课程设计任务书

**喷泉水柱绚丽多姿，水柱随着**而跳动，给人以视听的双重享受，**喷泉的控制系统很多。使用单片机控制系统简单而且成本较低，易于推广使用，是**喷泉发展的一个方向。

本课程设计是基于单片机的**喷泉控制在软硬件方面的设计，着重于在软件方面的设计。利用c51单片机植入软件控制系统对**喷泉进行控制。

关键词**喷泉；单片机；软件控制。

目录。1.**喷泉的发展 1

1.1**喷泉的分类 1

1.2单片机的发展 2

2.系统工作原理 3

2.1单片机的特点 3

3.设计思路 4

3.1**基础 4

3.2音频脉冲和**节拍的实现 5

3.2.1**脉冲的产生 5

3.2.2**节拍的产生 6

3.2.3喷泉的产生 6

4.软件设计 6

4.1程序流程 6

4.2软件编程程序 7

5.调试 12

6.心得体会 12

参考文献 14

目前喷泉可分为四种类型：一是普通喷泉；二是程控喷泉；三是**喷泉；四是水幕激光电影。

普通喷泉这种喷泉只有简单的几种固定水型及灯光，电源打开后同时喷水及亮灯，没有水型和灯光的变化，一般为早期产品或只用于装饰性喷泉时使用。其特点是制造简单，造价低。

程控喷泉程控喷泉是将各种水型及灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出控制信号，使水型及灯光有各种各样变化。

**喷泉**表演喷泉是在程序控制喷泉的基础上加人了**控制系统，计算机通过音频及midi信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到**喷泉的控制系统，使喷泉的造型及灯光的变化与**保持同步，从而达到喷泉的水型、灯光及色彩的变化与**情绪的完美结合，使喷泉表演更加生动，更加富有内涵。

水幕激光电影、水幕激光表演系统是将激光器发出的激光束射在水幕喷头喷出的水膜上，激光束由激光控制系统编程控制，可发出多种多样的图画自及色彩，照射在晶莹透明的水膜上，形成斑斓夺目的奇异效果。

**喷泉的形成主要是根据**的节奏来改变水泵的压力，水泵压力一旦有了变化，喷岀水的高低就有了变化，从而产生所看到的**喷泉的效果。所以**喷泉的关键所在也就是对水泵的控制。

单片机自70年代出现以来，已经有了很大的发展，被广泛应用于机械、测量控制、工业自动化、智能接口和智能仪表等许多领域。例如：单片机与传统的机械产品相结合后简化产品结构，实现控制智能化，成为新一代的机、电一体化产品；利用单片机来构成各种工业控制系统、数据采集系统等；在大型工业测控系统中，单片机进行接口的控制与管理，与计算机主机并行工作，可以大大提高系统运行速度。

mcs-51单片机是intel公司推出的世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体，它的eeprom电可擦除技术、闪速存储器技术和质量、高可靠性的生产技术。在cmos器件生产领域中，intel的先进设计水平、优秀的生产工艺及封装技术一直处于世界的领先地位，这些技术用于单片机生产使单片机也具有优秀的品质、在结构、性能和功能等方面都有明显的优势。intel公司的单片机是目前世界上一种独具特色而性能卓越的单片机。

它在计算机外部设备、通讯设备、自动化工业控制、宇航设备、仪器仪表和各消费类产品中都有着广泛的应用前景。

at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperom—falsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。at89c2051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at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c51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。

系统工作原理为从电脑声卡中采集出来的**信号一路由音响设备直接**，一路经过信号采集电路被放大、整流、滤波后输出0－5v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**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**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。

图1 系统框图。

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把**处理器（cpu）、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、输入/输出端口（i/o）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。只需要外加电源和晶振就可实现对数字信息的处理和控制。

除了以上基本功能外，单片机还集成有a/d、d/a转换功能。单片机具有体积小、功能强、应用面广、**低廉等许多优点。

单片机的硬件特性：

1. 单片机集成度高。单片机包括cpu、4kb容量的rom（8031无b容量的ram、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串行口；

2. 系统结构简单，使用方便，实现了模块化；

3. 单片机可靠性高，可工作到106～107小时无故障；

4. 处理功能强、速度快，即使执行最长指令，只需4s（晶振12mhz）；

5. 可靠性较商用品高，**较军用品便宜，属于工业品，温度范围为-40oc～+85 oc。

设计之前首先要对**知识有几本了解，其次要明白单片机是如何产生**脉冲和如何控制喷泉的，最后完成硬件原理图和相关程序设计。在这里只进行分析程序设计部分。

物体振动产生声波，作用于人耳，再由听觉系统传给大脑，进而产生听觉。人耳能听到音频大约在11~20000hz，而**中使用的音一般在27~4100hz。

乐音体系中各音级的名称叫音名，就是我们认识的do re mi fa so la si，这是最基本的7个音，其它高、低音的音名都是在这个基础上变化出来的。

在乐谱上用来表示正在进行的音的长短的符号，叫音符。不同音符代表不同的长度。音符分为以下几种：全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符、三十二分音符、六十四分音符。

此外，还有附点音符，它就是指带附点的音符，也就是右边的小圆点，它表示增加前面音符时值的一半。音符时值用节拍表示，休止符表示暂停发音。

音符长短时值一般用拍数表示，音符与节拍之间的对应关系如下表：

图2 音符节拍对应表。

**是由不同**脉冲和**节拍配合产生的，因此设计之前，首先要对他们进行了解。

**的产生需要不同频率的音频脉冲，在这里可以用单片机的定时/计数器产生这样的方波频率信号。只要知道某一音频的频率就可以知道它的周期，由周期除以2，得到半个周期的时间，利用定时/计数器计时这半个周期，计时到后就将输出脉冲的i/o反向，就可以在i/o端口上得到此脉冲。

在本设计中，单片机工作在12mhz时钟频率下，其时钟周期为1us，因此可以利用89c51的内部定时/计时器t0，使其工作于方式1，工作在计数器状态下，改变计数初值th0和tl0以产生不同频率的脉冲信号。

例如，低1do的频率为262hz，其周期为t=3517us，因此，只需要用计数器计时1908/1=1908，在计时满后采用一个中断指令将i/o反向，就可以得到低1do。

c调各音符频率与计数值t的对应关系如下：

图3 频率t值对应表。

节拍是**持续的长短，在单片机中可以通过延时来实现。

如果1/4节拍的延时为0.2秒，则1拍的时间为0.8秒，依次类推，可以求出其余节拍的值，

在这里用一灯柱来代替喷泉，随着**节奏高低的变化灯柱也跟着高低变化，类似一个喷泉，而灯柱则由8个led灯依次排列而成。用i/o端口（这里取p0口）连接8个led灯，而灯柱信号则通过i/o端口发送给8个led灯。

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