参考基于C8051F单片机的移动式音乐喷泉设计

基于C8051F单片机的移动式音乐喷泉设计
摘要：音乐喷泉作为一种观赏性较高的艺术水景已经得到了越来越广泛的应用。

论述了一个以C8051F 单片机为核心的适于室内使用的小型移动式音乐喷泉控制系统，给出了单片机控制电路，水泵控制电路，彩灯控制电路及部分单片机I/O口初始化程序。

喷泉水型随音乐的高低旋律发生变化，再辅以LED彩灯的
亮灭，便于移动，实用性强，适宜家庭和室内观赏。

关键词： C8051F单片机；音乐喷泉；单片机控制
目前在公共场所喷泉一般只是将音乐和喷泉高低简单配合, 无法真正体现音乐的旋律、节奏；或者是采用了高成本复杂的控制系统，搭建复杂的外围电路实现功能；并且多数只能在现场观赏，不能进入家庭。

本文介绍基于C8051F单片机控制的小型室内移动式音乐喷泉。

它使用了较少的外围器件和较为简单的电路设计，成本低、体积小、水型变换多样，实用性强，适合室内观赏。

1 系统设计
本系统采集音乐信号，根据音乐信号的强弱来控制水泵电机的转速以及LED彩灯的亮灭。

系统的总体结构如图1所示，由音乐输入部分、音响放大部分、单片机控制部分和输出控制部分组成。

C8051F单片机作为系统的主芯片，一方面采集音乐信号，另一方面依据采集到的音乐信号的强弱输出延时不等的矩形波来控制可控硅的导通时间，进而控制水泵电机的转速，从而达到控制喷水高度的目的。

彩灯的亮灭也由单
片机依据音乐采样值的大小来控制。

2 系统硬件设计
硬件系统由单片机电路、音频电路、水泵控制电路、彩灯控制电路、电源电路等组成。

2.1 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C8051F系列单片机中的C8051F310。

C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统SoC，它具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器。

除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器等等。

这样不仅可以简化单片机的外围电路，而且处理速度和灵活度都大大增强，并且具有片内调试电路，通过10针的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试，设计调试周期短。

所选的C8051F310内部集成了一个10位ADC，两个模拟比较器，4个通用16位计数器/定时器，1个可编
程精密内部振荡器，32脚LQFP封装，2.7V～3.6V供电电压。

C8051F310的最小系统电路如图2所示。

包括复位和晶振，JTAG程序下载和调试端口，AS1117供电芯片，把单片机的I/O口都用插针转接出来以便于设计和调试。

2.2 音频电路
音频电路由音响放大器和音乐预处理电路两部分组成。

音响放大电路将音乐外放，包括两级放大和一级功放。

音乐预处理电路是将音频信号经由放大滤波输入到单片机供片内AD采集。

整个系统采用单电源5V供电，选用可以使用单电源供电的运算放大器LM324。

功放由4V～12V供电，功率由可达1.25W的LM386完成，可以推动喇叭达到扬声器的作用。

信号经音频电路初步处理后送入单片机内部AD，由定时器控制以
8k采样率采集音乐信号。

2.3 水泵控制电路
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3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。

采用这种方法关键是要保证矩形波与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(本系统使用了0.5V)，当比较器的输出结果发生变化时，由定时器定一段时间(本系统定为100Hz脉动直流由0.5V下降到0V的时间)，这样就找到了每个周期的起点，然后再根据AD采样的结果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。

2.4 彩灯控制电路
彩灯是为了渲染色彩增强节奏感而设计的。

电路如图4所示，使用高亮LED，有红绿蓝白黄五种颜色，设计成内外环绕的三圈，每圈六个灯，颜色搭配得当。

每圈的灯并联占用一个I/O口，用三极管8050放大提供足够的电流驱动，依据音乐采样值大小决定点亮的灯的圈数。

3 系统软件设计
在硬件上本系统使用了单片机内部的AD、比较器、定时器、中断等资源，故软件编程就包含这几个方
面的设置和使用。

定时器T0控制AD的采样速率。

定时器T1在比较器的下降沿中断中被启动，延时一段时间，找到100Hz脉动直流每个周期的起点。

定时器T2在定时器T1的中断中被启动，依据不同的AD采样值延时不等的时间，在T2的中断程序中输出矩形波启动可控硅。

单片机的I/O口采用交叉开关配置,用端口输入方式寄存器（PnMDIN）选择所有端口引脚的输入方式（模拟或数字，复位后为数字输入方式），用端口输出方式寄存器(PnMDOUT)选择所有端口引脚的输出方式（漏极开路或推挽，复位后为漏极开路输出方式），被配置为模拟输入的端口要用端口跳过寄存器（PnSKIP）选择为被交叉开关跳过。

I/O口初始化程
序如下：
XBR1=0x40； //交叉开关使能
P0MDOUT=0x10 | P0MDOUT；//P0.4为推挽输出，
//作为矩形波输出口
P1MDIN=0xfb & P1MDIN；//P1.2为模拟输入，
//作为音乐输入口
P1SKIP=0x04 | P1SKIP；// P1.2被交叉开关跳过
AMX0P=0x02；//设置P1.2为AD输入通道
AMX0N=0xff；
P1MDIN=0xde & P1MDIN；//P1.0，P1.5为比较器模拟输入
P1SKIP=0x21 | P1SKIP；//P1.0，P1.5被交叉开关跳过
CPT0MX=0x10； //选择P1.0为比较器正输入，
//P1.5为比较器负输入
4 设计结果
设计的音乐喷泉LED彩灯经过热缩管的绝缘处理后用导线缠绕在塑料软管上，然后再固定在盆内。

围绕塑料软管开几个小孔，再安装塑料插头作为喷水装置。

可以用电脑或者mp3作为音源，喷泉高低和彩灯随着音乐的启停节奏发生变化。

系统的主要控制电路被安装在盒子里放置于旁边，注意绝缘，安全用电。

设计的喷泉控制系统基于C8051F单片机，采用了音频放大，可控硅控制等简洁的外围电路，经过焊接、组装、调试后，可以很好实现控制功能，具有很强的实用性，尤其是具有体积小、易移动、适合家庭和室内使用的特点。

本方案也可以在功能上加以扩展，如加上对乐曲的频域分析，结合频域特点控制水泵；还
可以制作雾化器来渲染效果等。

参考文献
[1] 张长君，王连涛.单片机控制在音乐喷泉中的应用[J].计算机工程与设计，2006，(5)：1905-1907.
[2] 王连涛.音乐喷泉的单片机控制[J].电子世界，2005，(5)：21-22.
[3] 张均，廖建波.小型音乐喷泉控制系统设计[J].江西农业大学学报，4(21)：619-621.
[4] 马忠梅，籍顺心，张凯，等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[5] 张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术[M].北京：国防工业出版社，2004.
基于MCS－51单片机的音乐喷泉控制
基于MCS－51单片机的音乐喷泉控制中文摘要：音乐喷泉是利用音乐的各种特征要素来控制喷泉水姿和灯光的喷泉。

本文阐述了利用单片机为主控制器来实现小型音乐喷泉的控制。

单片机作为控制用微处理器，包含有基本的软硬件资源，可将其应用于小型音乐喷泉控制。

USB读入模块通过连接CH375芯片实现[5]。

CH375 是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式，它内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件。

且，CH375还提供支持FAT管理的子程序库，单片机可以直接调用子程序库读写U盘中的文件数据。

在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出。

硬件上占用P0、P2总线；另一个外部中断源INT1（也可采用查询方式，不占用INT1，而占用其他的I/O线）；RD、WR控制线；另外由于采用子程序库，USB读入模块还需要不少于4KB的程序空间，不少于600 字节的随机存储器RAM，包括不少于75 字节的内部RAM 和530字节的外部RAM。

系统还提供人机对话系统，通过串行口与7279A通信，建立键盘、显示模块。

键盘、显示模块占用了串行口[6]。

另外，系统还有存储扩展模块和SRAM模块，用于存储系统程序和一些过程数据。

占用了P0、P2总线；RD、WR线；ALE及ESPN控制线。

综上所述，系统上配备有喷泉控制模块、MIDI播放器模块、USB读入模块、键盘、显示模块、存储扩展模块和SRAM模块，形成一个独立的音乐喷泉控制系统，音乐喷泉控制系统图如图1所示。

图1：音乐喷泉控制系统图
1.4 总体程序结构及控制流程图
MIDI播放模块实现MIDI音乐的播放，通过QS6400实现，使用中断方式与MCS-51通讯。

在开始播放时，MCS-51向传送一个页面数据，QS6400开始播放音乐。

在一个页面数据播放完成后，向MCS-51发出中断信号，传送下一页面数据，保证音乐播放的正常进行。

使用QS6400之前，首先须对QS6400进行初始化。

这项工作在MCS-51初始化工作时实现。

USB读写模块实现向MCS-51传输MIDI文件，通过CH375实现，也是通过中断方式与MCS-51通讯。

喷泉控制模块实现对喷泉的数字量控制和模拟量控制，产生各种各样的水姿。

MCS-51利用水型文件，通过P1口输出控制喷泉。

键盘显示完成人机交互功能：在MIDI文件输入、MIDI播放及喷泉控制时，实现人机交互功能。

在初始化程序中实现对QS6400、CH375、X9221、7279A及MCS-51内部资源：中断系统、定时器系统、串行口等的初始化工作；同时对相关参数置初始值。

音乐喷泉控制系统的控制流程图如图2所示。

图2：音乐喷泉控制系统的控制流程图
参考文献：
[1]周健.基于音乐特征识别的喷泉控制系统研究[硕士学位论文]. 重庆：重庆大
学，2007.1
[2]王克强.音乐喷泉概述.节水灌溉，2006，(3)：39
[3]张延灿．喷泉工程发展及其设计问题（上）．给水排水，1998，24(7)：47-50
基于MCS－51单片机的音乐喷泉控制
中文摘要：音乐喷泉是利用音乐的各种特征要素来控制喷泉水姿和灯光的喷泉。

本文阐述了利用单片机为主控制器来实现小型音乐喷泉的控制。

单片机作为控制用微处理器，包含有基本的软硬件资源，可将其应用于小型音乐喷泉控制。

借鉴大型音乐喷泉的一些控制方法和控制软件，找出适合单片机的设计方案，实现小型音乐喷泉的声、光、水完美控制。

关键词：单片机，音乐喷泉，控制，MIDI文件
音乐喷泉是极富生命力的人工景观，它将水体、灯光、音乐的变化与周围环境（建筑、园林）结合在一起，创造出各种变化多端、风格各异的艺术氛围，给人以无穷的视听享受。

此外，音乐喷泉还具有空间层次的分隔、生活环境的美化以及空气的净化等作用[1]。

1.1 国内外研究状况及选题的意义
喷泉作为一项建筑艺术，在国内外均有较悠久的历史。

而音乐喷泉的构思及萌生则是本世纪30年代开始的，1930年，德国的OTTO PRZYSTAWIK(奥图．皮士特霍)首先提出了喷泉与音乐相结合的设想，并设计成小型装置应用于酒店及商场，其后则逐步发展到大型化及多样化。

GUNTER PRZYSTAWIK继承父业使音乐喷泉更为多姿多采，并于l952年夏在西柏林工业展览会上进行展示，经纽约一摄影师将其引进应用于纽约无线电音乐厅，从此，音乐喷泉陆续在世界各地应用推广，目前，西方工业发达国家已有制造音乐喷泉成套装置的专业工厂、如美国的WALTZING，MIDAS．加拿大的PEM，意大利的NeonALPina．日本的KAWAMURA 等公司[2]。

随着音乐喷泉市场的需求越来越大，国内关于音乐喷泉的研究与开发工作也蒸蒸日上。

我国在80年代中期相继引进和自行设计建造了多座音乐喷泉，为美化环境，活跃人民的文化生活起了良好的作用。

据不完全统计，2006年整个喷泉行业年总产值也早已达到几十亿元以上。

同时我国行政主管和技术监督部门、学术团体和出版界等，也为推动喷泉技术的发展做了不少工作：1989年出版的《给水排水设计手册》，第一次将“水景设计”以专章列入设计手册；1989年出版、1990年开始施行的《建筑给水排水设计规范》，第一次将“喷泉设计”以专节列入国家设计规范；1990年出版了第一本专门著作《喷泉设计》；1991年在中国土木工程学会建筑给水排水委员会和中国标准化协会建筑给水排水委员会的大力推动下，成立了第一届“全国喷泉研讨会”，有关喷泉的专门设计规程和术语标准等也公开发布执行[3]。

音乐喷泉以其水柱绚丽多姿，水柱随着音乐而跳动，给人以视觉和听觉的双重享受。

大型的音乐喷泉功能齐全，规模大，有很强的震撼力，适用于大型音乐广场，对软硬件要求高，投资大。

随着人民生活水平的提高，对美化住宅小区以及别墅环境的要求越来越高，小型化音乐喷泉成为一个发展方向。

大型音乐喷泉的科技含量高,设计和制造难度大。

目前,我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟,但对小型音乐喷泉的研究较少，小型音乐喷泉存在着协调性能差等缺点。

小型音乐喷泉系统适用于住宅小区和酒店厅堂等场所，一个好的音乐喷泉就是一个精美的艺术品，可以美化环境、愉悦身心。

而其控制系统是整个音乐喷泉的关键。

对小型音乐喷泉控制系统的研究具有很大的经济效益和社会效益。

1.2 设计思路
音乐喷泉是由电脑控制声、光及喷孔组合而产生不同形状、不同色彩、配合音乐节奏而构成的综合水景。

音乐喷泉就是喷泉水柱随着音乐的跳动而起伏，喷泉与音乐之间产生一定的互动关系。

音乐喷泉存在两个问题：喷泉如何与音乐产生联系；喷泉与音乐的视音同步问题。

系统采取以下几个办法，很好地解决这两个问题。

系统设计采用单片机作为主控制器，完成对小型音乐喷泉的控制。

在演示一首新的乐曲之前，先要对该乐曲进行分析。

分析一个MIDI文件，得到以下几个音乐特征：乐曲的速度、统计出当前事件与前一事件的时间差(delta-time)、当前发音的通道(Channel)、当前发音的音名(tone-name)和当前发音的力度(Velocity)和各通道的音色(timbre)。

把这些数据流列成2个表格：事件表(Events-table)和通道音色表(Channel-timbre-table)，存储在文件中，作为基本控制信息，用于喷泉的控制。

这些音乐特征数据结合编制好的水型基本表演程序库，形成水型文件，输出控制种类执行机构。

单片机输出信号经放大后推动继电器或电子开关，控制设在水路上的电磁阀的启闭；或者控制水泵电机，从而达到控制喷头水路的通断；还可以通过控制继电器或者接触器对灯光进行控制。

这样随着音乐的变化，喷水大小、高矮和形态的随之变化，解决了喷泉与音乐之间的联系问题。

系统中设有MIDI播放器模块，存储在单片机的MIDI文件传向MIDI播放器，启动MIDI播放器，播放音乐。

考虑到音乐与喷泉之间有一定的管内的压力传递延迟和喷水过程的视音延迟分别采取2种办法解决。

前者的解决的办法就是先用控制喷泉的启动，过一设定的延迟时间后开始播放音乐，使音乐的播放与喷泉的控制在感觉在同步。

针对视音延迟则通过计算每次的延迟值，重新计算得出每次动作的时间表，产生水型文件，解决视音延迟问题。

通过这些方法，很好地解决了喷泉与音乐同步的问题。

由于音乐播放与喷泉控制的系统是相对独立的，因此音乐播放流畅，音质能满足需要要求。

系统还配有U盘主机系统模块，通过该模块可向系统输入MIDI文件。

由于系统中采取FAT系统管理文件，因此U盘可以直接从PC机上存取文件，从而向系统提供MIDI文件。

1.3 各模块资源分析
系统外接喷泉控制模块、MIDI播放器模块和USB读入模块，为了方便人机对话，系统还需配备键盘、显示模块。

单片机为喷泉控制模块提供了P1口，用于控制输出各种状态参数，其中P1.0－P1.1通过数字电位器控制变频器；P1.2－P1.7用于控制电磁阀、接触等数字量。

MIDI 播放器模块采用QS6400作为音源模块[4]。

QS6400可以对固化在内的128种音色、47种打击乐进行解码来播放音乐，支持播放MIDI格式文件。

QS6400
有8位数据线、1位地址数据选择线、一位片选信号和三个控制信号线：RDB(读操作)、WRB(写操作)和IRQB(数据包请求信号)。

选择P0口作为8位数据线/地址线的复用线，用P3.2(INT0)接中断请求端IRQB，数据包传递采用外部中断源0的中断方式工作。

P3.6(WR)和P3.7(RD)分别接QS6400的WRB和RDB端。

QS6400
的CSB和A0端接地址线。

MIDI播放器模块占用了P0、P2总线；一个外部中断源INT0及RD、WR控制线。

USB读入模块通过连接CH375芯片实现[5]。

CH375 是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式，它内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件。

且，CH375还提供支持FAT管理的子程序库，单片机可以直接调用子程序库读写U盘中的文件数据。

在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出。

硬件上占用P0、P2总线；另一个外部中断源INT1（也可采用查询方式，不占用INT1，而占用其他的I/O线）；RD、WR控制线；另外由于采用子程序库，USB读入模块还需要不少于4KB的程序空间，不少于600 字节的随机存储器RAM，包括不少于75 字节的内部RAM 和530字节的外部RAM。

系统还提供人机对话系统，通过串行口与7279A通信，建立键盘、显示模块。

键盘、显示模块占用了串行口[6]。

另外，系统还有存储扩展模块和SRAM模块，用于存储系统程序和一些过程数据。

占用了P0、P2总线；RD、WR线；ALE及ESPN控制线。

综上所述，系统上配备有喷泉控制模块、MIDI播放器模块、USB读入模块、键盘、显示模块、存储扩展模块和SRAM模块，形成一个独立的音乐喷泉控制系统，音乐喷泉控制系统图如图1所示。

图1：音乐喷泉控制系统图
1.4 总体程序结构及控制流程图
MIDI播放模块实现MIDI音乐的播放，通过QS6400实现，使用中断方式与MCS-51通讯。

在开始播放时，MCS-51向传送一个页面数据，QS6400开始播放音乐。

在一个页面数据播放完成后，向MCS-51发出中断信号，传送下一页面数据，保证音乐播放的正常进行。

使用QS6400之前，首先须对QS6400进行初始化。

这项工作在MCS-51初始化工作时实现。

USB读写模块实现向MCS-51传输MIDI文件，通过CH375实现，也是通过中断方式与MCS-51通讯。

喷泉控制模块实现对喷泉的数字量控制和模拟量控制，产生各种各样的水姿。

MCS-51利用水型文件，通过P1口输出控制喷泉。

键盘显示完成人机交互功能：在MIDI文件输入、MIDI播放及喷泉控制时，实现人机交互功能。

在初始化程序中实现对QS6400、CH375、X9221、7279A及MCS-51内部资源：中断系统、定时器系统、串行口等的初始化工作；同时对相关参数置初始值。

音乐喷泉控制系统的控制流程图如图2所示。

图2：音乐喷泉控制系统的控制流程图
参考文献：
[1]周健.基于音乐特征识别的喷泉控制系统研究[硕士学位论文]. 重庆：重庆大学，2007.1
[2]王克强.音乐喷泉概述.节水灌溉，2006，(3)：39
[3]张延灿．喷泉工程发展及其设计问题（上）．给水排水，1998，24(7)：47-50。