【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(jī)控制； PLC 控制等三種控制器。 綜上所 述 ，對(duì)這三種不同形式的控制器的比較，在音樂(lè)噴泉的控制系統(tǒng)中，很顯然單片機(jī) 作為控制器的優(yōu)勢(shì)比較明顯、突出。因此，在此次音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)中選用了 單片機(jī) 作為控制器的方案。 對(duì)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(mǎn)足的功能步驟及要求大多是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，所以選擇 單片機(jī) 是完全能夠滿(mǎn)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(jī) 內(nèi)部程序運(yùn)行，從而達(dá)到實(shí)時(shí)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(kuò)展性分析： 系統(tǒng)采用 單片機(jī) 作為控制器，其本身就具有極強(qiáng)的功能擴(kuò)展性，加之 單片機(jī) 產(chǎn)品的完整性，使得系統(tǒng)功能擴(kuò)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(jiǎn)單，這使得可維護(hù)性增強(qiáng)。 技術(shù)性能 （ 1） 單片機(jī) 選型： 單片機(jī) 的選擇是否能讓功能與任務(wù)相適應(yīng)； 單片機(jī) CPU的處理速度是否滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求； （ 2） 擴(kuò)展模塊的選 擇： 開(kāi) 關(guān)量輸入模塊工作電壓的選擇；開(kāi)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(duì)比中可以看出，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中主要控制器必須滿(mǎn)足系統(tǒng)的可行性、可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等要求。而綜合上述方案論證，大型廣場(chǎng)音樂(lè)噴泉采用 單片機(jī) 控制系統(tǒng)既能很好地滿(mǎn)足其性能要求，并能很好的實(shí)現(xiàn)音樂(lè)噴泉的各種功能，又經(jīng)濟(jì) 、 安全、方便實(shí)用。本文就是基于以上所介紹的 單片機(jī) 的諸多優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。同時(shí)，在后續(xù)的設(shè)計(jì)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(jì)） 第 8 頁(yè)，共 19 頁(yè) 第 3 章 系統(tǒng)硬件 部分 本章主要介紹廣場(chǎng)音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的基本組成部分、控制過(guò)程、各部分元器件的工作原理、 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點(diǎn)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(jī) 、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、 水泵 電機(jī) 和燈光組成。通過(guò) 單片機(jī) 對(duì)外部音頻信號(hào)的采樣、轉(zhuǎn)換來(lái)控制變頻器和故態(tài)繼電器的動(dòng)作，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)音樂(lè)和噴泉的實(shí)時(shí)的完美結(jié)合。音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)硬件組成部分如圖 所示。 圖 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 音頻信號(hào) 電路放大、整 流、濾波 變頻器 水泵電機(jī) 噴泉 控制 系統(tǒng) 繼電器 彩燈 手動(dòng)彩燈 開(kāi)關(guān) 重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 9 頁(yè)，共 19 頁(yè) 系統(tǒng)的控制過(guò)程 系統(tǒng)工作原理為從電腦聲卡中采集出來(lái)的音樂(lè)信號(hào)一路由音響設(shè)備直接播放，一路經(jīng)過(guò)信號(hào)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(shí)控制系統(tǒng)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，輸出一個(gè)控制信號(hào)，來(lái)控制水泵的開(kāi)關(guān)；變頻器接收到信號(hào)后開(kāi)始快速起動(dòng)、并帶動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨音樂(lè)頻率的改變而改變，噴泉水柱的高度亦隨之改變。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樂(lè)曲演奏、噴泉水柱控制、彩燈控制等功能。眾所周知，物體振動(dòng)產(chǎn)生聲音，而振動(dòng)的頻率決定音調(diào)高低，因此使用單片機(jī) 控制輸出不同頻率的信號(hào)，就可以產(chǎn)生不同的音調(diào)；利用單片機(jī)的計(jì)時(shí)系統(tǒng)可以控制各個(gè)音調(diào)的時(shí)間，即實(shí)現(xiàn)節(jié)拍的控制。音調(diào)和節(jié)拍按照樂(lè)譜排列就實(shí)現(xiàn)了樂(lè)曲演奏的功能。噴頭及彩燈分別與相應(yīng)輸出點(diǎn)連接，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)每種音調(diào)都有對(duì)應(yīng)的一組輸出點(diǎn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，從而實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲控制噴泉?jiǎng)幼鞯墓δ堋? 由普通音箱等發(fā)出的音頻信號(hào)經(jīng)整流濾波放大及控制系統(tǒng)對(duì)其幅值調(diào)整后，得到的調(diào)幅電壓信號(hào)送給變頻器的速度控制端以控制噴泉水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，從而使噴泉水泵噴水的高低隨音樂(lè)節(jié)律的變化而不斷變化。為實(shí)現(xiàn)多組噴泉和彩燈的交替運(yùn)行的切換，系統(tǒng)可以按用 戶(hù)選擇的程序模式輸出時(shí)序開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制多路固體繼電器，由固體繼電器的接點(diǎn)控制水泵電機(jī)和彩燈的啟動(dòng)與停止。 單片機(jī) 的選型 音樂(lè)噴泉邏輯控制系統(tǒng)的控制核心是 單片機(jī) ， 在建立一個(gè) 單片機(jī) 控制系統(tǒng)時(shí)， 哪些信號(hào)需要輸入至 單片機(jī) ， 單片機(jī) 需要驅(qū)動(dòng)哪些負(fù)載 ,以及采用何種編程方式，都會(huì)影響到其內(nèi)部 I/O點(diǎn)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(lái)，然后按需要確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)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(diǎn)數(shù)的確定，是設(shè)計(jì)整 個(gè) 單片機(jī) 音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)首先需要解決的問(wèn)題，它不僅決定著系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)，也是系統(tǒng)軟件編寫(xiě)的前提。 在 估算 了 單片機(jī) 的輸入輸出點(diǎn)、內(nèi)部輔助繼電器、定時(shí)器、 計(jì) 數(shù)器之后，就可以 對(duì) 單片機(jī) 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(jì)） 第 10 頁(yè)，共 19 頁(yè) 的引腳應(yīng)用特性 并行總線特點(diǎn) （ 1） P0口為地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用口。 （ 2）兩個(gè)獨(dú)立的并行擴(kuò)展空間。程序存儲(chǔ)器使用 PSEN 取指控制信號(hào)，數(shù)據(jù)采用 WR、RD存取控制信號(hào)。 （ 3）外圍擴(kuò)展統(tǒng)一編址。在 64KB 的空間上，可擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dòng)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L(zhǎng)ED、繼電器等功率驅(qū)動(dòng)元件時(shí)才考慮驅(qū)動(dòng)能力。 該單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由 8個(gè)部件組成，即微處理器 (CPU)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、程序存儲(chǔ)器、 I/0 口 (P0 口、 Pl口、 P2 口、 P3口 )、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)和特殊寄存器 (SFR)。其中，微處理器由運(yùn)算器和控制邏輯組成，主要包括累加器 (ACC)、B寄存器、臨時(shí)存儲(chǔ)器 (TMPITMPZ)、算術(shù)運(yùn)算單元 ALU 等。 特殊功能寄存器 SFR(Special Function Register)是用來(lái)對(duì)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(chǔ)器上的一個(gè)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(shí)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(kāi)始執(zhí)行操作。 模式控制寄存器 TMOD 為 00H，表示定時(shí)器 /計(jì)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(shí)器 /計(jì)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(gè)時(shí)鐘 (S1P S4P2)，P2口被拉低而 P0口為高阻態(tài)。實(shí)際進(jìn)行芯片解剖時(shí)，可以根據(jù)寄存器復(fù)位狀態(tài)下的特殊值來(lái)判斷功能電路塊。 工作時(shí)，如果芯片的外部選通信號(hào)被拉為高電平，則首先訪問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器。如果總是保持低電平，則只訪問(wèn)外部程序存貯器，也就是說(shuō)，無(wú)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(shí)，每個(gè)機(jī)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(cuò)誤 !未找到引用源。 。 我們?cè)陂_(kāi)始進(jìn)行反向解剖時(shí)，沒(méi)有設(shè)計(jì)使用芯片內(nèi)部的 FLASH，因此只選用訪問(wèn)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(hào)波形占空比為 1： 1，而 ALE 信號(hào)波形占空比為 1： 2。每個(gè)機(jī)器周期中 ALE 信號(hào)的高電平為 S1P S2PI、 S4P S5P1， PSEN 信號(hào)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(jì)） 第 11 頁(yè)，共 19 頁(yè) SSP S5P5 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 總之， CPU 在 PSEN、 ALE 和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通信號(hào) WR 讀選通信號(hào)而的共同作用實(shí)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(chǔ)器 3. 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 4. 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 5. 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 6. 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 7. 128*8 位內(nèi)部 RAM 8. 32 可編程 I/O 線 9. 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 10. 5 個(gè)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(shí)鐘電路 AT89C51單片機(jī)引腳功能分類(lèi) 基本引腳：電源 VCC、 VSS，時(shí)鐘 XTAL XTAL1 和復(fù)位 RST。 并行擴(kuò)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(shí)也可作普通 I/O口。 AT89C51單片機(jī)管腳說(shuō)明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏 級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1口： P1 口是一個(gè)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(mén)電流。 P1口管腳寫(xiě)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位 地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)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(jì)） 第 12 頁(yè)，共 19 頁(yè) 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2口被寫(xiě) “1” 時(shí)，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(shí)， 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(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， 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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口 ： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)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(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， 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(wú)效。 PSEN__________：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN__________有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN__________信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA______/VPP：當(dāng) EA______保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， EA______將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA______端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存 儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出 。 重慶文理學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 13 頁(yè)，共 19 頁(yè)