【正文】 660mW，最大電壓增益 46dB，增益帶寬 300kHz，諧波失真 %。 在 LM386 上，提供了兩種典型放大電路的設(shè)計(jì)方案。一種是在 LM386 的 1 腳和 8 腳之間不接其他元件，此時(shí)放大電路的增益僅由內(nèi)部電阻 R5 R7 決定，為 20 倍數(shù)（ 26dB），這種方式外部電路元件最少，也最為經(jīng)濟(jì)。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(huán)增益。音樂信號的放大采集如圖 22 所示。外部音源（聲卡、 CD 機(jī)等）的模擬音樂信號分左、右聲道分別進(jìn)入放大電路，經(jīng)過信號放大后，得到幅值放大后的音頻信號。從圖 23可以看出放大電路的具體設(shè)計(jì)。在 LM386 的 1 腳和 8 腳之間串接一個(gè) 10 微法的電容 C4，使內(nèi)部電阻 R6 被交流旁路，放大電路的增益能達(dá)到最大值， 200 倍數(shù)（ 46dB）。再對音頻放大電路的外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路中電容 C C6 作為隔直電容，電位器 P1 用于調(diào)節(jié)音量的大小，元件 R C5 有助于旁路高頻噪音和改善輸出的音質(zhì)。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(jīng)過放大電路的音頻信號就送 入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，這里 A/D 轉(zhuǎn)換器要設(shè)置為雙極性，即能接收負(fù)信 號。 圖 22 LM386 封裝形式及引腳定義 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 4 圖 23 音樂信號放大采集 采樣定理 采樣是指用一較高頻率的開關(guān)脈沖對模擬信號進(jìn)行取樣，取出脈沖到來時(shí)刻 所對應(yīng)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(shí)間上連續(xù)的信號，也就是在時(shí)間上將模擬信號離散化。 如圖 23所示，在對音樂信號進(jìn)行放大處理后，就要通過 A/D 轉(zhuǎn)換將模擬信號采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，這就是音樂信號的采樣。我們在對一個(gè)連續(xù)的音樂信號進(jìn)行采樣時(shí)，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(xiàn)原來的模擬信號， 在采樣時(shí)應(yīng)當(dāng)使采樣頻率滿足采樣定理的要求。采樣定理的描為“淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 對一個(gè)模擬信號進(jìn)行離散化時(shí)，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(fù)出原始模擬信號” ，這里的 fm 稱為香農(nóng)頻率，這個(gè)采樣定理又稱為香農(nóng)采樣定理。實(shí)際應(yīng)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(nèi)，就要將 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣頻率選定為 10kHz，才能滿足香農(nóng)采樣定理的要求。 單片機(jī)電路 單片機(jī)要采集音樂信號，并據(jù)此調(diào)節(jié) I/O 口的輸出來控制水泵和彩燈。主芯片選用 AT89S51 單片機(jī)。 AT89S51 單片機(jī)是一個(gè)低功耗，高性能的 51 內(nèi)核的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8K 空間的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀存儲器，具有256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個(gè) I/O 口， 1 個(gè)看門狗定時(shí)器， 3個(gè) 16 位可編程定時(shí)器，具有 ISP 功能，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。使用簡單且價(jià)格非常低廉。故系統(tǒng)的主控制器采用此方案。 單片機(jī)的概述 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存取器（ RAM） ,器件采用 ATMEL 公司的 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲AT89S51 圖 24 AT89S51 芯片 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和Flash 存儲單元。 AT89S51 提供一下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)雙全工串行通信口，片內(nèi)震蕩器 及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89S51 可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 單片機(jī)有四個(gè)數(shù)據(jù)輸出端口， P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口。由于 P3口還有許多特殊功能，如讀寫控制、串行通信、外部中斷等功能，所以 P3 口不用作數(shù)據(jù)輸入輸出端口。 P0 口具有很強(qiáng)的帶負(fù)載的能力，除了用作地址總線低八位以外，還兼作訪問外接擴(kuò)展程序內(nèi)存時(shí)數(shù)據(jù)總線以及與 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809L 連接的資料線。 P1 口、 P2 口帶負(fù)載能力相對比教弱，而 P2 口需要用作訪問外接內(nèi)存的高八位地址線，因此 P2口也不作為數(shù)據(jù)輸入輸出口，剩下的 P1 口作為資料輸出口。 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) AT89S51 芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2 兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖 25 所示： 圖 25自激振蕩器 AT89S51 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 AD 轉(zhuǎn)換電路 輸入的電壓為交流模擬量 ，不能直接送入單片機(jī)進(jìn)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(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá) 256 級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0 5V 之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32? s，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性強(qiáng)。獨(dú) 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(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。串行通信節(jié)約單片機(jī) I/O 資源。 ADC0809 各引腳功能： ADC0809 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(zhuǎn)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(dāng)ALE 線為高電平時(shí)， ADDA、 ADDB 和 ADDC 三條地址線上的地址信號得以鎖存，經(jīng)譯碼后控制 8 路模擬開關(guān)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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 （ 3）數(shù)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(yīng)大于 100ns，上升沿清零 SAR，下降沿啟動 ADC工作。 EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上的高電平表示 A/D 轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。 OE 為“輸出允許”線。 （ 4）電源線及其他（ 5條） CLOCK 為時(shí)鐘輸入線，用于為 ADC0809 提供逐次比較所需的時(shí)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(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。 VREF(+)常與 VCC 相連VREF()常接地或負(fù)電源電壓。 與單片機(jī) AT89S51 的連接 ADC0809 的時(shí)鐘信號來自單片機(jī) AT89S51 的 ALE 信號， AT89S51 采用 12MHz時(shí)鐘頻率， ALE 為 2MHz，經(jīng)四分頻后為 500KHz 作為 ADC0809 的時(shí)鐘頻率。用 控制 A/D 轉(zhuǎn)換的啟動與轉(zhuǎn)換結(jié)束后數(shù)字量的讀取。 ADC0809 的地址鎖存允許管腳第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 （ ALE） H和啟動 管腳（ START）相連。由 P27和 WR 信號經(jīng)或非門提供的信號使— 提供的 3 位通道地址送入 ADC0809 進(jìn)行鎖存，用以選取通道號。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 EOC 作為查詢信號。具體接口電路如圖 26 所示 圖 26 ADC0809 輸入電路 在這里，輸入電路是指能對樂曲啟停、樂曲節(jié)奏和聲音強(qiáng)弱等進(jìn)行檢測并將檢到的信號以電平、脈沖或數(shù)字形式送至單片機(jī)的電路。為說明簡單計(jì)，這里僅介紹能反映樂曲啟停的奏曲信號電路。因?yàn)橛辛怂?，音樂已不再僅 是背景音樂，音樂已用來控制整個(gè)噴池的動作與否，因而已達(dá)到了音樂噴泉的最基本要求。 奏曲信號電路的框圖如圖 27所示。左右兩路立體聲信號經(jīng)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(qiáng)度媳信號輸出。整流濾波電路用以將信號轉(zhuǎn)為單向信號。電壓比較器用以將大于基準(zhǔn)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(diào)整基準(zhǔn)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(jīng) R3送至光耦 4N35 在單片機(jī) P1． 5引腳產(chǎn)生一低電平信號。第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 圖 27奏曲信號電路框圖 潛水泵調(diào)速硬件 方案設(shè)計(jì) 方案一：采用變頻器，調(diào)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(diǎn)價(jià)格偏貴。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路，這樣會增加電路復(fù)雜性，控制精度偏低，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格偏低。本系統(tǒng)成本問題必須考慮，控制精度要求不是很高，步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電路就可以滿足要求。 本系統(tǒng)采用可控硅調(diào)相的方法控制噴泉水泵的轉(zhuǎn)速。電路如圖 28 所示，由單片機(jī)的 I/O 口輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)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?yōu)?100Hz 脈動的直流，由單片機(jī) 依據(jù)音樂采樣結(jié)果輸出矩形波，通過光耦控制可控硅的通斷，以達(dá)到調(diào)相的目的。 圖 28電機(jī)電路圖 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 采用這種方法關(guān)鍵要保證矩形波與 100Hz 脈動直流保持同相，由 AD采樣的結(jié)果決定 100Hz 脈動直流的每一個(gè)周期有多長時(shí)間是導(dǎo)通的。所以將 100Hz 脈動直流分壓后作為單片機(jī)內(nèi)部比較器的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端接一個(gè)由 5V 分來的固定電壓。當(dāng)比較器的輸出結(jié)果發(fā)生變化時(shí)，由定時(shí)器定一段時(shí)間，這樣就找到了每個(gè)周期的起點(diǎn)，然后再根據(jù) AD 采樣決定 不等的延時(shí)來輸出矩形波導(dǎo)通可控硅。 AD 采樣結(jié)果大，每個(gè)周期的延時(shí)短，可控硅導(dǎo)通的時(shí)間長，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速快，反之亦然。 燈光硬件方案設(shè)計(jì) 方案一：使用大功率，不同顏色的發(fā)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(chǎn)品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，色彩鮮艷，并進(jìn)一步改進(jìn)了其密封、防護(hù)和接線方式，廣泛適合于 各種 噴泉 。 本次設(shè)計(jì)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(gè)，閃光 彩 燈采 用不同顏色的發(fā)光二極管。 圖 29 彩燈的連接 第 2 章 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 解決系統(tǒng)時(shí)間滯后硬件電路設(shè)計(jì) 由于單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并處理需要一定的時(shí)間，加上電機(jī)響應(yīng)和水柱顯示也需要一定的時(shí)間。電機(jī)由一種轉(zhuǎn)速到另一種轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間可以查電機(jī)參數(shù)得到，電動機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為 ，單片機(jī)采集處理數(shù)據(jù)程序約為 100 句，約為 ，水柱的顯示延時(shí)可以通過水閘效應(yīng)計(jì)算出來，經(jīng)計(jì)算總延時(shí)約為 。提出兩種解決方案。 方案一：采用預(yù)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(shí)播放，即在音樂 源與音響間加延時(shí)電路，調(diào)節(jié)參數(shù)，使音樂與水柱的變化同步。 音樂元素提前預(yù)處理一般使用在工控機(jī)等數(shù)字處理能力非常強(qiáng)的控制系統(tǒng)中，使用單片機(jī)一般實(shí)現(xiàn)不了這個(gè)預(yù)處理目標(biāo)。因此采用延時(shí)電路把音樂延時(shí)播放，選擇方案二 ?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論 文 12 第 3 章 噴泉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有用到的常數(shù)或數(shù)組都用 EQU 或 DATA 或 DB 偽指令