摘 要：音乐喷泉作为一种休闲娱乐的观赏性艺术景观已经得到了越来越多的人们的喜爱。愈来愈多的大型音乐喷泉在城市间兴建，音乐喷泉也逐渐成为建设绿化城市的一员,为城市增添色彩。根据人们对音乐喷泉观赏性的需求，本文设计了以STC12C5A60S2单片机为核心的小型音乐喷泉。该系统采用A/D转换对音频信号进行采集和处理，根据音乐频谱的变化输出PWM信号控制水泵的喷射水柱高度，用程序来控制喷射的花样，通过音频信号来控制彩灯的闪烁，从而使得水姿和彩灯随音乐节奏而变化。利用单片机控制的音乐喷泉，不仅实用性强，美观，且便于携带,性价比高，可随时随地观赏音乐与喷泉的完美结合。
关键词：STC12C5A60S2单片机；音乐喷泉；A/D转换
Abstract：As a kind of recreation landscape ornamental art music fountain has been more and more popular. The construction of more and more large music fountain in the city, music fountain has gradually become a member of building green city, add color to the city. According to ornamental demand for music fountain, this paper design a small music fountain based on STC12C5A60S2 microcontroller. The system uses A/D transformation of the collection and processing of the audio signal, spray the water column height according to the output PWM signal to control the pump change music spectrum, to control the injection pattern program, through the audio signal to control the lights flashing, so that the state of water and lights with the music rhythm changes. Using SCM control music fountain, not only practical, beautiful, and easy to carry, high ratio of performance to price, the perfect combination of music and fountain whenever and wherever possible to watch.
Key words: STC12C5A60S2 microcontroller; Music fountain; A/D conversion
1.绪论
1.1 课题背景
早在20世纪30年代前，喷泉只是作为一种为园林灌溉和建筑排水的技术被广为使用。直到1930年，音乐与喷泉相结合的构思才被德国的OTTO PRZYSTAWIK(奥图．皮士特霍)首次提出。其后将近一个世纪的发展，音乐喷泉已发展到大型化及多样化。
音乐喷泉的水姿在灯光色彩的映射下，随音乐旋律千变万化，蔚为壮观，将视觉与听觉融为一体（如图1.1所示）。大型的音乐喷泉功能齐全，规模大，有很强的震撼力，适用于大型音乐广场，对软硬件要求高，投资大。[1]
图1.1 音乐喷泉外景
大型音乐喷泉一般在公园、湖面、广场等面积大的地方建造，人们在户外才能观赏到音乐喷泉带来的美感。而现代人们的生活节奏快，在户外休闲娱乐的时间少，这明显不能满足人们的需求，为了满足这种市场需求，各种各样的音乐喷泉层出不穷，并逐渐向商品性较强的小型音乐喷泉的方向发展。所以小型音乐喷泉能走进家庭小区或酒店庭院，并成为一种发展趋势。一个设计完善、制造美观的小型音乐喷泉，就是一件小艺术作品，不仅增添色彩，还美化环境。目前,我国的大型音乐喷泉技术已日趋成熟,但对小型音乐喷泉的研究较少，小型音乐喷泉存在着协调性能差等缺点。[1]
所以设计音乐喷泉控制系统成为关键。本文针对人们的需求设计了小型音乐喷泉，选用单片机作为音乐喷泉控制系统设计的控制核心，采用A/D转换对音频信号进行采集和处理，根据音乐频谱的变化输出PWM信号控制水泵的喷射水柱高度，用程序来控制喷射的花样，通过音频信号来控制彩灯的闪烁，从而使得水姿和彩灯随音乐节奏而变化。
本设计解决了小型音乐喷泉系统信号的同步性问题。它使用了较少的外围器件和较为简单的电路设计,成本低、体积小、水型变换多样,实用性强,适合室内观赏。[2]
1.2 音乐喷泉的发展及现状
社会的快速发展促进人类社会的进步，进而人们对生活环境的要求也越来越越高。音乐喷泉是一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，通常用于大型广场、宽广的湖面、主题公园等。[3] 它不仅可以增加周围空气的湿度,减少空气中的尘埃，降低空气温度，更为人们生活增添了不少情趣。[4] 音乐喷泉集光、声、色、形与一身，是艺术和现代高科技的完美结合。
21世纪，音乐喷泉已成为一种新兴产业，在世界各地快速发展，不仅提高经济效益，还带动了社会效益。目前，我国音乐喷泉产业在快速发展，如广东揭阳音乐喷泉，是国内最长、最高的江上音乐喷泉；西安大雁塔音乐喷泉，是全亚洲最大的矩阵音乐广场；洛阳音乐喷泉，拥有世界首创的高科技水型、是世界上最长的数控跑泉(如图1.2所示)。但是，与国外著名音乐喷泉相比，技术上还是有所欠缺，如新加坡圣陶沙音乐喷泉，集合了彩光灯、芭蕾音乐和激光等世界先进的技术。
图1.2 我国著名音乐喷泉夜景图
目前国内外的音乐喷泉都只能表演几首乐曲，这是因为音乐喷泉表演程序的设计、开发和调试非常费事、费力，需要音乐、计算机、控制等专业专家的合作。[5] 而在商业化下的音乐喷泉，更多追求的是经济性，所以国内外主要针对大型音乐喷泉的研究和开发。但是其多采用工业PC机或PLC逻辑编程控制，不仅造价高、工程大、还要专门设计定做。
1.3 本文的工作以及创新点
本文主要以STC12C5A60S2单片机为基础，对音乐喷泉进行自动化控制设计，通过硬件电路和软件程序设计解决音乐和喷泉的同步问题，并实现音乐、彩灯、喷泉三者变化一致的小型音乐喷泉设计。该设计的创新点有三：①单相潜水泵调速：大型音乐喷泉是利用变频器调节潜水泵的转速，而小型音乐喷泉是一种观赏产品，不要求精确控制潜水泵的转速，只要水柱高度变化与音乐变化一致，为了节约成本，本系统不采用变频器，采用单片机程序及其控制电路调节潜水泵转速。②小型化音乐喷泉：把湖泊、大型广场等户外才能观赏到的大型音乐喷泉搬到小区住宅。③解决音乐喷泉同步性问题：大型音乐喷泉是把所需音乐元素提前预处理，本系统没有预处理能力，而是把音乐延时播放，与大型音乐喷泉处理方法相反。
2.系统概述及方案论证
2.1 系统概述
音乐喷泉是以音乐的旋律和喷泉的水姿为基础，在灯光色彩的点缀下，使两者完美结合，给人愉悦与震撼的视听感受。现代科技的不断进步推动音乐喷泉的发展，音乐喷泉的控制系统的设计方案越来越多，而方案中哪种控制方案才能达到优良的性价比的控制效果。对于这一问题，本文设计对常用的继电器-接触器、PLC以及单片机控制方案进行了分析和比较，并进行了方案的选择论证。
2.2 系统方案选择及论证
方案一：继电器-接触器控制系