【文章內(nèi)容簡介】 精密、快速、穩(wěn)定的特點和多點控制的功 能已使它成重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁，共 19 頁 為現(xiàn)代高技術(shù)音樂噴泉工程中不可缺少的設(shè)備。 通過對上述方案分析可知，該系統(tǒng)從理論上講，可以采用的控制器有：繼電器 接觸器控制；單片機控制； PLC 控制等三種控制器。 綜上所 述 ，對這三種不同形式的控制器的比較，在音樂噴泉的控制系統(tǒng)中，很顯然單片機 作為控制器的優(yōu)勢比較明顯、突出。因此，在此次音樂噴泉控制系統(tǒng)中選用了 單片機 作為控制器的方案。 對選定方案的分析 可行性分析 （ 1） 功能可行性分析： 由于系統(tǒng)各主要部分所需要滿足的功能步驟及要求大多是開關(guān)量信號，所以選擇 單片機 是完全能夠滿足其功能 要求的。 （ 2） 系統(tǒng)可靠性分析： 系統(tǒng)主要靠 單片機 內(nèi)部程序運行，從而達(dá)到實時性、準(zhǔn)確性得到很大改善，使系統(tǒng)可靠性得到了進(jìn)一步的保證。 （ 3） 系統(tǒng)擴展性分析： 系統(tǒng)采用 單片機 作為控制器，其本身就具有極強的功能擴展性，加之 單片機 產(chǎn)品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴展極其方便 。 （ 4） 系統(tǒng)可維護(hù)性分析： 系統(tǒng)采用先進(jìn)控制方式，大大降低了工程成本，并由于系統(tǒng)組態(tài)及結(jié)構(gòu)簡單，這使得可維護(hù)性增強。 技術(shù)性能 （ 1） 單片機 選型： 單片機 的選擇是否能讓功能與任務(wù)相適應(yīng)； 單片機 CPU的處理速度是否滿足實時控制的要求； （ 2） 擴展模塊的選 擇： 開 關(guān)量輸入模塊工作電壓的選擇；開關(guān)量輸出模塊輸出方式的選擇；模擬量輸入模塊的模擬量值的輸入范圍考慮。 從與其它噴泉控制系統(tǒng)對比中可以看出，本次設(shè)計的控制系統(tǒng)中主要控制器必須滿足系統(tǒng)的可行性、可靠性、可擴展性、可維護(hù)性等要求。而綜合上述方案論證，大型廣場音樂噴泉采用 單片機 控制系統(tǒng)既能很好地滿足其性能要求，并能很好的實現(xiàn)音樂噴泉的各種功能，又經(jīng)濟 、 安全、方便實用。本文就是基于以上所介紹的 單片機 的諸多優(yōu)點而設(shè)計的。同時，在后續(xù)的設(shè)計中 將綜合 考慮控制系統(tǒng)的技術(shù)性能。 重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁，共 19 頁 第 3 章 系統(tǒng)硬件 部分 本章主要介紹廣場音樂噴泉控制系統(tǒng)的基本組成部分、控制過程、各部分元器件的工作原理、 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點數(shù)的估算、元器件參數(shù)選擇、 PLC 外部硬件接線圖 以及控制系統(tǒng)主電路圖 等內(nèi)容 。 控制系統(tǒng)的組成部分 硬件系統(tǒng)主要由 單片機 、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、 水泵 電機 和燈光組成。通過 單片機 對外部音頻信號的采樣、轉(zhuǎn)換來控制變頻器和故態(tài)繼電器的動作，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)對音樂和噴泉的實時的完美結(jié)合。音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖 所示。 圖 音樂噴泉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 音頻信號 電路放大 、整 流、濾波 變頻器 水泵電機 噴泉 控制 系統(tǒng) 繼電器 彩燈 手動彩燈 開關(guān) 重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁，共 19 頁 系統(tǒng)的控制過程 系統(tǒng)工作原理為從電腦聲卡中采集出來的音樂信號一路由音響設(shè)備直接播放，一路經(jīng)過信號采集電路被放大、整流、濾波后輸出 0－ 5V直流電，再將直流電送入變頻器的控制端。此時控制系統(tǒng)對音頻信號進(jìn)行處理，輸出一個控制信號，來控制水泵的開關(guān)；變頻器接收到信號后開始快速起動、并帶動電機的轉(zhuǎn)速隨音樂頻率的改變而改變，噴泉水柱的高度亦隨之改變。 系統(tǒng)實現(xiàn)了樂曲演奏、噴泉水柱控制、彩燈控制等功能。眾所周知，物體振動產(chǎn)生聲音，而振動的頻率決定音調(diào)高低，因此使用單片機 控制輸出不同頻率的信號，就可以產(chǎn)生不同的音調(diào)；利用單片機的計時系統(tǒng)可以控制各個音調(diào)的時間，即實現(xiàn)節(jié)拍的控制。音調(diào)和節(jié)拍按照樂譜排列就實現(xiàn)了樂曲演奏的功能。噴頭及彩燈分別與相應(yīng)輸出點連接，通過程序?qū)崿F(xiàn)每種音調(diào)都有對應(yīng)的一組輸出點開關(guān)狀態(tài)組合，從而實現(xiàn)樂曲控制噴泉動作的功能。 由普通音箱等發(fā)出的音頻信號經(jīng)整流濾波放大及控制系統(tǒng)對其幅值調(diào)整后，得到的調(diào)幅電壓信號送給變頻器的速度控制端以控制噴泉水泵電機的轉(zhuǎn)速變化，從而使噴泉水泵噴水的高低隨音樂節(jié)律的變化而不斷變化。為實現(xiàn)多組噴泉和彩燈的交替運行的切換，系統(tǒng)可以按用 戶選擇的程序模式輸出時序開關(guān)信號去控制多路固體繼電器，由固體繼電器的接點控制水泵電機和彩燈的啟動與停止。 單片機 的選型 音樂噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是 單片機 ， 在建立一個 單片機 控制系統(tǒng)時， 哪些信號需要輸入至 單片機 ， 單片機 需要驅(qū)動哪些負(fù)載 ,以及采用何種編程方式，都會影響到其內(nèi)部 I/O點數(shù)的分配， 必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來，然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。在確定控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系之后，就可以進(jìn)行分配輸入輸出設(shè)備。 因此， I/O點數(shù)的確定，是設(shè)計整 個 單片機 音樂噴泉控制系統(tǒng)首先需要解決的問題，它不僅決定著系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，也是系統(tǒng)軟件編寫的前提。 在 估算 了 單片機 的輸入輸出點、內(nèi)部輔助繼電器、定時器、 計 數(shù)器之后，就可以 對 單片機 進(jìn)行選型，并進(jìn)一步進(jìn)行輸入 /輸出 量的確定 。 重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 10 頁，共 19 頁 的引腳應(yīng)用特性 并行總線特點 （ 1） P0口為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用口。 （ 2）兩個獨立的并行擴展空間。程序存儲器使用 PSEN 取指控制信號，數(shù)據(jù)采用 WR、RD存取控制信號。 （ 3）外圍擴展統(tǒng)一編址。在 64KB 的空間上，可擴展外部數(shù)據(jù)存儲器或其他外圍器件。 引腳復(fù)用特性 P3口、 P1 口、 P2口均可用作普通 I/O 口。 I/O的驅(qū)動特性 由于采用 CMOS 電路，輸入電流極微，通常不考慮 I/O 端口的扇出能力，當(dāng)負(fù)載為LED、繼電器等功率驅(qū)動元件時才考慮驅(qū)動能力。 該單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由 8個部件組成，即微處理器 (CPU)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、程序存儲器、 I/0 口 (P0 口、 Pl口、 P2 口、 P3口 )、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)和特殊寄存器 (SFR)。其中，微處理器由運算器和控制邏輯組成，主要包括累加器 (ACC)、B寄存器、臨時存儲器 (TMPITMPZ)、算術(shù)運算單元 ALU 等。 特殊功能寄存器 SFR(Special Function Register)是用來對片內(nèi)各功能單元進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器上的一個特殊功能的 RAM 區(qū)，其地址范圍為 80H~FFH。 SFR 主要包括 PO 口鎖存器、 PI 口鎖存器、 P2 口鎖存器、 P3 口實現(xiàn)復(fù)位之后 PC 的值是 0000H，因此，程序的入口地址為 0000H， CPU 從 0000H 開始執(zhí)行操作。 模式控制寄存器 TMOD 為 00H，表示定時器 /計數(shù)器都處于方式 0工作狀態(tài)，而 TH0、TL0、 TH TL1 均為 00H 則表示定時器 /計數(shù)器復(fù)位后都清零。 P0、 P P2 和 P3 端口復(fù)位后鎖存器都處于“ 1”狀態(tài)。工作狀態(tài)下，每當(dāng) ALE 是高電平的第一個時鐘 (S1P S4P2)，P2口被拉低而 P0口為高阻態(tài)。實際進(jìn)行芯片解剖時，可以根據(jù)寄存器復(fù)位狀態(tài)下的特殊值來判斷功能電路塊。 工作時，如果芯片的外部選通信號被拉為高電平，則首先訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器。如果總是保持低電平，則只訪問外部程序存貯器，也就是說，無論是否有內(nèi)部程序存貯器，所有的程序取指都是直接指向外部 ROM 的。當(dāng)執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序時，每個機器周期 內(nèi)都是 PSEN 兩次有效， ALE 兩次輸出高電平，用于鎖存地址的低位字節(jié) 錯誤 !未找到引用源。 。 我們在開始進(jìn)行反向解剖時，沒有設(shè)計使用芯片內(nèi)部的 FLASH，因此只選用訪問外部程序存貯器方式。在這種狀態(tài)下，得到的 PSEN、 ALE 的頻率是振蕩器頻率的 1/6， PSEN信號波形占空比為 1： 1，而 ALE 信號波形占空比為 1： 2。每個機器周期中 ALE 信號的高電平為 S1P S2PI、 S4P S5P1， PSEN 信號的高電平為 S1P S2P S2P S4P重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁，共 19 頁 SSP S5P5 錯誤 !未找到引用源。 。 總之， CPU 在 PSEN、 ALE 和外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號 WR 讀選通信號而的共同作用實現(xiàn)功能。 主要特性 1. 與 MCS51 兼容 2. 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 3. 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 4. 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 5. 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 6. 三級程序存儲器鎖定 7. 128*8 位內(nèi)部 RAM 8. 32 可編程 I/O 線 9. 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 10. 5 個中斷源 11. 可編程串行通道 12. 低功耗的閑置和掉電模式 13. 片 內(nèi)振蕩器和時鐘電路 AT89C51單片機引腳功能分類 基本引腳：電源 VCC、 VSS，時鐘 XTAL XTAL1 和復(fù)位 RST。 并行擴展總線：數(shù)據(jù)總線 P0 口，地址總線 P0口（低 8位）、 P2口（高 8位）和控制總線 ALE、 PSEN、 EA。 串行通信總線：發(fā)送口 TXD和接受口 RXD。 I/O 端口： P1 口為普通 I/O 口， P3 口可復(fù)用作普通 I/O 口， P0、 P2 口不作并行口時也可作普通 I/O口。 AT89C51單片機管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏 級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位 地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 12 頁，共 19 頁 個 TTL 門電流，當(dāng) P2口被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口 ： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： P3口管腳備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 PSEN__________：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN__________有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN__________信號將不出現(xiàn)。 EA______/VPP：當(dāng) EA______保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1時， EA______將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA______端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存 儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電