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。
