单片机控制音乐喷泉毕业设计.doc

苏州工业园区职业技术学院大学生实践创新训练项目年 月 日项目报告项目来源：江苏省苏州工业园区职业技术学院学期项目项目 项目名称： 单片机控制音乐喷泉 立项时间： 2010年 所属系部： 机电系 主持人 ： 薛飞 项目成员： 薛飞 指导教师： 目 录项目计划进度表4学期项目小组任务分工表5第一章 绪论1.1 项目背景61.2 单片机的概述71.3 变频器工作原理91.4 项目的主要任务与内容101.5 项目的组织10第二章 系统概述及方案论证2.1 系统概述112.2 控制系统方案选择及论证13第三章 系统硬件部分3.1 控制系统的组成部分193.2 系统的控制过程193.3 单片机的选型203.4变频器的选型及参数设置263.5 潜水泵与灯组参数283.6 单片机的外部硬件连接图293.7 控制系统主电路图30第四章 系统软件部分4.1控制系统基本流程图314.2 本次设计所用指令介绍344.3 控制系统梯形图的编制35结论37参考文献38致谢39项目计划进度表序号日 期主要工作任务完成情况1确定选题、制定项目实施计划及分工。2方案构思、方案选择3设计（硬件部分、软件部分）4实施与运行、项目报告制作5汇报答辩67学期项目小组任务分工表指导教师： 张君艳 电话： E-mail： 小组成员： 薛 飞 联系电话/E-mail： 15106219279/39444556 项目分工表：序号负责人主要工作任务完成日期完成情况1薛飞整体思路设计，资料收集，选取材料2薛飞Word和PPT的制作，内容修改3薛飞单片机部分设计与规划4薛飞机械部分设计567第章 绪论当今喷泉工程和高新技术的结合使喷泉效果更加绚丽多彩、婀娜多姿，令人赏心悦目、流连忘返。当变频控制技术引入音乐喷泉控制系统，可以使水柱随着音乐快慢变化，仿佛是在随着音乐翩翩起舞，引人入胜。本文通过设计一个实用型广场音乐喷泉的单片机控制系统，介绍单片机在音乐喷泉控制控制系统中的应用。通过这一设计过程，进一步熟悉单片机控制系统的设计步骤和方法，培养理论联系实际及知识的综合运用能力。本章对这一课题的设计背景及控制系统中单片机、电路的基本知识进行简单的介绍。1.1项目的背景起初的音乐喷泉控制系统就是利用音乐的主要音素(频率、振幅、音色和节拍)控制喷水的花型组合变化、水柱高低、远近变化和灯光色彩组合，其原理是将声音信号转变为电信号，经过放大及其它一些处理推动继电器或电子开关，再去控制设在水路上的电磁阀的启闭，从而达到控制喷头水路的通断。音乐喷泉是现代科技与艺术的综合，利用喷泉来表现音乐的美感，令人赏心悦目。目前，有许多采用各式各样的控制系统来实现的音乐喷泉， 取得了良好的效果。但纵观这些音控产品，有的利用音乐的时域变化来控制喷泉，有的将音乐分成几个频段来控制喷泉的花型， 且多采用低频、中频和高频三个频段来控制。缺点是都没有在频域上很好地展现音乐，因此不能很好地体现音乐的内涵。本项目针对这些问题，提出了一种新的方法来控制喷泉的变化，利用89C51单片机通过A/D模块对音频信号进行采集，然后通过控制步进电机来来控制电磁阀，利用各式喷头的喷射、摇摆、旋转来实现喷泉水柱高低、摇摆幅度、旋转速度来实时地展现音乐的频谱。1.2 系统功能及原理目前音乐喷泉的控制主要有单片机、P C 机、工业控制计算机及P L C 可编程控制器等多种方式， 本音乐喷泉控制系统采用M C S 一5 1 型单片机8 9 C 5 1 为C P U ， 图1 为工作原理框图音乐喷泉的设计关键是使水姿、灯光与音乐旋律、节奏完美组合， 利用喷泉体现出音乐的内涵， 体现不同乐曲的特点， 这是该类设计中的难点。简单的音乐控制水柱高低很难做到这一点， 另外水柱变化相对音乐的滞后也是大问题。本系统的设计思想是首先对音乐进行采样， 然后通过步进电机控制电磁阀， 实现喷头流量的控制。1.2.1 单片机的发展概况89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFLASH Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 1主要特性： ·与MCS-51 兼容 ·4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 ·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路 2管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 5.结构特点：8位CPU；片内振荡器和时钟电路；32根I/O线；外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；2个16位的定时器/计数器；5个中断源，两个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器；1.4 项目的主要任务与内容本报告是本人的毕业项目报告，需要我结合所学知识，以单片机为基础，对音乐喷泉自动控制系统进行自动化控制。主要任务是在自我学习、向人学习的前提下，深入地了解电气控制系统各方面的知识，熟练地掌握单片机控制技术各方面的理论知识及其应用，逐渐提高对电气控制系统进行设计的实际工作能力，懂得运用所学的理论知识与实际情况相结合。同时，通过学习各方面的知识，不断地提升自己，通过实际应用，逐渐地提高自己的动脑能力和动手能力以及处事能力。本报告在具体分析基于单片机控制的广场音乐喷泉控制系统设计，对该控制系统进行了具体的研究和设计。同时，对单片机在工业应用中的一些问题也进行了一定的讨论。1.5 项目的组织项目共分为5章：第1章对论文背景进行了综述，着重介绍了单片机的有关基础知识；第2章对音乐喷泉控制系统的要求、目的、任务、内容、工作过程以及控制器的选择进行了系统概述，并针对设计所需要的方案进行了选择论证；第3章主要分析了系统的组成部分以及各部分器件的工作原理，对音乐喷泉控制系统的各种元件的选择和参数确定等控制系统的硬件配置；第4章根据控制系统流程图进行软件设计；第5章为系统调试。第2章 系统概述及方案论证本章主要介绍音乐喷泉单片机控制系统的基本要求，以及设计音乐喷泉单片机控制系统的目的和任务，并对完成此系统设计的方案进行选择及论证等相关内容。通过分析该控制系统的各部分的功能要求，以达到音乐喷泉单片机控制系统的最优实现方法。2.1 系统概述音乐喷泉作为一种人造环境工程项目，将音乐的美和喷泉有机的结合在一起，给人以赏心悦目的感受。目前，采用不同控制器来实现音乐喷泉的方法越来越多，究竟怎么样实现才能达到最优的控制以及给人最美的观赏效果，本设计从诸多方面来分析、探讨此问题的解决方案。2.1.1 音乐喷泉控制系统的要求在诸多音乐喷泉控制系统中，不管是采用继电器控制或电磁阀对音乐喷泉进行控制（开关及喷泉扬程控制），由于不能对电动机或其他控制阀进行调速，所以这些方式都存在反应速度慢的弱点。因此，本设计的重点在于音乐与喷泉的同步实时性，在控制系统中采用了变频调速，通过变频器来控制电动机，从而达到快速反应的目的，所以下面所介绍的是本设计对音乐喷泉控制系统所需要达到的要求、效果。顾名思义，音乐喷泉就是要求在音乐的伴随下喷泉的高度、灯光的强度、色彩以及喷泉的造型随音乐的音量而变化，通过对各种不同的音乐进行选择播放，以及对不同音频信号的采集、转化等处理后，利用编制程序来实现对音乐喷泉的实时控制。2.1.2 控制系统目的及任务本设计控制系统为广场音乐喷泉控制系统，该控制系统的目的及任务如下：1、分析系统的工作原理和工艺过程；2、熟悉对单片机的选型以及相关参数的选择；3、了解系统控制主电路：包括电源、各保护开关、电机及其外部电路的设计方法；4、掌握单片机的I/O地址分配以及单片机外部接线的方法；5、掌握软件系统的设计方法，绘出梯形图、列出指令表等。2.1.3 控制系统内容音乐喷泉控制系统内容包括乐曲播放、水型与乐曲同步、水型的程序演示、彩色灯光的程序演示、水型的节奏随动控制等。 1、乐曲播放音乐喷泉所播放的乐曲可以从电脑播放器播放，通过功率放大器，将所选歌曲分为两路输出，一路输出到音箱设备，另一路输出到A/D转换模块对音频信号进行采样。当操作员在乐曲数据库中确定了演示乐曲后，随后启动该驱动器，正确地播放选定的乐曲。2、水型与乐曲同步控制当乐曲开始播放，水型会同步演示。在上一首乐曲结束和下一首乐曲开始的间歇期间，水型也会保持同步停止和继续演示。此音乐喷泉控制系统能提供可调整的喷泉延时，使水型与乐曲达到同步的效果。3、水型的程序演示喷泉潜水泵电动机是受单片机内部的程序控制，每一首乐曲可从控制器中相应的找到对应的固定程序数据，并可以将其对应输出。4、彩色灯光的程序演示与水型的演示程序类似，彩色灯光也由单片机程序控制。通过利用喷泉水泵的控制程序，将灯光控制也采用其同样的方法，随喷泉的变化相应的水下彩色灯光也会变化、动作。5、水型的节奏随动控制对于不同的音乐，其水型的跳跃和摇摆是与乐曲的节奏同步的，表演出音乐喷泉的激情和活力。这种水型的跳跃和摇摆变化也是由A/D对其音频信号采集转换后通过对应的程序所表现出的。通过变频器对潜水泵实现加速、减速等控制，以达到对不同音乐信号的不同观赏感。2.1.4 控制系统的简要工作过程首先对音频信号进行分配，一路直接经功率放大器后输出到外部音箱设备；另一路则对音频信号进行采样和A/D 转换等预处理；其次，经过单片机对数字量音频信号（二进制）进行转换,将其音频信号转换成实数，再通过在单片机内部设定某种固定值或表格数据，与之相比较输出采样值的范围；最后，通过对变频器的高、中、低三个控制端进行开关量输入，即输入组合（001111），以达到调节变频器的7种频率段，并能很好的控制潜水泵的转速。当转速的快慢、音乐音频信号各频率对应声音信号的强度, 通过变频控制系统就可以将音频信号的变化用喷泉的水柱表现出来, 水柱的高低按线性比例反映音频信号的幅度。设每次对音频信号的采样时间为0.6s, 系统总的结构组成将在第三章进行详细的阐述。2.2 控制系统方案选择及论证通过对本课题控制系统各方面知识的收集、整理和不断地深入学习理解，以及对课题控制系统充分地介绍说明的基础上，根据课题设计要求及目前广场音乐喷泉在人们日常生活当中应用的实际情况，对该系统采用继电器、单片机以及PLC作为控制系统主要控制器件的优缺点进行了比较，并进行方案选择论证。2.2.1 方案分析广场音乐喷泉的控制系统，要求具备如下功能：1、 广场乐曲播放；2、 水型与乐曲同步；3、 水型的演示的控制；4、 彩色灯光的控制；5、 强制停止功能。下面我们就如何能方便、简单地实现音乐喷泉的以上功能及经济角度等方面，将在音乐喷泉控制系统中常用的各种控制控制器或控制电路的优缺点进行简单地比较。方案一：继电器-接触器控制系统该系统与其他系统相比，结构比较简单，易于理解和掌握，其设计成本也相对较低。但从应用于该大型广场音乐喷泉系统中来看，该系统有以下几个缺点：1、接点易磨损，电接触不好；在一个喷泉系统中，需要用到的继电器、接触器的数量是相当大的，因此，在此控制系统中，如果有一个触点接触不良，整个系统就会瘫痪，而且要找出故障元件是很难的，维修也相当烦琐。2、接点闭合缓慢；接触器动作缓慢以及过度延时是该系统的缺点之一，因为该控制系统要求与音乐同步，并能实时的表现出音乐信号的变化。另外，控制系统的能量消耗大、维修保养工作量大等缺点，从而降低了其经济性。维修困难是该系统的致命的弱点，由于使用继电器控制，而继电器的使用寿命不长，需经常更换，而且在众多继电器中找故障非常困难。综上所述，由于该系统有诸多弊病，继电器-接触器系统仅仅应用于反应速度、精度、实时性要求不是很高的场合，随着科技的进步，该型控制系统已逐渐被淘汰。方案二：单片机控制系统单片机控制系统比继电器-接触器系统大大的降低成本。其优点有：可以做成专用的控制系统，程序被固化，保密性强，可靠性较高，操作简单，并且易于维护。在诸多小型音乐喷泉控制系统中，最适合的应是单片机作为控制核心。适合于一般城市小广场和普通住宅小区的小型音乐喷泉，由于其控制要求简单，使用单片机完全可以满足要求，而且因其成本低则更易于普及，是未来音乐喷泉的发展趋势。在大型广场音乐喷泉控制系统中，控制系统各方面性能都需要满足要求，就是在恶劣的工业环境条件下，该系统也能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。但是，如果利用单片机作为控制系统，其性能会受到相应的影响，不能很好的适应到极其恶劣的工业环境中去。另外，该系统带负载的能力不够强，在对负载要求不高、环境比较好的场合，单片机控制系统仍有较广泛的应用。不过，随着人们生活水平的逐渐提高，越来越多的大型音乐喷泉成为了人们观赏的焦点。而单片机技术的成熟与完善，能有很强的适应工业控制环境的能力，作为利用单片机作为音乐喷泉控制器的控制系统，已经渐渐超过了采用其它控制器来实现的音乐喷泉控制的控制系统。方案三：PLC控制系统经过数十年的发展，单片机技术已越来越成熟，应用的范围也越来越广泛，几乎渗透到了各行各业。而在很多的控制应用系统中，以单片机为核心的控制系统逐渐成为理想的控制系统，其主要特点主要有：1、硬件的可靠性单片机是为了在恶劣的工业环境条件下应用而设计的，一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中。在硬件设计方面，首先是选用优质器件，再就是采用合理的系统结构，加固，简化安装，使它易于抗振动冲击，对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施，而且在电路、结构及工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出电路中都采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，又提高了其抗干扰性能；各个I/O端口都除采用了常规模拟器滤波以外，还加上了数字滤波；内部采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了较合理的电路程序，一旦某模块出现故障，进行在线插拔、调试时不会影响其他各机的正常运行。由于单片机本身具有很高的可靠性，所以发生故障的部位大多集中在输入/输出的部件上，以及如传感器件、限位开关、光电开关、电磁电机等外围装置上，这样便易于检修和维护。2、编程简单，使用方便用微机实现自动控制，常使用汇编语言编程，难于掌握，要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识。单片机采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。例如，目前大多数单片机均采用的C语言编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及了大多数电气技术人员的编程习惯及应用微机的水平，很容易被电气技术人员所接受，易于编程，程序改变时也容易修改，很灵活方便。这种面向控制过程、面向问题的编程方式，与目前微机控制常用的汇编语言相比，虽然在单片机内部增加了指令集，增加了程序执行效率，对大多数的机电控制设备来说，大大提高了系统的反应速度。3、接线简单，通用性好单片机的接线只需将输入信号的设备（按钮、开关等）与单片机输入端连接，将接受输出信号执行控制任务的执行元件（接触器、电磁阀等）与单片机输出端连接。接线简单、工作最少，省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦。单片机的程序可编性提供了能随要求而改变的“接线网络”，这样生产线的自动化过程就能随意改变。这种性能使单片机具有很高的经济效益。用于连接现场设备的硬件接口实际上是单片机的组成部分，模块化的自诊断接口电路能指出故障，并易于排除故障与替换故障部件，这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用。4、可连接为控制网络系统单片机可连成功能很强的网络系统。网络可分为两类：一类是低速网络，采用主从方式通信，传输速率从几千波特到上万波特，传输距离为5002500m；另一类为高速网络，采用令牌传送方式通信，传输速率为1M10Mbps，传输距离为5001000m，网上结点可达1024个。这两类网络可以级连，网上可兼容不同类型的单片机和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络。5、易于安装，便于维护单片机安装简单而且功能强大，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方，在从继电器系统改换到单片机系统的情况下，单片机小的模块结构使之能安装在继电器附近，并将连向已有接线端，其改换很方便，只要将输入/输出设备连向接线端即可。在大型安装中，长距离输入/输出站点安放在最优地点。长距离站通过同轴电缆获双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由单片机制造商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。从一开始，单片机便以易维护作为设计目标。由于几乎所有器件都是固态的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，就能指示是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。单片机的这些及其他一些特性使之成为任何一个控制系统的有益部分。一旦安装后，其作用立即显现，其收益也马上实现，像其他智能设备一样,单片机的潜在优点还取决于应用时的创造性。2.2.2 方案论证对音乐喷泉的成败最重要的是看喷出的水流量是否有音乐感。单片机的主要功能是对音乐信号进行处理，再将处理后的信号传输到下一级控制设备，这样就可以控制所需的水型及灯光按照音乐的节奏高低起伏和动感变化，使音乐喷泉真正达到了水上芭蕾的艺术效果。单片机所具有的准确、精密、快速、稳定的特点和多点控制的功能已使它成为现代高技术音乐喷泉工程中不可缺少的设备。通过对上述方案分析可知，该系统从理论上讲，可以采用的控制器有：继电器-接触器控制；单片机控制；PLC控制等三种控制器。综上所述，对这三种不同形式的控制器的比较，在音乐喷泉的控制系统中，很显然单片机作为控制器的优势比较明显、突出。因此，在此次音乐喷泉控制系统中选用了单片机作为控制器的方案。2.2.3 对选定方案的分析1、可行性分析（1） 功能可行性分析：由于系统各主要部分所需要满足的功能步骤及要求大多是开关量信号，所以选择单片机是完全能够满足其功能要求的。（2）系统可靠性分析：系统主要靠单片机内部程序运行，从而达到实时性、准确性得到很大改善，使系统可靠性得到了进一步的保证。（3）系统扩展性分析：系统采用单片机作为控制器，其本身就具有极强的功能扩展性，加之单片机产品的完整性，使得系统功能扩展极其方便。（4）系统可维护性分析：系统采用先进控制方式，大大降低了工程成本，并由于系统组态及结构简单，这使得可维护性增强。2、技术性能（1）单片机选型：单片机的选择是否能让功能与任务相适应；单片机CPU的处理速度是否满足实时控制的要求；（2）扩展模块的选择：开关量输入模块工作电压的选择；开关量输出模块输出方式的选择；模拟量输入模块的模拟量值的输入范围考虑。从与其它喷泉控制系统对比中可以看出，本次设计的控制系统中主要控制器必须满足系统的可行性、可靠性、可扩展性、可维护性等要求。而综合上述方案论证，大型广场音乐喷泉采用单片机控制系统既能很好地满足其性能要求，并能很好的实现音乐喷泉的各种功能，又经济、安全、方便实用。本文就是基于以上所介绍的单片机的诸多优点而设计的。同时，在后续的设计中将综合考虑控制系统的技术性能。 第3章 系统硬件部分本章主要介绍广场音乐喷泉控制系统的基本组成部分、控制过程、各部分元器件的工作原理、PLC控制系统I/O点数的估算、元器件参数选择、PLC外部硬件接线图以及控制系统主电路图等内容。3.1 控制系统的组成部分硬件系统主要由单片机、A/D转换模块、变频器、水泵电机和灯光组成。通过单片机对外部音频信号的采样、转换来控制变频器和故态继电器的动作，从而达到控制系统的要求，并能够实现对音乐和喷泉的实时的完美结合。音乐喷泉控制系统硬件组成部分如图3.1所示。音频信号电路放大、整流、滤波变频器水泵电机喷泉控制系统继电器彩灯手动彩灯开关图3.1 音乐喷泉控制系统硬件结构图3.2 系统的控制过程系统工作原理为从电脑声卡中采集出来的音乐信号一路由音响设备直接播放，一路经过信号采集电路被放大、整流、滤波后输出05V直流电，再将直流电送入变频器的控制端。此时控制系统对音频信号进行处理，输出一个控制信号，来控制水泵的开关；变频器接收到信号后开始快速起动、并带动电机的转速随音乐频率的改变而改变，喷泉水柱的高度亦随之改变。系统实现了乐曲演奏、喷泉水柱控制、彩灯控制等功能。众所周知，物体振动产生声音，而振动的频率决定音调高低，因此使用单片机控制输出不同频率的信号，就可以产生不同的音调；利用单片机的计时系统可以控制各个音调的时间，即实现节拍的控制。音调和节拍按照乐谱排列就实现了乐曲演奏的功能。喷头及彩灯分别与相应输出点连接，通过程序实现每种音调都有对应的一组输出点开关状态组合，从而实现乐曲控制喷泉动作的功能。由普通音箱等发出的音频信号经整流滤波放大及控制系统对其幅值调整后，得到的调幅电压信号送给变频器的速度控制端以控制喷泉水泵电机的转速变化，从而使喷泉水泵喷水的高低随音乐节律的变化而不断变化。为实现多组喷泉和彩灯的交替运行的切换，系统可以按用户选择的程序模式输出时序开关信号去控制多路固体继电器，由固体继电器的接点控制水泵电机和彩灯的启动与停止。3.3 单片机的选型 音乐喷泉逻辑控制系统的控制核心是单片机，在建立一个单片机控制系统时，哪些信号需要输入至单片机，单片机需要驱动哪些负载,以及采用何种编程方式，都会影响到其内部I/O点数的分配，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。在确定控制系统各环节的相互关系之后，就可以进行分配输入输出设备。因此，I/O点数的确定，是设计整个单片机音乐喷泉控制系统首先需要解决的问题，它不仅决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编写的前提。在估算了单片机的输入输出点、内部辅助继电器、定时器、计数器之后，就可以对单片机进行选型，并进一步进行输入/输出量的确定。3.3.1单片机的引脚应用特性3.3.1.1 并行总线特点（1）P0口为地址/数据复用口。（2）两个独立的并行扩展空间。程序存储器使用PSEN取指控制信号，数据采用WR、RD存取控制信号。（3）外围扩展统一编址。在64KB的空间上，可扩展外部数据存储器或其他外围器件。3.3.1.2 引脚复用特性P3口、P1口、P2口均可用作普通I/O口。3.3.1.3 I/O的驱动特性由于采用CMOS电路，输入电流极微，通常不考虑I/O端口的扇出能力，当负载为LED、继电器等功率驱动元件时才考虑驱动能力。该单片机的内部结构主要由8个部件组成，即微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器、I/0口(P0口、Pl口、P2口、P3口)、串行口、定时器/计数器、中断系统和特殊寄存器(SFR)。其中，微处理器由运算器和控制逻辑组成，主要包括累加器(ACC)、B寄存器、临时存储器(TMPITMPZ)、算术运算单元ALU等。特殊功能寄存器SFR(Special Function Register)是用来对片内各功能单元进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是位于片内数据存储器上的一个特殊功能的RAM区，其地址范围为80HFFH。SFR主要包括PO口锁存器、PI口锁存器、P2口锁存器、P3口实现复位之后PC的值是0000H，因此，程序的入口地址为0000H，CPU从0000H开始执行操作。模式控制寄存器TMOD为00H，表示定时器/计数器都处于方式0工作状态，而TH0、TL0、TH1、TL1均为00H则表示定时器/计数器复位后都清零。P0、P1、P2和P3端口复位后锁存器都处于“1”状态。工作状态下，每当ALE是高电平的第一个时钟(S1P2、S4P2)，P2口被拉低而P0口为高阻态。实际进行芯片解剖时，可以根据寄存器复位状态下的特殊值来判断功能电路块。工作时，如果芯片的外部选通信号被拉为高电平，则首先访问内部数据存贮器。如果总是保持低电平，则只访问外部程序存贮器，也就是说，无论是否有内部程序存贮器，所有的程序取指都是直接指向外部ROM的。当执行外部程序存贮器内的程序时，每个机器周期内都是PSEN两次有效，ALE两次输出高电平，用于锁存地址的低位字节Error! Reference source not found.。我们在开始进行反向解剖时，没有设计使用芯片内部的FLASH，因此只选用访问外部程序存贮器方式。在这种状态下，得到的PSEN、ALE的频率是振荡器频率的1/6，PSEN信号波形占空比为1：1，而ALE信号波形占空比为1：2。每个机器周期中ALE信号的高电平为S1P2、S2PI、S4P2、S5P1，PSEN信号的高电平为S1P2、S2P1、S2P2、S4P2、SSP1、S5P5Error! Reference source not found.。总之，CPU在PSEN、ALE和外部数据存储器写选通信号WR读选通信号而的共同作用实现功能。 3.3.1.4 主要特性1. 与MCS-51 兼容2. 4K字节可编程闪烁存储器3. 寿命：1000写/擦循环4. 数据保留时间：10年5. 全静态工作：0Hz-24Hz6. 三级程序存储器锁定7. 128*8位内部RAM8. 32可编程I/O线9. 两个16位定时器/计数器10. 5个中断源11. 可编程串行通道12. 低功耗的闲置和掉电模式13. 片内振荡器和时钟电路 3.3.1.5 AT89C51单片机引脚功能分类基本引脚：电源VCC、VSS，时钟XTAL2、XTAL1和复位RST。并行扩展总线：数据总线P0口，地址总线P0口（低8位）、P2口（高8位）和控制总线ALE、PSEN、EA。串行通信总线：发送口TXD和接受口RXD。I/O端口：P1口为普通I/O口，P3口可复用作普通I/O口，P0、P2口不作并行口时也可作普通I/O口。3.3.1.6 AT89C51单片机管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出