1.5课题设计内容
音乐喷泉顾名思义，就是喷泉水柱的高低和播放乐曲的音调高低成正比，而变化的快慢与乐曲的节拍快慢同步。本课题采用单片机为核心控制变频器变频调速的方法来控制水泵电机抽水，其中设计的主要内容是喷泉控制器，即图1.1所示虚线内的部分。
音乐采集芯片 变频器1 水泵电机1 A/D转换芯片 变频器2 单片机 变频器3 D/A转换芯片 ?? ?? 水泵电机3 水泵电机2 图1.1 音乐喷泉设计图
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2 需求分析及方案论证
2.1需求分析
2.1.1可行性分析
本设计主要针对的是音乐喷泉的控制软硬件实现。从技术上考虑，本设计涉及到单片机技术、自动控制技术、接口技术、变频技术、电机拖动技术、电力电子技术及电路原理。这些技术现在都是成熟的技术，且在校期间学习的内容能够满足设计需求，而本人掌握的知识也基本符合设计的要求。
从时间上考虑，本学期1~4周准备开题报告，进行可行性分析、需求分析、方案论证及一些基础设计资料准备；5~7周熟练实验室提供的设备操作；8~12周进行软件设计；13、14周软硬件调试；15~19周后期调试及论文整理。设计历时19周，时间充裕。
从经济上考虑，本设计控制电路需要的单片机芯片市售价约9元，A/D、D/A转换芯片12元左右，语音芯片约15元，门电路芯片1元/个，此外，加上所需的电容、电阻等硬件总花费约100~150元左右；小型变频器价格大约在1500元左右，电机的选择要根据所带动的水泵、阀门的多少来计算，本设计模拟暂按一台600W电机算花费应在600元左右，且控制电路中所需的硬件及变频器、电机等设备完全可以由实验室提供。设计人员的设计、调试费用，按照每天工作8小时，每天30元计算需要30×5×19=2850元。本设计所需总费用不超过5100元，经济上可以实现。
2.1.2硬件需求
音乐由耳朵传进人的大脑给人以美的享受，但是音乐喷泉没有大脑，也没有耳朵，水泵并不知道在什么时候该怎么喷水。为了让水泵跟随音乐信号变化水柱扬程，就要给它安装上“大脑”。单片机就实现了音乐喷泉“大脑”的功能。在选择单片机时，本设计选择现在市场上比较先进的主流芯片ATMEL公司生产的AT89S52。
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单片机只能识别电信号，因此，只有将声音信号转化成电信号才能实现控制，这就需要应用语音芯片完成对音乐信号的采集，来给音乐喷泉安上“耳朵”。本设计选择国产的语音芯片ZY1420A将声音变成直流电压信号来完成“听”的功能。ZY1420A所采集的信号输出为连续的模拟电压信号，而单片机只能识别数字信号，所以，只有将模拟信号转换成数字信号才能输入给单片机。ADC0809芯片即完成模数转换功能。水泵是由三相异步电动机组成的，三相异步电动机的转速如果通入工频电源，转速是不变化的。变频器是专门针对电机调速的装置。由变频器控制电机的转速，使水柱发生变化。本设计选用VF62CE小型变频器调速。变频器的输入控制信号又只能是模拟电压信号，所以本设计采用DAC0832芯片实现数模转换功能。
2.1.3软件需求
单片机不会主动的控制水泵电机喷水，只有将编写好的程序输入到单片机内，它才能按照程序的要求判断何时水泵的喷水状态如何。在编写程序时要选择一定的编程语言及相应的编程平台，这样才能将编写的控制程序下载到单片机当中。本设计采用汇编语言编程，编程平台是浙江天煌公司的THGMW-51仿真调试软件。该软件是针对THGMW-1型单片机51/96·微机8088三合一实验开发系统中51单片机设计的基于汇编语言的开发软件。其特点是界面简洁美观，且易于操作，同时在单片机编程中省去了编辑串口通讯程序的麻烦。THGMW-51操作界面如图2.1所示。
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图2.1 THGMW-51应用程序操作界面
2.2 方案论证
音乐喷泉设计可以采用的核心控制器有很多，如单片机、可编程控制器、计算机等。可编程控制器的优势是其高稳定性，对音乐的信号采集时抗干扰性优越，同时，用梯形图编程形象简单；而计算机的优势是控制多样化，可以选择多种编程语言，而且对控制程序的修改较为方便，可随时根据需要改变对喷水方式的控制。但选择可编程控制器和计算机的价格昂贵（小型的可编程控制器和工业控制计算机也需要几万块），这将大大提高设计的成本，而且一旦控制器出现损坏不易维修，且维护成本较高。相比较而言，一片单片机芯片的成本只有十几块钱，所以，本设计选择单片机控制既经济又实惠。
在单片机的选择上现在市面上常见的有MCS-51及其兼容系列（生产厂家主要为Intel、ATMEL、LG、SIEMENS、PHILIPS）；Intel公司251系列、96系列；Microchip公司PIC系列、义隆公司EM78系列；ATMEL公司AVR系列；TI公司MSP430系列超低功耗系列；USB控制器系列（生产厂家主要为Intel、SIEMENS、Cypress、
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ATMEL）；等等。其中Atmel公司出品的AT89系列单片机以其优良的性能和价格优势，成为取代MCS51单片机的主流机型之一，有着十分广阔的应用前景。本设计选用的是Atmel公司出品的AT89S52，这是一款低功耗、高性能的8位CMOS单片机，片内存储空间为8K，同时支持在系统编程，使用范围很广，深受开发者的欢迎。
音乐信号是不可能直接进入单片机控制电机转速的。只有把声音信号转换成电信号才能实现控制，因此，需要选择一款合适的声音采集元件。近几年来语音电路发展极为迅速，美国信息内存件公司推出的ISD系列语音电路采用直接模拟存储技术，不需要专用开发工具、编程器，它操作简单，接口灵活，因此深受广大单片机应用人员的欢迎。国内许多厂家的生产语音板，大多以该公司的ISD系列芯片为核心构成。ZY1420是国内著名电子生产商出品的优质微型语音录放模块。ZY1420内部使用ISD1420作为主控芯片，且具备ISD1420的全部优良性能，如大容量的EEROM存储器，消噪的话筒放大器，自动增益调节AGC电路，专用语音滤波电路，高稳定性的时钟震荡电路和语音处理电路。除此以外，ZY1420还对ISD1420的标准外围电路作了优化并全部集成于模块内部。同标准DIP40封装的ISD1420相比较，ZY1420可以提供更加稳定可靠的性能。这就是选择该模块的原因。
在软件编程上，可以选择用汇编语言编程、C语言编程、或汇编与C语言混编，尽管C语言在设计时，程序简单，而且调试要比汇编方便很多，易于修改，但是在与硬件通讯上，汇编语言更接近底层硬件，故此本设计采用汇编语言编程。
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