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            音樂噴泉控制系統硬件設計

            1 控制系統硬件總體設計方案 該音樂噴泉控制系統的總體結構如圖2-1所示,由音樂輸入系統、數模轉換系統、單片機控制系統和輸出控制系統等組成。 圖2-1 系統總體結構框圖 2音樂信號的采集 前面已經介紹過,本文的研究針對的是采用外部音源的噴泉系統,因此在

            1 控制系統硬件總體設計方案

                   該音樂噴泉控制系統的總體結構如圖2-1所示,由音樂輸入系統、數模轉換系統、單片機控制系統和輸出控制系統等組成。
             
               音樂噴泉控制系統硬件設計
                                            圖2-1 系統總體結構框圖

            2音樂信號的采集

                   前面已經介紹過,本文的研究針對的是采用外部音源的噴泉系統,因此在對音樂信號進行特征識別前首先要完成對模擬音樂信號的采集。音樂信號的采集主要包括音頻放大和 A/D 轉換兩個過程,下面分別進行分析。

            2.1 音頻放大電路的設計

                   外部音源信號的幅度一般較弱,因此必須要對原信號進行放大處理后才能送入A/D 轉換器。本文選擇了 LM386 芯片設計音頻放大電路。LM386 是美國國家半導體公司(NS)推出的系列功率放大集成電路的一種,LM386 具有功耗低、工作電壓范圍寬、所需外圍元件少等特點,在電子設備的音頻放大電路設計中應用非常廣泛,它使用了 10 只晶體管構成了輸入級、電壓增益和電流驅動級。其中 T1~T6 組成 PNP 型復合差分放大器,T5、T6 為鏡像恒流源,作為 T3、T4 的有源負載,使輸入級有穩定的增益。電壓增益級由接成共發射極狀態的 T7 承擔,其負載也使用了恒流源,整個集成功放的開環增益主要由該級決定。T8、T9 復合為一個 PNP 管,和 T10 共同組成互補對稱射極輸出電路,以供給負載以足夠的電流。D1、D2 提供了 T8、T9、T10 所需的偏置,使末級偏置在甲乙類狀態。R5~R7 構成內部反饋環路。從圖 2-2 可以看出,LM386 采用雙列 8 腳封裝結構,它的工作電壓范圍為 4~12V,靜態電流 4mA,最大輸出功率 660mW,最大電壓增益 46dB,增益帶寬 300kHz,諧波失真 0.2%。
             
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                    圖2-2 LM386 封裝形式及引腳定義
                   在 LM386 的 DataSheet 上,提供了兩種典型放大電路的設計方案。一種是在LM386 的 1 腳和 8 腳之間不接其他元件,此時放大電路的增益僅由內部電阻 R5~R7決定,為 20 倍數(26dB),這種方式外部電路元件最少,也最為經濟。另一種通過在 1 腳和 8 腳之間串接不同的阻容元件,改變放大電路的交流反饋量,從而改變放大電路的閉環增益。音樂信號的放大采集如圖 2.2.2 所示。外部音源(聲卡、CD 機等)的模擬音樂信號分左、右聲道分別進入放大電路,經過信號放大后,得到幅值放大后的音頻信號。從圖 3.2.2 可以看出放大電路的具體設計。在 LM386 的 1 腳和 8 腳之間串接一個 10 微法的電容 C4,使內部電阻 R6 被交流旁路,放大電路的增益能達到最大值,200 倍數(46dB)。再對音頻放大電路的外圍電路進行設計,電路中電容 C1、C6 作為隔直電容,電位器 P1 用于調節音量的大小,元件 R2、C5 有助于旁路高頻噪音和改善輸出的音質。電容 C3 作為去耦電容,一方面是本集成電路的蓄能電容,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。電容 C2 則是作為旁路電容,將信號的中高頻噪音旁路到地。經過放大電路的音頻信號就送入 A/D 轉換器進行采樣,這里 A/D轉換器要設置為雙極性,即能接收負信號。
             
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                         圖 2-2 音樂信號放大采集

            2.2 采樣定理

                   采樣是指用一較高頻率的開關脈沖對模擬信號進行取樣,取出脈沖到來時刻所對應的模擬信號的幅度,這樣就可以得到一連串幅度變化的離散脈沖。用這些離散脈沖序列代替原來時間上連續的信號,也就是在時間上將模擬信號離散化。如圖 3.2.2 所示,在對音樂信號進行放大處理后,就要通過 A/D 轉換將模擬信號采集進計算機,這就是音樂信號的采樣。我們在對一個連續的音樂信號進行采樣時,為了使采樣后的樣本序列能夠包含足夠的信息以使其能夠較正確地重現原來的模擬信號,在采樣時應當使采樣頻率滿足采樣定理的要求。采樣定理的描述為“對一個模擬信號進行離散化時,只要滿足采樣頻率fs 大于或等于被采樣信號的最高頻率fm的2 倍,就可以通過理想的低通濾波器,從樣本值序列信號中無失真地恢復出原始模擬信號”,這里的fm稱為香農頻率,這個采樣定理又稱為香農采樣定理。實際應用中為了較好的防止頻譜混疊失真,采樣頻率一般要稍大于信號最高頻率的 2 倍。比如樂曲的音域頻段如果在 50Hz~4000Hz 內,就要將 A/D 轉換器的采樣頻率選定為 10kHz,才能滿足香農采樣定理的要求。

            2.3 單片機電路

                   單片機要采集音樂信號,并據此調節I/O口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用AT89C51單片機。AT89C51單片機是一個低功耗,高性能的51內核的CMOS 8位單片機,片內含8K空間的可反復擦寫1000次的Flash只讀存儲器,具有256bytes的隨機存取數據存儲器(RAM),32個I/O口,1個看門狗定時器,3個16位可編程定時器,具有ISP功能,能夠滿足設計要求。使用簡單且價格非常低廉。故系統的主控制器采用此方案。
             
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                              圖2-3 89C51芯片

            3.1 單片機的概述

                   單個芯片的計算機是集成到單個芯片中,雖然其大部分功能都集成一個小的芯片上的完整的計算機系統,它具有最必要的組件的一個完整的計算機: CPU,存儲器,內部和外部總線。 SCM是一個中央處理器,隨機存取存儲器。具有只讀存儲器,定時器芯片和集成在一個芯片上的I / O接口電路的微控制器。微控制器也被稱為因為它們用于在工業控制所述第一時間的微控制器(單片機)。單片微處理器僅由CPU處理器芯片開發的。早期設計概念是計算機系統提供大量外設和CPU在單個芯片上集成,使得較小的計算機系統,更容易集成到復雜的設備和控制,該他們是在嚴格要求中提到。英特爾Z80是基于這一理念設計的第一個處理器,從那時起,開始了單芯片處理器和專用處理器的發展。SCM先前已經8或4位。其中最成功的是Intel 8031,由于其簡單性,可靠性和良好的性能,受到很多好評。此后,在8031到開發一個系統MCS51系列單片機?;谠撓到y的單片機系統仍然被廣泛使用至今。改善工業控制領域中,16位的單芯片微型計算機(SCM)已經出現,但它沒有被廣泛使用,因為它不能令人滿意的性能。 90年代后,消費電子產品的發展,單片機技術有很大的提高。具有廣闊的應用INTEL I960系列,特別是后來的ARM系列32位微控制器快速更換的16位微控制器的首位,并進入主流市場。傳統的高性能8位微控制器也得到了提高速度,容量和相對于上世紀80年代改良加工幾百倍。目前,高端的32 bit比300MHz的,一個特殊的處理器性能趕上90年代中期以上,而平均模型價格下降到$ 1,中高端價格只有$ 10,現代的SCM系統只開發和使用裸金屬的環境中,大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全范圍的單芯片微型計算機。和掌上電腦和手機的處理核心的高端微控制器,并可能甚至直接使用專用的Windows和Linux操作系統。單片機通過不同的程序實現不同的功能,尤其是特殊的,獨特的功能,這是其他需要大量設備的努力來完成的,有些是巨大的努力,也很難做出。特征不是太復雜,如果美國研制74系列在上世紀50年代或60 CD4000系列這些清潔設備調整,則電路應該是一個大PCB板!然而,如果美國在70年代成功地推出了一系列單片機的,其結果將是一個很大的區別!正因為單片機,你可以通過你編寫的程序實現高智能,高效率和高可靠性!
                   目前,單片機滲透到我們生活的各個領域,這幾乎是不可能找出哪些領域沒有一個統一的跟蹤單片機。導彈導航設備,飛機儀表控制,計算機網絡的通信和數據傳輸,實時控制和處理過程的工業自動化數據,廣泛使用的各種智能IC卡,,錄像機,攝像機控制,全自動洗衣機,以及程控玩具電子寵物等,所有這些都離不開單片機。更何況機器人,智能儀表,自動控制,單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。

            3.2 時鐘電路的設計

                 ST89C52芯片中有一個高增益反相放大器,作用于構成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1,輸出端則是XTAL2兩端跨接石英晶體和兩個電容這樣就可以構成穩定的自激振蕩器,如圖2—4所示:
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                                          圖2-4自激振蕩器

            4 AD轉換電路

                   輸入的電壓為交流模擬量,不能直接送入單片機進行處理。因此首先采用全橋整流,濾波。使其成為直流信號,再采用全橋整流,濾波。使其成為直流信號,再采用了ADC電路。其中AD芯片為ADC0832。ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片,其最高分辨可達256級,可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用,使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32音樂噴泉控制系統硬件設計s,據有雙數據輸出可作為數據校驗,以減少數據誤差,轉換速度快且穩定性強。獨立的芯片使能輸入,使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過DI數據輸入端,可以輕易的實現通道功能的選擇。串行通信節約單片機I/O資源。
                   ADC0832各引腳功能:ADC0832采用雙列直插式封裝,共有28條引腳。
               (1)IN0—IN7(8條) IN0—IN7為8路模擬電壓輸入線,用于輸入被轉換的模擬電壓;
               (2)地址輸入和控制(4條) ALE為地址鎖存允許輸入線,高電平有效。當ALE線為高電平時,ADDA、ADDB和ADDC三條地址線上的地址信號得以鎖存,經譯碼后控制8路模擬開關工作,ADDA、ADDB和ADDC 為地址輸入線,用于選擇IN0—IN7上的哪一路模擬電壓送給比較器進行A/D轉換。
               (3)數字量輸出及控制線(11條)“START”為“啟動脈沖”輸入線,該線上的正脈沖由CPU送來,寬度應大于100ns,上升沿清零SAR,下降沿啟動ADC工作。EOC為轉換結束輸出線,該線上的高電平表示A/D轉換已結束,數字量已鎖入“三態輸出鎖存器”。OE為“輸出允許”線。
               (4)電源線及其他(5條) CLOCK為時鐘輸入線,用于為ADC0832提供逐次比較所需的時鐘脈沖序列。VCC為+5電源輸入線,GND為地線。VREF(+)和VREF(-)為參考電壓輸入線,用于給電阻階梯網絡供給標準電壓。VREF(+)常與 VCC 相連VREF(-)常接地或負電源電壓。

            4.1 ADC0832與單片機89C51的連接

                   ADC0832的時鐘信號來自單片機89C51的ALE信號,89C51采用12MHz時鐘頻率,ALE為2MHz,經四分頻后為500KHz作為ADC0832的時鐘頻率。用P2.7控制A/D轉換的啟動與轉換結束后數字量的讀取。ADC0832的地址鎖存允許管腳(ALE)H和啟動管腳(START)相連。由P2.7和WR信號經或非門提供的信號使P0.2—P0.0提供的3位通道地址送入ADC0832進行鎖存,用以選取通道號。轉換結束信號EOC作為查詢信號。具體接口電路如圖2-5所示
            音樂噴泉控制系統硬件設計
                          圖2-5 ADC0832

            4.2輸入電路

                   在這里,輸入電路是指能對樂曲啟停、樂曲節奏和聲音強弱等進行檢測并將檢到的信號以電平、脈沖或數字形式送至單片機的電路。為說明簡單計,這里僅介紹能反映樂曲啟停的奏曲信號電路。因為有了它,音樂已不再僅是背景音樂,音樂已用來控制整個噴池的動作與否,因而已達到了音樂噴泉的最基本要求。
                   奏曲信號電路的框圖如圖2-6所示。左右兩路立體聲信號經混合后送限幅放大電路放大,這樣即使是極弱的樂曲信號也能有足夠強度媳信號輸出。整流濾波電路用以將信號轉為單向信號。電壓比較器用以將大于基準電壓的單向信號變換成低電平有效的奏曲信號由之端輸出。通過調整基準電壓,可使電路既不受干擾的影響又靈敏度最大。奏曲信號電路的輸出經R3送至光耦4N35在單片機P1.5引腳產生一低電平信號。
             
            音樂噴泉控制系統硬件設計
                                           圖2-6 奏曲信號電路框圖

            5潛水泵調速硬件方案設計

                   方案一:采用變頻器,調速方便、容易,只要控制口電流范圍為4到20毫安就可以,精度高,缺點價格偏貴。
                   方案二:采用步進電機調速電路,這樣會增加電路復雜性,控制精度偏低,優點是價格偏低。本系統成本問題必須考慮,控制精度要求不是很高,步進電機調速電路就可以滿足要求。
                   本系統采用可控硅調相的方法控制噴泉水泵的轉速。電路如圖2.5所示,由單片機的I/O口輸出矩形波,通過光耦控制可控硅的導通角,進而控制水泵電機的轉速,調整噴泉的輸出高度。選用單相可控硅BT169控制220V的雙向交流電。交流通過二極管1N4007(耐壓值1000V)組成的整流橋后變為100Hz脈動的直流,由單片機P0.4依據音樂采樣結果輸出矩形波,通過光耦控制可控硅的通斷,以達到調相的目的。
            音樂噴泉控制系統硬件設計
                        圖2-7 電機電路圖
                   采用這種方法關鍵要保證矩形波與100Hz脈動直流保持同相,由AD采樣的結果決定100Hz脈動直流的每一個周期有多長時間是導通的。所以將100Hz脈動直流分壓后作為單片機內部比較器的一個輸入端,另一個輸入端接一個由5V分來的固定電壓。當比較器的輸出結果發生變化時,由定時器定一段時間,這樣就找到了每個周期的起點,然后再根據AD采樣決定不等的延時來輸出矩形波導通可控硅。AD采樣結果大,每個周期的延時短,可控硅導通的時間長,水泵電機轉速快,反之亦然。

            6燈光硬件方案設計

                   方案一:使用大功率,不同顏色的發光二極管。
                   方案二:使用LED水下低壓彩燈。LED-水下彩燈系列除廣泛使用于噴泉,瀑布水下照明外,還可用于假山,橋梁等投光照明。 水下彩燈均采用著名荷蘭菲利蒲公司產品,產品結構合理,色彩鮮艷,并進一步改進了其密封、防護和接線方式,廣泛適合于各種噴泉。
                   本次設計采用水下照明和閃光彩燈,水下照明采用LED水下低壓彩燈兩個,閃光彩燈采用不同顏色的發光二極管。
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                                圖2-8 彩燈的連接

            7解決系統時間滯后硬件電路設計

                   由于單片機采集數據并處理需要一定的時間,加上電機響應和水柱顯示也需要一定的時間。電機由一種轉速到另一種轉速的響應時間可以查電機參數得到,電動機的響應時間為0.04S,單片機采集處理數據程序約為100句,約為0.6ms,水柱的顯示延時可以通過水閘效應計算出來,經計算總延時約為0.2S。提出兩種解決方案。
                   方案一:采用預處理,即把要控制的音樂元素提前編輯好,提前控制。
                   方案二:采用把音樂延時播放,即在音樂源與音響間加延時電路,調節參數,使音樂與水柱的變化同步。
                   音樂元素提前預處理一般使用在工控機等數字處理能力非常強的控制系統中,使用單片機一般實現不了這個預處理目標。因此采用延時電路[6]把音樂延時播放,選擇方案二。

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