基于51单片机AT89C51的小型音乐喷泉控制系统设计 |
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【ChatGPT】前些天发现了一个巨牛的人工智能学习电子书,通俗易懂,风趣幽默,无广告,忍不住分享一下给大家。(点击查看学习资料) wx供重浩:创享日记 对话框发送:单片机小喷泉 获取完整无水印论文报告(内含电路原理图和程序) 根据目前音乐喷泉的发展现状,介绍了一个以AT89C51单片机为核心的小型音乐喷泉控制系统。给出了一个简洁的单片机控制电路,分析了输出地址,描述了不同类型的输出电路和输入电路;介绍了从特定构造的喷池中获得决定喷池动作的喷池数据的原理;给出了主程序框图和看门狗子程序。采用程序控制来控制花型。音频信号还影响灯光色彩和灯光光线明暗的变化。从而使灯光色彩、灯光的闪烁和喷泉水姿随音乐节奏而变化。 (详见下载) 第2章 音乐喷泉控制系统硬件设计2.1 控制系统硬件总体设计方案 该音乐喷泉控制系统的总体结构如图2.1所示,由音乐输入系统、数模转换系统、单片机控制系统和输出控制系统等组成。 前面已经介绍过,本文的研究针对的是采用外部音源的喷泉系统,因此在对音乐信号进行特征识别前首先要完成对模拟音乐信号的采集。音乐信号的采集主要包括音频放大和 A/D 转换两个过程,下面分别进行分析。 2.2.1 音频放大电路的设计 外部音源信号的幅度一般较弱,因此必须要对原信号进行放大处理后才能送入A/D 转换器。本文选择了 LM386 芯片设计音频放大电路。LM386 是美国国家半导体公司(NS)推出的系列功率放大集成电路的一种,LM386 具有功耗低、工作电压范围宽、所需外围元件少等特点,在电子设备的音频放大电路设计中应用非常广泛,它使用了 10 只晶体管构成了输入级、电压增益和电流驱动级。其中 T1~T6 组成 PNP 型复合差分放大器,T5、T6 为镜像恒流源,作为 T3、T4 的有源负载,使输入级有稳定的增益。电压增益级由接成共发射极状态的 T7 承担,其负载也使用了恒流源,整个集成功放的开环增益主要由该级决定。T8、T9 复合为一个 PNP 管,和 T10 共同组成互补对称射极输出电路,以供给负载以足够的电流。D1、D2 提供了 T8、T9、T10 所需的偏置,使末级偏置在甲乙类状态。R5~R7 构成内部反馈环路。从图 3.2.1 可以看出,LM386 采用双列 8 脚封装结构,它的工作电压范围为 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 0.2%。 2.3 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AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个低功耗,高性能的51内核的CMOS 8位单片机,片内含8K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器,具有256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个I/O口,1个看门狗定时器,3个16位可编程定时器,具有ISP功能,能够满足设计要求。使用简单且价格非常低廉。故系统的主控制器采用此方案。 单片机有四个数据输出端口,P0口、P1口、P2口、P3口。由于P3口还有许多特殊功能,如读写控制、串行通信、外部中断等功能,所以P3口不用作数据输入输出端口。P0口具有很强的带负载的能力,除了用作地址总线低八位以外,还兼作访问外接扩展程序内存时数据总线以及与A/D转换器ADC0809L连接的资料线。P1口、P2口带负载能力相对比教弱,而P2口需要用作访问外接内存的高八位地址线,因此P2口也不作为数据输入输出口,剩下的P1口作为资料输出口。 2.3.2 时钟电路的设计 AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器,如图2—13所示: 2.4.1 ADC0809与单片机89C51的连接 ADC0809的时钟信号来自单片机89C51的ALE信号,89C51采用12MHz时钟频率,ALE为2MHz,经四分频后为500KHz作为ADC0809的时钟频率。用P2.7控制A/D转换的启动与转换结束后数字量的读取。ADC0809的地址锁存允许管脚(ALE)H和启动管脚(START)相连。由P2.7和WR信号经或非门提供的信号使P0.2—P0.0提供的3位通道地址送入ADC0809进行锁存,用以选取通道号。转换结束信号EOC作为查询信号。具体接口电路如图2-4所示。 2.6灯光硬件方案设计(详见下载) 2.7解决系统时间滞后硬件电路设计 由于单片机采集数据并处理需要一定的时间,加上电机响应和水柱显示也需要一定的时间。电机由一种转速到另一种转速的响应时间可以查电机参数得到,电动机的响应时间为0.04S,单片机采集处理数据程序约为100句,约为0.6ms,水柱的显示延时可以通过水闸效应计算出来,经计算总延时约为0.2S。提出两种解决方案。 方案一:采用预处理,即把要控制的音乐元素提前编辑好,提前控制。 方案二:采用把音乐延时播放,即在音乐源与音响间加延时电路,调节参数,使音乐与水柱的变化同步。 音乐元素提前预处理一般使用在工控机等数字处理能力非常强的控制系统中,使用单片机一般实现不了这个预处理目标。因此采用延时电路[6]把音乐延时播放,选择方案二。 第3章 喷泉控制系统软件设计程序采用模块化结构,所有用到的常数或数组都用EQU或DATA或DB伪指令定义与命名,以使程序易于修改、调试和升级。本系统将TO溢出中断用于软件看门狗。 3.1喷池数据 喷池数据是用以对喷池内的水泵、电磁阀和彩灯等进行开与关控制的数据。一组可循环使用的这种数据,就决定了喷泉和彩灯的一个特定的变化形态。这组喷池数据可称为花样数据。对一个特定构造的喷池,这种花样数据可编写出很多。下面以图3.1为例说明花样数据的编排方法。假设希望外圈喷头每隔一定时间顺次增喷2个喷头,且从2个经4步顺时针增至8个后,再顺次以同样的方向同样的速度每次减喷2个喷头,即从8个喷头经4步减至0。以后不断按上述规律循环变化。在这期间,里圈和中心喷头一直不喷。在不考虑其它控制的情况下,图4.1喷池只需2个输出寄存器,其各位控制喷头定义如下: 若该花样数据定义为HYSJ01则数据定义如下:(详见下载) 每次将花样数据输出时都是顺次取一列输出的,且可循环取用。显然这样的花样数据可以编不少,还可将两个以上的数据搭配起来,组成新的更复杂一些的花样数据。 3.2主程序框图 程序重新设置后,进入0000H开始的主程序,其流程图如图3.2所示。可以看出:P1.4上的开关K决定是否测试输出通道;乐曲是否演奏决定了喷池是否有动作,即P1.5的电平;拔码开关的设定值决定了延时多少倍的0.1秒时间,即喷池动作改变的时间间隔:奏曲每停一次(大多数乐曲奏曲中间不会停),下次再奏曲就换一组花样数据,若用完了最后一组,以后就从头再取。也就是多个乐曲依次轮流循环使用编制好的喷池花样数据。 3.7看门狗子程序(详见下载) 3.8实验仿真 仿真是利用计算机对实际额屋里模型或数学模型进行试验(虚拟仪器的虚拟实验),通过这样的模型试验来随一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。 近年来计算机仿真技术取得了快速的发展,同时推动了单片机仿真技术的进步。目前,用于单片机仿真的工具很多,有些主要用于软件仿真,侧重于算法的验证;有些用于硬件仿真的工具对CPU的仿真能力有限,至于对CPU外围的硬件仿真更是无能为力。Proteus在单片机CPU和外围器件方面表现出卓越的仿真能力使其成为目前最好的仿真工具之一。 Proteus的显著特点如下: (1)全部满足单片机软件仿真系统的标准,并在同类产品中有明显优势; (2)具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及外围电路组成的系统仿真的功能; (3)目前支持的单片机类型有:68000系列、51系列、AAVR系列等; (4)支持大量的存储器和外围设备。 由于实验室条件原因本设计仿真部分不能在实验室完成,因此仅在此将使用Proteus来实现本设计仿真的步骤进行描述如下: 第一步:打开Proteus 6 Professional绘图界面。 第二步:添加所需元件并连接电路图。本设计所需元件有:AT89C51、LED灯、水泵、电磁阀、扬声器等。 第三步:添加仿真文件。 第四步:单击开始图标,开始仿真。此时喷泉开始运行,根据运行状态进行源代码的调试。 (附录及其它详见下载) |
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