整個(gè)設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)單，快速，精準(zhǔn)的方式實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)噴泉的系統(tǒng)控制。 音樂(lè)噴泉作為一種獨(dú)特的人工景觀，獲得了廣大人民的喜愛(ài)，不僅使得人們?cè)谝曈X(jué)上得到了享受，而且在音樂(lè)背景下，能夠激勵(lì)我們的心智。目前音樂(lè)噴泉已經(jīng)成為一種娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，研究和設(shè)計(jì)高水平的音樂(lè)噴泉控制技術(shù)是非常重要的。 2 總體方案的設(shè)計(jì) 2.1 方案比較 方案一：采用89S52單片機(jī)為主控制芯片的設(shè)計(jì)方案。 本方案的的設(shè)計(jì)思路是首先對(duì)于MP3產(chǎn)生的音樂(lè)信號(hào)分2路，一路經(jīng)過(guò)濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換等一系列操作之后，輸入給AT89S52單片機(jī)進(jìn)行控制，最后通過(guò)控制電機(jī)對(duì)噴泉流量的控制以及彩燈的控制，來(lái)達(dá)到音樂(lè)噴泉的效果。另一路通過(guò)一個(gè)運(yùn)放電路之后給喇叭，提供給廣場(chǎng)音樂(lè)。兩路信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行使得聲、光、水得到了和諧的控制。本方案是通過(guò)對(duì)音樂(lè)信號(hào)的電壓進(jìn)行采集，可以實(shí)現(xiàn)音樂(lè)，燈光跟噴泉的同步控制，使設(shè)計(jì)出的音樂(lè)噴泉給人以和諧跟美的感受。本方案的設(shè)計(jì)圖如圖2.1.1所示。 圖2.1.1：系統(tǒng)總體硬件框圖 方案2：基于全數(shù)字集成電路音樂(lè)噴泉控制器的設(shè)計(jì)方案。 音樂(lè)經(jīng)過(guò)峰值檢波后，得到和音量大小相關(guān)的控制電壓，將此控制電壓，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)后，去控制存儲(chǔ)器芯片的地址，該存儲(chǔ)器地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)就會(huì)輸出，輸出信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)后就去推動(dòng)彩燈工作。本方案的設(shè)計(jì)流程框圖如下： 圖2.1.2：全數(shù)字集成電路音樂(lè)噴泉設(shè)計(jì) 方案三:基于音樂(lè)信號(hào)分頻段的音樂(lè)噴泉控制器的設(shè)計(jì)方案 本方案先對(duì)音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行分頻段，之后再分別進(jìn)行A/U轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換之后將信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將處理過(guò)的信號(hào)傳輸給8255A電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和彩燈控制模塊。此方案對(duì)于分頻段的控制相對(duì)比較難實(shí)施，精度要求比較高，而且成本較高。 圖2.1.3:基于信號(hào)分頻段的設(shè)計(jì)方案 經(jīng)過(guò)三個(gè)方案的對(duì)比，我選擇方案一作為本設(shè)計(jì)的最終方案。三個(gè)方案中方案二的設(shè)計(jì)只是單獨(dú)采集音樂(lè)信號(hào)音量大小的峰值，并沒(méi)有對(duì)音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行放大處理，并不能很好的實(shí)現(xiàn)音樂(lè)噴泉的控制，方案三的設(shè)計(jì)分頻段比較復(fù)雜，對(duì)于頻率劃分的比較精確，實(shí)際操作的時(shí)候難度較大，而且方案三選用的步進(jìn)電機(jī)，相對(duì)而言的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，不利于整個(gè)設(shè)計(jì)的推廣。方案一的設(shè)計(jì)不僅能很好的控制音樂(lè)噴泉的各個(gè)部分的執(zhí)行，與信息的采集，同時(shí)成本較低，便于推廣。 2.2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 控制系統(tǒng)總體包括8個(gè)部分： 1) 音樂(lè)MP3模塊； 2）音樂(lè)信號(hào)的濾波放大模塊 3）A/D轉(zhuǎn)換電路； 4）運(yùn)放模塊； 5）單片機(jī)控制模塊； 6）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊； 7）繼電器模塊 8）彩燈控制模塊； 本控制器的設(shè)計(jì)是由主芯片AT89S52通過(guò)對(duì)音樂(lè)信號(hào)的采集處理，然后輸出給相應(yīng)的外部設(shè)備。由圖2.1.1的總體系統(tǒng)框圖我們可以看見(jiàn)，本設(shè)計(jì)是由音樂(lè)MP3模塊、音樂(lè)信號(hào)的濾波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)放模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器模塊跟彩燈控制模塊等8個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊都有著其不可缺少的作用。首先， MP3模塊產(chǎn)生音樂(lè)信號(hào)，音樂(lè)信號(hào)分為兩路，一路經(jīng)濾波放大之后再A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)；另一路先經(jīng)過(guò)運(yùn)放模塊之后輸出給廣場(chǎng)信號(hào)（喇叭）。當(dāng)MP3模塊工作輸出音樂(lè)信號(hào)時(shí)，單片機(jī)芯片跟廣場(chǎng)喇叭同時(shí)收到音樂(lè)信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)處理音樂(lè)信號(hào)傳輸控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制電機(jī)噴頭以及彩燈。使得整個(gè)控制系統(tǒng)具有捕獲音樂(lè)，控制噴泉、燈光，等輸出控制的功能，同時(shí)對(duì)各組噴頭進(jìn)行一定時(shí)間內(nèi)的一定規(guī)則內(nèi)的隨機(jī)輪換的效果。 本音樂(lè)噴泉控制器實(shí)現(xiàn)了噴泉跟著音樂(lè)的跌宕起伏從而噴出不同高度的水柱，彩燈跟著音樂(lè)節(jié)奏的變化呈現(xiàn)出起伏的亮燈效果。很好的展示了音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)應(yīng)該具備的聲，光，水的同步控制。 3 芯片的選擇與功能介紹 3.1 AT89S52單片機(jī) AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。該芯片使用的是Atmel公司的非易失性高密度存儲(chǔ)器技術(shù)來(lái)制造的，可以與現(xiàn)在市場(chǎng)上的51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。該芯片上允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，同樣也適于常規(guī)編程器。與此同時(shí)，該芯片還擁有8位的CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52芯片成為了市場(chǎng)上比較主流的一款單片機(jī)芯片。 該單片機(jī)的主要性能如下： * 可以與同類51單片機(jī)產(chǎn)品相兼容 * 可編程Flash存儲(chǔ)器的大小為8K字節(jié) * 具有1000次的擦寫周期 * 靜態(tài)操作的范圍是0Hz到33Hz之間 * 程序存儲(chǔ)器的加密方式為三級(jí) * 可編程I/O口接線共有32個(gè) * 具有三個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 * 中斷源有8個(gè) * 全雙工UART串行通道 * 兩種工作掉電模式為掉電模式和低功耗空閑 * 中斷可在掉電后喚醒 * 具有看門狗定時(shí)器 * 具有雙數(shù)據(jù)指針 * 具有掉電標(biāo)識(shí)符 （2）89S52的引腳功能 VCC （40引腳）: 電源電壓 GND（20引腳）: 接地 P0口（P0.0～P0.7，32～39引腳）：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位都能驅(qū)動(dòng)TTL邏輯電平。使P0=1時(shí)，引腳則作為高阻抗輸入。 當(dāng)訪問(wèn)的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或者外部程序時(shí)，P0口也可以被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)TTL邏輯電平的數(shù)量是4個(gè)。使P1=1時(shí)，內(nèi)部的上拉電阻把端口拉高，此時(shí)該口可以當(dāng)做輸入口。當(dāng)P1口被用作輸入口時(shí)，由于內(nèi)部電路具有電阻的原因被外部拉低的引腳將輸出電流。 此外，P1.0和P1.2還可以分別作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入，具體如表1所示。 在flash的編程時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 表3.1.1：P1口引腳復(fù)用功能 引腳端口 功能描述 P1.0口 時(shí)鐘輸出、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器2的外部記數(shù)輸入 P1.1口 定時(shí)器、計(jì)數(shù)器2的捕捉、重載出發(fā)的信號(hào)、方向控制 P1.5口 系統(tǒng)編程是會(huì)被用到 P1.6口 系統(tǒng)編程時(shí)會(huì)被用到 P1.7口 系統(tǒng)編程時(shí)會(huì)被用到 P2口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是擁有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)邏輯電平數(shù)量是4個(gè)。使P2=1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)P2口還可以作為輸入口。當(dāng)P2口作為輸入口時(shí)，由于內(nèi)部電路電阻的原因，被外部拉低的引腳將輸出電流。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如MOVX @DPTR）時(shí)，P2口送出數(shù)據(jù)是高八位地址。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的數(shù)據(jù)。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也可以接收高8位地址數(shù)據(jù)和一些控制信號(hào)。 P3口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，p2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)邏輯電平的數(shù)量為4個(gè)。使P3=1時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)P3口可以被當(dāng)做輸入口。當(dāng)P3口被當(dāng)做輸入口時(shí)，由于內(nèi)部電路的電阻被外部拉低的引腳將輸出電流。 P3口也作為AT89S52特殊功能口（第二功能）使用，如下表所示。在對(duì)Flash編程或程序校驗(yàn)時(shí)，P3還接收一些控制數(shù)據(jù)信號(hào)。 表3.1.2：P3口引腳復(fù)用功能 引腳端口 第二功能描述 P3.0端口 串行輸入口（RXD） P3.1端口 串行輸出口（TXD） P3.2端口 外部中斷0 P3.3端口 外部中斷1 P3.4端口 定時(shí)器0的外部輸入 P3.5端口 定時(shí)器1的外部輸入 P3.6端口 WR P3.7端口 RD RST（9引腳）：作為復(fù)位輸入口。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位操作?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST引腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE（30引腳）：該引腳是地址鎖存控制信號(hào)端，在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，該端口用于鎖存單片機(jī)低8位地址數(shù)據(jù)。 在一般情況下，ALE的固定頻率輸出脈沖是其晶振1/6，可被外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。 （29引腳）：是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89C51RC從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。 （31引腳）：當(dāng)該引腳為高電平狀態(tài)時(shí)，可以訪問(wèn)程序的內(nèi)部存儲(chǔ)器。當(dāng)該端口為低電平狀態(tài)時(shí)，不能訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器，但可以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。 XTAL1（19引腳）：是振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（18引腳）：是振蕩器反相放大器的輸入端口。 MCS－51共有7種尋址方式，現(xiàn)介紹如下： （1）立即尋址：操作數(shù)就寫在指令中，和操作碼一起放在程序存貯器中。把“#”號(hào)放在立即數(shù)前面，以表示該尋址方式為立即尋址，如MOV A,#20H。 （2）寄存器尋址：操作數(shù)放在寄存器中，在指令中直接以寄存器的名來(lái)表示操作數(shù)地址。如MOV A，R0就屬于寄存器尋址，即R0寄存器的內(nèi)容送到累加器A中。 （3）直接尋址：操作數(shù)放在單片機(jī)的內(nèi)部RAM某單元中，在指令中直接寫出該單元的地址。如前例的ADD A，70H中的70H。 （4）寄存器間接尋址：操作數(shù)放在RAM某個(gè)單元中，該單元的地址又放在寄存器R0或R1中。 如果RAM的地址大于256，則該地址存放在16位寄存器DPTR（數(shù)據(jù)指針）中，此時(shí)在寄存器名前加@符號(hào)來(lái)表示這種間接尋址。如MOV A，@ R0。 （5）變址尋址：指定的變址寄存器的內(nèi)容與指令中給出的偏移量相加，所得的結(jié)果作為操作數(shù)的地址。如MOVC A，@A+DPTR （6）相對(duì)尋址：由程序計(jì)數(shù)器中的基地址與指令中提供的偏移量相加，得到的為操作數(shù)的地址。如SJMP rel。 （7）位尋址：操作數(shù)是二進(jìn)制中的某一位，其位地址出現(xiàn)在指令中。如SETB bit MCS51的指令系統(tǒng)按功能分有：數(shù)據(jù)傳送類、轉(zhuǎn)移指令、算術(shù)運(yùn)算類、邏輯運(yùn)算類、和十進(jìn)制指令及一些偽指令共111個(gè)。 選用此單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的核心單片機(jī)主要有下面幾個(gè)方面的原因：首先，該單片機(jī)是我們?cè)趯W(xué)習(xí)單片機(jī)的時(shí)候主要學(xué)習(xí)的單片機(jī)；其次，該單片機(jī)是8位的單片機(jī)，在功能上完全能滿足本設(shè)計(jì)的要求；最后就是該單片機(jī)的價(jià)格比較便宜。 3.2 音頻信號(hào)放大器 通常MP3產(chǎn)生的音樂(lè)信號(hào)強(qiáng)度不是很高，所以在對(duì)音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行一個(gè)信號(hào)放大的處理。通過(guò)與市場(chǎng)上音頻放大芯片的對(duì)比，最總本設(shè)計(jì)采用的音頻功率放大器芯片是LM386N-1。LM386N-1是美國(guó)一家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻放大器，主要應(yīng)用于低電壓供電而且外圍元器件使用較少的電路。該音頻放大器的電壓的增益內(nèi)置為20，但在1腳跟8腳增加一只外接電阻跟電容，使其可將電壓增益為任意值，直至200。它的輸入端以地為參考，同時(shí)輸出端波自動(dòng)編置到電源電壓的一半，在6V的電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24W，使得LM386N-1特別適用于電池供電的場(chǎng)合。 主要特性： * 靜態(tài)功耗較低，約為4mA,可用于電池供電的場(chǎng)合。 * 工作電壓范圍寬是4-12V 或者 5-18V。 * 外圍元器件少。 * 電壓增益可調(diào)的范圍是20到200之間。 *失真度比較低。 該芯片的內(nèi)部原理圖如圖3.2.1所示： 圖3.2.1：LM386N-1內(nèi)部電路圖 圖3.2.2：引腳功能圖 3.3 A/D轉(zhuǎn)換芯片 由于音樂(lè)信號(hào)是交流模擬量，所以不能直接送入單片機(jī)進(jìn)行處理?？紤]到音樂(lè)信號(hào)比較弱，首先要對(duì)其進(jìn)行音頻放大處理，其次再對(duì)該音樂(lè)信號(hào)采用濾波、整流處理；最后由A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才傳輸給單片機(jī)控制。對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換的芯片我選擇的是ADC0804。ADC0804是屬于連續(xù)漸進(jìn)（ Successive Approximation Method）的A/D轉(zhuǎn)換器。它除了有著轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高外，還有著價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。其主要的電氣特性如下： * 工作電壓為+5V，即VCC=+5V。 * 模擬輸入電壓范圍：0-5V，即0≤ Vin ≤5V * 分辨率是8位，即分辨率為1/256，轉(zhuǎn)換值介于0-255之間。 * 當(dāng)f=640KHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us。 * 轉(zhuǎn)換誤差為1LSB。 * 參考電壓為2.5V。 ADC0804的管腳圖如圖3.3.1所示： 圖3.3.1： ADC0804的芯片管腳 該芯片的各個(gè)引腳功能如下： *CS：用于芯片選擇信號(hào)（CS=0時(shí)，允許A/D轉(zhuǎn)換） *RD：外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號(hào)。RD為高電平狀態(tài)時(shí)，DB0~DB7為高阻抗；RD為低電平狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換好的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才會(huì)輸出。 *WR：用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于ADC轉(zhuǎn)換的開(kāi)始（CS=0時(shí)），當(dāng)WR由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換器中的數(shù)據(jù)被清除；當(dāng)WR由低電平轉(zhuǎn)換為高電平狀態(tài)時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換正式開(kāi)始。 *CLK IN,CLK R：分別對(duì)應(yīng)時(shí)鐘輸入和接震蕩無(wú)件（R,C），頻率范圍約100KHZ~1460KHZ之間，如果使用RC震蕩電路則其震蕩頻率為1 *INTR：是中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出端，低電平動(dòng)作。 *VIN（+）,VIN（-）:差動(dòng)模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時(shí)，VIN(-)接地；而差動(dòng)輸入時(shí)，直接加入VIN（+）和VIN（-）。 *AGND,DGND：模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)的接地。 *VREF:輔助參考電壓。 *DB0~DB7：8位的數(shù)字輸出。 *VCC：電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓。 3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N L298N是ST公司生產(chǎn)的 一種高壓的，大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該芯片采用的是15個(gè)引腳的封裝。它的主要特點(diǎn)如下： *工作電壓較高，最高的工作電壓可達(dá)到46V； *輸出電流也較大,瞬間峰值電流可達(dá)到3A,持續(xù)工作電流為2A； *芯片內(nèi)部含有兩個(gè)H橋的全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或者步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載； *該芯片的信號(hào)控制采用的是標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平； *同時(shí)該芯片具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止元器件的工作； *有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作； *可以外接檢測(cè)電阻，其作用是將變化量反饋給控制電路。 使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，既可以驅(qū)動(dòng)接步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，但本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的是直流電機(jī)，其使用操作比較方便。其引腳如圖3.4.1所示： 圖3.4.1： L298N引腳圖 由上圖可以看出引腳8管腳說(shuō)明為GND（接地），且它與L298N芯片的散熱片緊密靠在一起。由于該芯片的工作電流比較大，所以芯片產(chǎn)生的熱量也比較多，所以在該芯片的散熱片上連接一塊鋁合金片，以增強(qiáng)它的散熱效果。 該芯片的一些主要參數(shù)如下： (1) 邏輯部分輸入電壓為6～7V (2) 驅(qū)動(dòng)部分輸入電壓為4.8～46V (3) 邏輯部分工作電流小于等于36mA (4) 驅(qū)動(dòng)部分工作電流小于等于2A (5) 最大耗散功率為25W (6) 控制信號(hào)輸入電平的范圍：高電平為2.3V≤Vin≤Vss，低電平為-0.3V~1.5V (7) 工作溫度的范圍是-25℃～＋130℃ (8)雙路大功率H橋驅(qū)得驅(qū)動(dòng)形式 3.5 電機(jī)的選擇與確定 3.5.1 步進(jìn)電機(jī)的介紹 步進(jìn)電機(jī)是一種開(kāi)環(huán)控制元件，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移。在電機(jī)非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及位置的變化只取決于脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)和頻率，而不受負(fù)載變化所帶來(lái)的影響，也就是說(shuō)只要給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就能轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。由于該線性關(guān)系的存在，再加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而沒(méi)有累積誤差等特點(diǎn)，使步進(jìn)電機(jī)得在速度、位置等控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)控制原理：它將外部接收的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，也就是說(shuō)只要給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此步進(jìn)電機(jī)適合單片機(jī)的控制。目前步進(jìn)電機(jī)有三種分別是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。 3.5.2 直流電機(jī)的介紹 直流電機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它能夠?qū)⒅绷麟娔芨鷻C(jī)械能相互轉(zhuǎn)換，它具有良好的調(diào)速特性，其調(diào)速的效果是平滑、方便、調(diào)速的范圍也比較廣；同時(shí)直流電機(jī)也具有很好過(guò)載能力，能承受頻繁的負(fù)載沖擊；它能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，以及能滿足各種自動(dòng)化設(shè)計(jì)的要求。 直流電機(jī)的PWM調(diào)速原理：PWM控制是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度來(lái)進(jìn)行控制，從而有效的獲得所需要的波形。基于PWM控制的調(diào)速電路相當(dāng)于把“直流電壓”切割成一系列脈沖，通過(guò)改變這些脈沖的占空比來(lái)獲得所需要的輸出電壓。 在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)速控制中，是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓的導(dǎo)通時(shí)間與導(dǎo)通周期的比值（即占空比）來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖3.5.1所示，在脈沖的作用下，按一定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，電機(jī)的速度就能得到很好的控制。當(dāng)電機(jī)通電的時(shí)間增加時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)加快；反之，當(dāng)電機(jī)的通電時(shí)間減少時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)減慢。設(shè)計(jì)時(shí)只要按照一定的規(guī)律，改變一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)“導(dǎo)通”和“斷開(kāi)”的時(shí)間比例即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的控制。由圖3.5.1可以很形象的看出電樞電壓與平均電壓之間的關(guān)系。 圖3.5.1：電樞電壓“占空比”與平均電壓的關(guān)系 3.5.3 電機(jī)的選擇 通過(guò)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)跟直流電機(jī)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)直流電機(jī)相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)： *直流電機(jī)的調(diào)速性能好； *直流電機(jī)能承受頻繁的負(fù)載沖擊，同時(shí)直流電機(jī)的過(guò)載能力很強(qiáng)； *直流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁快速制動(dòng)效果 而步進(jìn)電機(jī)相對(duì)于直流電機(jī)的最大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)于位置的控制，即可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。但是對(duì)于音樂(lè)噴泉控制器來(lái)說(shuō)，并不需要特別高的位置控制。由于音樂(lè)信號(hào)時(shí)經(jīng)處理之后再有單片機(jī)輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，所以一定范圍內(nèi)的誤差是可以的，而本設(shè)計(jì)還需要能夠快速反應(yīng)當(dāng)前信號(hào)狀態(tài)，同時(shí)從價(jià)格上以及驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度來(lái)考慮，直流電機(jī)更加有優(yōu)勢(shì)。所以最終采用小型直流電機(jī)作為本系統(tǒng)的電機(jī)。 4 硬件電路的設(shè)計(jì) 整個(gè)電路的設(shè)計(jì)總共包含8個(gè)模塊，分別是：音樂(lè)MP3模塊（即信號(hào)產(chǎn)生模塊）、音樂(lè)信號(hào)的濾波放大模塊 、A/D轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)放模塊、單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器模塊和彩燈控制模塊。整個(gè)電路的設(shè)計(jì)本著模塊化設(shè)計(jì)，更能夠方便細(xì)化每個(gè)模塊的功能，同時(shí)也方便出現(xiàn)問(wèn)題之后能夠快速的找出問(wèn)題的出處以及問(wèn)題的解決辦法。 4.1 音樂(lè)MP3模塊 該設(shè)計(jì)的MP3模塊是音樂(lè)噴泉的信號(hào)產(chǎn)生模塊。如圖4.1.1所示： 圖4.1：音樂(lè)MP3模塊 首先該MP3模塊體積小、使用簡(jiǎn)單、靈活、用處廣泛的一款高保真放音模塊。供電電壓范圍比較寬，適用于各種場(chǎng)合，同時(shí)具有可以一鍵對(duì)應(yīng)一首歌曲直接播放（最多8首），也可以單鍵觸發(fā)循環(huán)播放，32M到1G的儲(chǔ)存空間對(duì)于本設(shè)計(jì)的音樂(lè)產(chǎn)生模塊完全適合。同時(shí)該模塊的使用比較方便，適合簡(jiǎn)單的單片機(jī)設(shè)計(jì)。 該模塊本設(shè)計(jì)所用到的引腳功能如下： P1：更換目錄 P2：快退10首 P3：快進(jìn)10首 P4：音量減小 P5：音量增大 P6：停止播放 P7：下一首 P8：上一首 p9：音量減 P10：音量加 p14：暫停/播放 P17:右聲道音頻輸出 P18：左聲道音頻輸出 P19：電源地 P20：電源+ 音樂(lè)信號(hào)經(jīng)p17和p18口分別輸出給音頻放大模塊跟濾波放大模塊。此模塊的功能和普通MP3一樣，把管腳對(duì)地接一個(gè)按鍵，即可使用。PL（播放/暫停鍵）的使用方法是把PL對(duì)地接一個(gè)按鍵，按一下，模塊開(kāi)始全部歌曲循環(huán)播放直到按STOP鍵或者斷電為止，播放過(guò)程中如果按PL鍵，則暫停播放，暫停時(shí)按PL鍵，則恢復(fù)播放。播放順序?yàn)椋耗夸?的第1首一直到目錄1的最后一首，然后播放目錄2的第1首，依次循環(huán)播放。使用快進(jìn)10首或快退10首的功能時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算并自動(dòng)跳轉(zhuǎn)目錄。如當(dāng)前正在播放目錄1的倒數(shù)第5首，若此時(shí)按快進(jìn)10首鍵，則系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到目錄2的第5首開(kāi)始播放。P0為更換目錄鍵，假設(shè)當(dāng)前正在播放目錄1中的歌曲，按下P0后，系統(tǒng)變更當(dāng)前目錄為目錄2，并自動(dòng)開(kāi)始播放該目錄的第1首歌曲。該模塊的歌曲是通過(guò)將歌曲存儲(chǔ)在SD卡里面，在通過(guò)此模塊讀出來(lái)的。 4.2 音樂(lè)信號(hào)的濾波放大模塊 音樂(lè)信號(hào)的濾波放大模塊是整個(gè)音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理模塊。這個(gè)模塊的放大部分跟運(yùn)放模塊一樣，都是用的LM386N-1這個(gè)芯片對(duì)音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行功率放大處理。處理的信號(hào)進(jìn)過(guò)一個(gè)RC-Ⅱ型濾波電路帶通濾波之后起到了帶通濾波的作用，最后進(jìn)行一個(gè)阻低頻的處理使得整個(gè)音樂(lè)信號(hào)得到了充分的處理，最終輸出的是正電壓信號(hào)。電路圖連接如圖4.2.1所示： 圖4.2.1： 濾波放大模塊 該電路的前半部分是由主芯片LM386N-1構(gòu)成的音頻信號(hào)放大電路。圖中1口和8口有電容電阻串聯(lián)來(lái)控制電路的放大倍數(shù)，本設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)是50倍。第3口是音樂(lè)信號(hào)的輸入端，進(jìn)過(guò)芯片內(nèi)部放大后從第5口輸出之后接濾波電路。由圖的第二個(gè)部分可以看出該濾波電路是RC濾波電路。圖中電阻R11對(duì)于交流、直流都具有降壓的作用，但是它與電容串聯(lián)、并聯(lián)形成圖中電路之后，就是脈動(dòng)電壓的交流分量大部分分在了電阻兩端，較小的部分分在了負(fù)載上，這樣就起到了一個(gè)濾波的效果。圖中R11跟C1越大，電路的濾波效果就越好。接下來(lái)就是對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行加直流、整流的處理。該部分的PCB圖如圖4.2.2所示。 圖4.2.2：濾波放大模塊PCB 4.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換模塊是本設(shè)計(jì)的核心模塊之一。因?yàn)镸P3產(chǎn)生的音樂(lè)信號(hào)如果直接輸入給單片機(jī)也是可以的，但是精度不是很高。將音樂(lè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換之后再輸給單片機(jī)這樣能更加準(zhǔn)確的表達(dá)音樂(lè)信號(hào)所包含的信息。A/D模塊如圖4.3.1所示： 圖4.3.1：A/D轉(zhuǎn)換電路 這個(gè)模塊我用的是ADC0809CN這個(gè)芯片，該芯片是8位COMS依次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器。通過(guò)該芯片采集前面整流放大處理過(guò)的電壓信號(hào)，處理之后再送給單片機(jī)進(jìn)行處理。首先A/D轉(zhuǎn)換芯片的CS、RD、WR、INTR口分別接89S52單片機(jī)的P3.0口、P3.1口、P3.2口，P3.3口，這四個(gè)端口共同控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)與停止。當(dāng)CS=0時(shí),也就是CS口是低電平時(shí)，允許A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)WR口由低電平跳轉(zhuǎn)到高電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始，當(dāng)INTR口為高電平時(shí)，且CS口也為高電平時(shí)停止A/D轉(zhuǎn)換。圖中A/D芯片的CLK IN跟CLK OUT口構(gòu)成了A/D轉(zhuǎn)換芯片的振蕩電路，且有2個(gè)1K的電阻使其參考電壓為2.5V。DB0口到DB7口是A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出口。圖中IN+口是信號(hào)的輸入端，圖中是由一個(gè)電阻跟一個(gè)滑動(dòng)變阻器代替信號(hào)的輸入，方便對(duì)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)試。A/D轉(zhuǎn)換的PCB如圖4.3.2所示。 圖4.3.2：A/D轉(zhuǎn)換的PCB 4.4 運(yùn)放模塊（音頻放大） 運(yùn)放模塊是將MP3模塊產(chǎn)生的音樂(lè)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)放通過(guò)小喇叭輸出。由于MP3模塊產(chǎn)生的音樂(lè)信號(hào)強(qiáng)度不是很大，如果直接通給喇叭或者其他外部廣場(chǎng)信號(hào)的話，我們通過(guò)耳朵并不能聽(tīng)到音樂(lè)信號(hào)，所以需要經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)放之后給喇叭我們才能在喇叭聽(tīng)到MP3模塊產(chǎn)生的音樂(lè)。運(yùn)放模塊如圖4.4.1所示： 圖4.4.1：運(yùn)放模塊 該運(yùn)放模塊用的是芯片LM386N-1，由圖可以看出放大芯片的3口是音樂(lè)信號(hào)的輸入端，1口跟8口是控制放大倍數(shù)的端口。本設(shè)計(jì)采用的放大倍數(shù)是50倍，由于可以看出由一個(gè)1.2K和一個(gè)10uf的電容組成即可。第7口是一個(gè)旁路，濾掉一些雜波。第5口是該芯片的音樂(lè)信號(hào)輸出口，該端口連接的是電容跟電阻組成的濾波電路。圖中C18電容的較大起到了阻低頻的效果，另一路的電容C17由于其阻值較小起到了一個(gè)低通濾波的效果。最后經(jīng)過(guò)處理的音樂(lè)信號(hào)提供給喇叭外放。 4.5 單片機(jī)控制模塊 音樂(lè)噴泉控制器的設(shè)計(jì)涉及到通過(guò)單片機(jī)采集音樂(lè)信號(hào)，來(lái)調(diào)節(jié)I/O口的輸出來(lái)控制彩燈以及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到聲、光、水的完美控制。作為整個(gè)設(shè)計(jì)核心，我選用的是AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)如圖4.5.1所示： 圖4.5.1： AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng) 該圖中分別有AT89S52單片機(jī)，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路組成。其中復(fù)位電路是用來(lái)確定單片機(jī)的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。單片機(jī)在接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)，同時(shí)手動(dòng)按鍵也能產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)完成單片機(jī)的啟動(dòng)。復(fù)位電路還有一個(gè)比較重要的用途就是，在單片機(jī)工作出現(xiàn)混亂或者“死機(jī)”時(shí)，使用手動(dòng)手段可以使單片機(jī)“重啟”。這樣可以便于我們更好的控制和保護(hù)單片機(jī)以及各個(gè)芯片。復(fù)位電路如圖4.5.2所示： 圖4.5.2：AT89S52的復(fù)位電路 時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)工作的節(jié)奏，決定單片機(jī)的工作速度。時(shí)鐘電路也就是振蕩電路，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的速度。AT89S52的時(shí)鐘頻率范圍是：0-33MHz。圖4.5.3為AT89S52單片機(jī)的時(shí)鐘電路。 圖4.5.3：AT89S52的時(shí)鐘電路 整個(gè)單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的核心控制部分。單片機(jī)的P0口用來(lái)連接A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出線，P1口本設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用，P2口用來(lái)接彩燈電路，P3口是整個(gè)系統(tǒng)的控制位以及電機(jī)口和繼電器口。首先單片通過(guò)P3口控制A/D轉(zhuǎn)7換的開(kāi)啟以及數(shù)據(jù)的接收，將接收到的數(shù)據(jù)按照一定的要求輸出控制位，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。整個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)的PCB如圖4.5.4所示。 圖4.5.4：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)PCB 4.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的芯片的選擇，我選擇了L298N。該芯片具有體積小，控制方便的特點(diǎn)，是一種專用的驅(qū)動(dòng)電路，屬于H橋集成電路，與L293D的差別是其輸出電流增大，功率越強(qiáng)，其輸出電流為2A，最高電流為4A，最高工作電壓為50V，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機(jī)直接相連，從而很方便的接受單片機(jī)的控制。 對(duì)于電機(jī)的調(diào)速，我們采用PWM的調(diào)速方法。其原理就是開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)體的時(shí)間為t，周期為T，則電機(jī)兩端的平均電壓U=Vcc*（t/T）=aVcc。其中，a=t/t（占空比），Vcc是電源電壓。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快。硬件原理圖如圖4.6.1所示： 圖4.6.1：電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 在硬件電路的連接上，我們將單片機(jī)的P3.7口連接到LN298的IN1口上，IN2口接地。通過(guò)改變P3.7口上的高低電平的占空比以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PCB如圖4.6.2所示： 圖4.6.2：電機(jī)驅(qū)動(dòng)PCB 4.7 繼電器模塊 該模塊的設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的控制位輸出的控制量達(dá)到最大時(shí)，也就是彩燈全部被點(diǎn)亮，電機(jī)轉(zhuǎn)速也達(dá)到最快時(shí)，這就說(shuō)明系統(tǒng)需要添加新的噴頭，這里用繼電器代替。如圖4.7.1所示。 圖4.7.1：繼電器模塊 該模塊主要的使用的是三極管跟繼電器。這里三極管充當(dāng)?shù)氖情_(kāi)關(guān)的作用，而繼電器則是作為信號(hào)相應(yīng)端。由圖可以看出三極管的基極這一端連接的單片機(jī)最小系統(tǒng)的P3.6口。當(dāng)系統(tǒng)需要繼電器工作時(shí)，單片機(jī)P3.6口輸出為高電平，這時(shí)使得三極管Q1導(dǎo)通從而使得繼電器工作。這樣就能使得單片能夠很好的控制繼電器的開(kāi)關(guān)。 4.8彩燈控制模塊 彩燈控制模塊，采用的是直接通過(guò)52單片機(jī)直接控制的。發(fā)光二極管一端接電源，另一端接一個(gè)保護(hù)電阻再直接接到單片機(jī)的P0口。如圖4.8.1所示： 圖4.8.1：彩燈控制電路 單片機(jī)把MP3模塊產(chǎn)生的音樂(lè)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大時(shí)候，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)給單片處理之后，按照我們需要達(dá)到的效果，合理的輸出，這樣就能達(dá)到一個(gè)很好的效果。如果要是其中一個(gè)燈亮，只要控制相應(yīng)的P0口為低電平即可，這樣既能簡(jiǎn)單的控制彩燈的亮滅，同時(shí)也簡(jiǎn)化了編程的難度。 5 硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試方法 5.1 硬件原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境 本設(shè)計(jì)的原理圖使用的是Altium Designer。Altium Designer是一個(gè)完整的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提供了統(tǒng)一電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境，涵蓋了電子產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程中的各個(gè)方面包括： * 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與輸入； * 物理PCB設(shè)計(jì)； * FPGA硬件設(shè)計(jì) * 嵌入式軟件開(kāi)發(fā) * 混合信號(hào)電路仿真 * 信號(hào)完整性分析 * PCB制作 * FPGA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試 上述的單一的設(shè)計(jì)領(lǐng)域統(tǒng)一集中在Altium Designer的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)集成平臺(tái)上。它不僅包含了99se與Protel的版本功能，還增加了改進(jìn)許多功能。在PCB部分，除了Protel中的通道復(fù)制，阻抗控制布線功能，自動(dòng)布線器等功能以外還實(shí)現(xiàn)了PCB與FPGA之間的全面集成，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引腳優(yōu)化和非凡的布線效果。還提高了對(duì)高密度封裝的交互布線功能，總布線功能，器件精確移動(dòng)，快速鋪銅等功能。其次在原理圖部分，可以將一些不同的對(duì)象拷貝到原理圖當(dāng)中。比如一些網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，一頁(yè)圖紙的BOM表，都可以拷貝粘貼到原理圖當(dāng)中。在信號(hào)仿真部分，提供了完善的混合信號(hào)仿真，在對(duì)XSPICE標(biāo)準(zhǔn)的支持之外，還支持對(duì)Pspice模型和電路的仿真。對(duì)FPGA設(shè)計(jì)提供了豐富的IP內(nèi)核，包括各種處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)、接口、以及虛擬儀器。 圖5.1.1： Altium Designer的工作界面 5.2 硬件調(diào)試 在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我采用的是模塊設(shè)計(jì)的方法，先進(jìn)行每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與調(diào)試，等每個(gè)模塊的功能都基本實(shí)現(xiàn)之后再將所有的模塊整合連接起來(lái)形成整個(gè)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)的時(shí)候，關(guān)于整個(gè)系統(tǒng)的電路連接方面并沒(méi)有出現(xiàn)太多的問(wèn)題，只是出現(xiàn)了一些細(xì)節(jié)性的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤后來(lái)細(xì)心檢查的時(shí)候很快就進(jìn)行了修正。主要的幾個(gè)大的問(wèn)題還是在模塊電路工作不正常所引起的問(wèn)題。下面介紹我遇到的幾個(gè)問(wèn)題以及解決辦法： 1.LM386運(yùn)放模塊接喇叭不出聲 原因及解決辦法：經(jīng)過(guò)整個(gè)模塊的多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，剛開(kāi)始信號(hào)輸入運(yùn)放時(shí)接有電阻，使信號(hào)很弱，最后將電阻調(diào)為零，問(wèn)題解決。 2.RC濾波電路，剛開(kāi)始濾波效果不好。 原因及解決辦法：用電位器代替電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，最終使效果達(dá)到設(shè)計(jì)需要。 3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，一開(kāi)始電機(jī)和單片機(jī)一起供電，PWM波調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速改變不明顯。 原因及解決辦法：經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，是電機(jī)供電不足的原因，一開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候本著簡(jiǎn)便的設(shè)想，電機(jī)跟單片機(jī)一起供電，PWM波調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)變化不是很明顯，所以最后電機(jī)采用外部電源供電。 4.A/D轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試，A/D芯片燒壞 原因及解決辦法：在調(diào)試A/D轉(zhuǎn)換電路的時(shí)候，由于A/D轉(zhuǎn)換芯片的電源正負(fù)極接反導(dǎo)致整個(gè)A/D芯片被燒壞，只能從新更換A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行調(diào)試。 通過(guò)整個(gè)硬件的調(diào)試過(guò)程，我發(fā)現(xiàn)了許多的在設(shè)計(jì)階段不會(huì)碰到的問(wèn)題。比如電源電路正負(fù)極接反而導(dǎo)致整個(gè)調(diào)試心血付諸東流。同時(shí)我還發(fā)現(xiàn)實(shí)際操作與理論設(shè)計(jì)中有很大的出入，在理論設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們并沒(méi)有把所有的干擾都考慮進(jìn)去。一開(kāi)始的時(shí)候，我就范過(guò)這個(gè)錯(cuò)誤，沒(méi)注意到干擾而導(dǎo)致模塊功能實(shí)現(xiàn)不了。 6 軟件程序設(shè)計(jì)及流程圖 6.1系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)的環(huán)境 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)在Keil C51軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的基于C語(yǔ)言的單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)上、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而很容易實(shí)施。如果用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，會(huì)有更加深刻的體會(huì)。Keil C51軟件有著豐富的庫(kù)函數(shù)和很強(qiáng)的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具。另外更重要的一點(diǎn)， Keil C51生成目標(biāo)代碼的效率相對(duì)于匯編來(lái)說(shuō)是非常效率的，而且很容易被理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 Keil C51的優(yōu)點(diǎn)有: 1.Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 2.與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而很容易實(shí)現(xiàn)。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，會(huì)更深刻的體會(huì)。同時(shí)Keil C51軟件擁有豐富的庫(kù)函數(shù)和集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具。 6.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖 N 圖6.2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理圖 由上圖可以看出整個(gè)軟件設(shè)計(jì)由剛開(kāi)始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換程序、到讀A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)（電壓值）、再到對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、最后在輸出到控制位，控制電機(jī)以及彩燈的狀態(tài)。整個(gè)數(shù)據(jù)分析有五個(gè)選擇： 當(dāng)電壓V≤0.56時(shí)：彩燈1號(hào)燈亮，電機(jī)的速度設(shè)置為1； 當(dāng)電壓0.56下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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