小型音樂噴泉模型-畢業(yè)設(shè)計

目錄1.緒論11.1課題背景11.2音樂噴泉的開展和現(xiàn)狀11.3音樂噴泉控制系統(tǒng)框架22.上位機通訊與顯示42.1概述42.2串口通訊42.3監(jiān)控水泵運行62.4FFT93.下位機數(shù)據(jù)采集和傳輸133.1概述133.2對音樂信號的采樣與數(shù)據(jù)傳輸133.3下位機采樣數(shù)據(jù)圖144.基于nRF24L01無線傳輸子系統(tǒng)164.1nRF24L01模塊硬件設(shè)計164.2nRF24L01模塊軟件設(shè)計175.水泵控制系統(tǒng)215.1水泵的選定215.2水泵控制原理圖的設(shè)計215.3水泵控制系統(tǒng)的實物圖236.功放246.1功放電路設(shè)計246.2喇叭保護板電路設(shè)計246.3功放PCB257.太陽能子系統(tǒng)267.1太陽能電池267.2太陽能控制器26參考文獻29致謝30附錄311.緒論1.1課題背景隨著人們生活水平的提高，人們對環(huán)境的要求越來越高,城市環(huán)境建設(shè)日益為人們所重視。噴泉作為一種欣賞性較高的藝術(shù)水景,不斷的出現(xiàn)在城市的廣場、公園及其它公共場所，早些的噴泉都是固定不可調(diào)的，顯得有些單調(diào)，隨著科技的開展音樂噴泉也進入了我們的城市。音樂噴泉是現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合，音樂噴泉將噴水圖形、彩色燈光及音樂旋律構(gòu)成一個有機的整體，隨著樂曲旋律和節(jié)奏的變化，各種不同的噴水花形相應(yīng)的配合變換，在五彩絢麗的變幻燈光照耀下，構(gòu)成一幅幅奇妙無比的景觀、令人賞心悅目，嘆為觀止，在視聽上獲得極大的享受。1.2音樂噴泉的開展和現(xiàn)狀音樂噴泉是高科技與自然的完美結(jié)合，充分體驗了人們的智慧。世界各地的音樂噴泉表達美的方式也是不盡相同的。新加坡圣淘沙旅游區(qū)的音樂噴泉的設(shè)計與效果也是值得參考的，它布置在一個空曠而略有坡度的空間，面積很大，與圣淘沙車站前的長形噴水池共同組成為一個長達數(shù)百名的綜合系列噴泉，音樂噴泉位于系列噴泉的頂端。舞臺為一假山堆疊的西洋式半圓柱廊組成，共分3層。白天，假山瀑布及兩側(cè)的噴泉群與3層水池形成一處動靜結(jié)合的較為文雅悠揚的水景園，入夜那么有五光十色，優(yōu)美動聽的噴泉景觀，整個舞臺區(qū)域東西面闊近百米，南北深度約為40m,成為目前亞洲最大的音樂噴泉之一。表現(xiàn)出壯闊。絢麗的水景之美。臺灣臺中的亞哥花園，有一個專為音樂噴泉表演的水舞劇場，以氣勢磅礴的蒼穹為天幕，舞臺建筑為意大利羅馬式柱廊構(gòu)成，圓形，用噴泉環(huán)繞，有600個噴頭，配合著135種變化的燈光，組合成一種載歌載舞的美妙舞姿，水舞時，其形色聲光的變化，令人目不暇接，嘆為觀止。以上幾處音樂噴泉從建筑形勢、音樂曲調(diào)及水舞表演的角度展現(xiàn)了音樂噴泉的美麗姿態(tài)，但是都屬于大型的音樂噴泉，其控制系統(tǒng)也多采用PLC邏輯編程控制，造價高，流量需求大，一般為專門的定量設(shè)計。即使這樣，國內(nèi)外的音樂噴泉控制系統(tǒng)設(shè)計均以到達成熟的水平，而且還有專門的生產(chǎn)設(shè)計廠家，提供設(shè)計、噴泉設(shè)備及安裝等效勞。目前，國內(nèi)的音樂噴泉逐漸向智能化、分散化、綜合化、多樣化的方向開展，于是對噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計也提出了更高的要求。1.3音樂噴泉控制系統(tǒng)框架本系統(tǒng)的總體思路是：音樂信號一路通過功放后播放，另一路那么通過單片機進行采樣，得到的時域數(shù)據(jù)傳送給VS2023編寫的上位機，上位機對音樂信號進行FFT變換得到頻域信號并分析得到控制信號，通過nRF24l01無線傳輸給水泵控制子系統(tǒng)，控制水柱的高度。其中水泵控制模塊電源是由太陽能供電。圖1-1音樂噴泉控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)所以在次太陽能音樂噴泉系統(tǒng)包括以下幾個局部：太陽能供電子系統(tǒng)，功放子系統(tǒng)，無線傳輸子系統(tǒng)，水泵控制子系統(tǒng)，上位機，下位機。該音樂噴泉控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。以下對這幾個局部進行簡明的講解：太陽能供電子系統(tǒng)：由電壓能電池組、太陽能控制器、蓄電池和DC/DC局部組成。功放子系統(tǒng)：由NE5532+LM1875組成的功放，NE5532作為前級，LM1875作為后級。無線傳輸子系統(tǒng)：這里采用的是NRF24l01來進行無線傳輸，一對多的傳輸類型，這里的“一〞是PC的下位機，PC傳送來控制信號，通過NRF24l01傳輸數(shù)據(jù)?！岸啜暿墙邮艿腘RF24l01，接受到數(shù)據(jù)后，傳送給52單片機，52單片機根據(jù)控制信號來控制DC/DC輸出的電壓的大小，從而控制了水泵的高度。水泵控制系統(tǒng)：由52單片機、DA芯片TLC5615、BUCK電路組成。52單片機讀取到了傳輸?shù)降目刂菩盘栔?，通過控制TLC5615得到一個基準電壓，BUCK電路根據(jù)這個基準電壓來決定直流水泵的電壓。上位機：用VS2023編寫的上位機，上位機得到下位機傳送的數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行分析，然后將結(jié)果傳送回下位機。其中通訊方式采用串口通訊。下位機：由52單片機和AD芯片TLC083組成。1s內(nèi)進行三次總采樣〔一次總采樣是64次AD轉(zhuǎn)換〕，將得到的數(shù)據(jù)傳送給上位機，然后接受上位機傳送回來的數(shù)據(jù)。2.上位機通訊與顯示2.1概述MicrosoftVisualStudio2023Ultimate(vs2023)是一個最先進的開發(fā)解決方案，它使各種規(guī)模的團隊能夠設(shè)計和創(chuàng)立出使用戶滿意的應(yīng)用程序。在VisualStudio2023旗艦版(下面稱VS2023)中，使用靈活敏捷的規(guī)劃工具并根據(jù)自身進度實現(xiàn)增量開發(fā)技術(shù)和敏捷方法；使用高級建模、發(fā)現(xiàn)和體系結(jié)構(gòu)工具，描述系統(tǒng)并幫助確保體系結(jié)構(gòu)設(shè)想；使開發(fā)團隊和運營團隊能夠較好地協(xié)作；通過從部署的軟件生成可對其采取措施的Bug來改良質(zhì)量和減少解決時間，使運營人員高效協(xié)作，為開發(fā)人員能夠深入了解生產(chǎn)問題提供數(shù)據(jù)。簡而言之，它可以創(chuàng)立創(chuàng)新的高質(zhì)量解決方案并降低開發(fā)本錢。本系統(tǒng)采用VS2023來實現(xiàn)上位機，實現(xiàn)的功能有：與下位機的通訊，F(xiàn)FT變換，監(jiān)控水泵運行狀態(tài)。2.2串口通訊特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向通信，從而大大降低了本錢。并且52單片機中自帶異步串口，VS2023中也有控制串口的控件SerialPort。所以我選用串口實現(xiàn)上位機與下位機之間的通訊。2.2.152單片機中雖然自帶了異步串口但是，與計算機中的串口電平不同，所以需要一個電平轉(zhuǎn)換芯片，這里選用MAX232，電路連接如圖3-2-1所示。MAX232是一個電荷泵器件，它采用開關(guān)電容技術(shù)將5V電壓升壓和獲取負電壓，圖2-1中C13,C14,C15,C18就是升壓和負壓用的電容。不同的版本有不同的電容取值，有些是0.1uF,有些是1uF,還有些是10uF。通常我們采用1uF就可以正常工作了。如果采用0.1uF驅(qū)動會弱點，不能驅(qū)動尤其是波特率較高的場合。在本設(shè)計中采用1uF的電容。在本次設(shè)計中采用的波特率是9600bps，晶振頻率是11.0592MHz。工作在方式1，由公式：波特率=定時器1的溢出率/32可以推算出應(yīng)該設(shè)置定時器1的值為：TH1=FDH。圖2-1MAX232電平轉(zhuǎn)換電路2.2.在VS2023中.NETFramework2.0類庫包含了SerialPort類,方便地實現(xiàn)了所需要串口通訊的多種功能，可以實現(xiàn)以SerialPort類為核心的串口通訊，關(guān)于設(shè)計和方法。使用SerialPort方法很簡單，只需要簡單的配置屬性，然后就可以讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)了。下面介紹SerialPort一些簡單的配置和使用方法：使用

SerialPort

設(shè)置串口屬性.PortName

串口名稱，COM1,

COM2等。.BaudRate

波特率，也就是串口通訊的速度，進行串口通訊的雙方其波特率需要相同，如果用PC連接其他非PC系統(tǒng)，一般地，波特率由非PC系統(tǒng)決定。.Parity

奇偶校驗位?？梢赃x取枚舉Parity中的值.DataBits

數(shù)據(jù)位數(shù).StopBits

停止位數(shù)，可以選取枚舉StopBits中的值.Handshake

握手方式，也就是數(shù)據(jù)流控制方式，可以選取枚舉Handshake中的值在創(chuàng)立一個SerialPort

對象，設(shè)置串口屬性后，可以通過

Open()方法翻開串口。數(shù)據(jù)讀寫完成后，可以通過Close()方法關(guān)閉串口。對于字節(jié)或字符數(shù)據(jù)，用Read()方法來讀數(shù)據(jù)，該方法需要一個字節(jié)或字符數(shù)組作為參數(shù)來保存讀取的數(shù)據(jù)，結(jié)果返回實際讀取的字節(jié)或字符數(shù)。寫數(shù)據(jù)使用Write()方法，該方法可以將字節(jié)數(shù)組、字符數(shù)據(jù)或字符串發(fā)送給另一方。如果通訊雙方交換的數(shù)據(jù)位字節(jié)流數(shù)據(jù)，要構(gòu)建一個使用的串口通訊程序，那么雙方應(yīng)該定義數(shù)據(jù)楨格式。通常數(shù)據(jù)楨由楨頭和楨尾來界定。發(fā)送數(shù)據(jù)比擬簡單，只需要用Write()方法將構(gòu)造好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去即可。接收數(shù)據(jù)那么比擬復(fù)雜，通訊是以字節(jié)流的形式到達的，通過調(diào)用一次Read()方法并不能確保所讀取的數(shù)據(jù)就是完整一楨。因此需要將每次讀取的數(shù)據(jù)整合在一起，對整合后的數(shù)據(jù)進行分析，按照定義的楨格式，通過楨頭和楨尾，將楨信息從字節(jié)流中抽取出來，這樣才能獲取有意義的信息。除了利用Read()方法來讀數(shù)據(jù)，還可以使用ReadExisting()方法來讀取數(shù)據(jù)。該方法讀取當前所能讀到的數(shù)據(jù)，以字符串的形式返回。SerialPort

提供了DataReceived事件。當有數(shù)據(jù)進入時，該事件被觸發(fā)。該事件的觸發(fā)由操作系統(tǒng)決定，當有數(shù)據(jù)到達時，該事件在輔助線程中被觸發(fā)。輔助線程的優(yōu)先級比擬低，因此并不能確保每個字節(jié)的數(shù)據(jù)到達時，該事件都被觸發(fā)。在使用該事件接收數(shù)據(jù)時，最好對定義通訊協(xié)議格式，添加楨頭和楨尾。在DataReceived事件中接收數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)放在數(shù)組中或字符串中緩沖起來，當接收的包含楨頭和楨尾的完整數(shù)據(jù)時，在進行處理。2.3監(jiān)控水泵運行2.3.1在音樂噴泉的運行時，在上位機上要反映出各個無線連接狀態(tài)是否連接，當有故障發(fā)生的時候可以很方便的指導(dǎo)哪條通訊線路損壞，方便維修。攝像頭監(jiān)控水泵系統(tǒng)是否正常，以及監(jiān)控是否有人進行惡意破壞等等。接下來與3.3.3章會對這兩個方面進行介紹。2.3.2無線通道連接在無線控制子系統(tǒng)中運用的是nRF24l01模塊，而nRF24l01有硬件CRC校驗，當發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時，發(fā)送方向單片機請求中斷并且重發(fā)溢出標志位置位；相反如果發(fā)送數(shù)據(jù)成功時，發(fā)送方向單片機請求中斷并且發(fā)送成功標志位置位。所以我們可以在下位機中斷里面判斷是否發(fā)送成功，然后傳送數(shù)據(jù)給上位機。其中發(fā)送成功或那么失敗的中斷引腳為P3.2,即采用的為外部中斷0。程序框圖如2-2所示:圖2-2無線連接檢測程序框圖2.3.3DirectShow兼?zhèn)渑c底層的硬件設(shè)備和與高層的應(yīng)用程序打交道的能力。如圖2-3所示，虛線以下是Ring0特權(quán)級層的硬件設(shè)備，其中包括WDM視頻采集卡〔WDMCaptureDevices〕、VFW視頻采集卡〔LegacyVFWCaptureDevices〕、MPEG2硬解碼卡〔HardwareMPEG2Decoders〕、聲卡〔SoundCard〕以及顯卡〔VideoGraphicsCard〕等等。DirectShow對這些硬件設(shè)備提供了強有力的支持，并在Ring3〔圖1虛線以上〕應(yīng)用層上提供統(tǒng)一標準的COM接口，這就將底層硬件設(shè)備與高層應(yīng)用程序隔開，從而很方便地編程實現(xiàn)從設(shè)備獲取多媒體數(shù)據(jù)或利用設(shè)備回放多媒體數(shù)據(jù)，而不必考慮具體的硬件特性。圖2-3DirectShow系統(tǒng)構(gòu)架其中DirectShow主要COM接口有：DirectShow是建立在組件對象模型〔COM〕的根底之上的，有很多COM接口，下面列舉一些重要的COM接口：〔1〕IGraphBuilder接口：構(gòu)建過濾器管理的接口，立和管理一系列的過濾器；〔2〕IMediaControl接口：控制多媒體流在過濾器圖中的流動，如流的啟動和停止；〔3〕IMediaEvent接口：捕獲多媒體流回放中的事件；〔4〕IVideoWindow接口：控制視頻窗口的屬性；〔5〕IMediaSeeking接口：用于媒體流的定位；〔6〕IBaseFilter接口：可定義一個具體的過濾器指針；〔7〕IPin接口：管理兩個過濾器間的針腳，從而連接過濾器。在VS2023中提供了關(guān)于DirectShow的例子，可以根據(jù)例子的進行二次開發(fā)。下面是系統(tǒng)的整體框圖如2-4所示：USB視頻采集USB視頻采集計算機WDM驅(qū)動程序基于DirectShow的應(yīng)用程序圖2-4系統(tǒng)的整體框圖2.3.4實際如圖2-5為上位機監(jiān)控界面。在上位機界面中，左下角紅色代表通道沒有連接成功，綠色代表連接成功。我只做了三個下位機，第1,2,4通道，在上位機中正好顯示的1,2,4通道連接正常。上位機中間是采用筆記本攝像頭來監(jiān)控的畫面，由于我只是做了音樂噴泉的模型實物，所以我以三個水泵控制模塊作為背景。圖2-5監(jiān)控界面2.4FFT2.4.1FFT〔FastFourierTransformation〕，即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改良獲得的。它對傅氏變換的理論并沒有新的，發(fā)現(xiàn)，但是對于在計算機系統(tǒng)或者說數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以說是進了一大步。2.4.2基-2FFT算法按時間抽取〔DIT〕的基-2FFT算法，又稱為庫利-圖基算法，它是很多離散傅立葉變換快速算法之一。設(shè)序列x(n)長度N=2,L為正整數(shù)〔假設(shè)不滿足該條件，那么在序列后面加上假設(shè)干個零值以到達這個條件〕。按n的奇偶把x(n)分解為兩個N/2點的子序列(即大點數(shù)DFT化成小點數(shù)DFT，通過子序列的DFT實現(xiàn)計算整個序列的DFT。(2-1)那么，序列x(n)的N點DFT為：X(k)=DFT[x(n)]===(2-2)利用系數(shù)的可越性質(zhì)=，上式可以表示為X(k)==X(k)+W(2-3)k=0,1,2,3,…,N-1其中需要注意的是X(k)與X(k)分別是x(r)及x(r)的N/2點的DFT，周期為N/2，所以由〔3-3〕僅可以得到N點序列X(k)的前N/2點，X(k)的后N/2點為X(k+N/2)=X(k+N/2)+W(k+N/2)由X(k)與X(k)的周期性及可得X(k+N/2)=X(k)-WX(k)(2-4)綜合上面的結(jié)果，x(n)的N點DFT可以由x(n)奇偶子序列x(r),x(r)的N/2點的DFT表示，即(2-5)至此，N點DFT到N/2點DFT的轉(zhuǎn)換完成了。式(2-5)的運算關(guān)系可以用一個流程圖來描述，用圖2-6所示。圖2-6蝶形運算流程圖2.4.3在一般情況下，進行FFT運算的序列至少都有幾百點的長度，因此需要編制FFT算法程序以便能夠利用計算機來快速進行計算。輸入倒位序，輸出順序的DIT-FFT的編程思想，N必須等于2的正整數(shù)冪，F(xiàn)FT的計算程序可以分為兩局部：一局部是倒序重排，另一局部是用三層嵌套的循環(huán)來完成M=log2N次迭代。倒序重排：由于正序中數(shù)的遞增量為1，這主要是由于下一個數(shù)都是前一個數(shù)從最右邊參加一個1；倒序時，每個數(shù)都是前一個數(shù)的最左邊加1，進位是向前進位，一個正序?qū)?yīng)著一個倒序。因此可以根據(jù)這個原理進行倒序的計數(shù)，如果當前數(shù)最左邊位為1，那么清零，檢查下一位，如果還是為1，再清零，直到遇到0為止，把這個0加為1，這就實現(xiàn)了倒序計數(shù)。三層循環(huán)的功能是：最里的一層循環(huán)完成相同W的蝶形運算，中間的一層循環(huán)完成因子的變化，而最外的一層循環(huán)那么是完成M次迭代過程。三層循環(huán)程序框圖如圖2-7所示：圖2-7FFT三層循環(huán)程序框圖基于以上思想，給出用C#編寫FFT的關(guān)鍵代碼，見附錄Ⅰ。2.4.4如圖2-8與圖2-9為靜音時刻和播放中的某一時刻將采樣到的數(shù)據(jù)得到的FFT后的功率譜。靜音中頻譜的值都大約為零，在播放時刻的頻譜值左右兩邊完全對稱，符合理論。采樣頻率是20KHz，每兩個柱之間相差的頻率是20K/64312Hz。圖2-8靜音時FFT的效果圖圖2-9有音樂時FFT的效果圖3.下位機數(shù)據(jù)采集和傳輸3.1概述下位機實現(xiàn)的功能是對音樂信號的采樣和數(shù)據(jù)的傳輸。對音樂的采樣是采用TLC0831這款A(yù)D芯片，每次采樣一次數(shù)據(jù)就通過串口傳送給上位機，當上位機接受到了一定的數(shù)據(jù)量之后，會告訴下位機不要發(fā)送數(shù)據(jù)了，此時下位機不會再采樣音樂信號，等待上位機分析完數(shù)據(jù)之后，上位機傳送給下位機每個水泵控制子系統(tǒng)的控制信號，下位機通過nRF24l01無線傳輸給水泵控制子系統(tǒng)，再一次對音樂信號進行采樣。3.2對音樂信號的采樣與數(shù)據(jù)傳輸音樂采樣所用的AD芯片是TLC0831，查閱手冊可知其工作時序圖〔如圖3-1〕和主要特性如下：(1)比例尺工作或用5V基準電壓;(2)8位分辨率;(3)單5V供電,信號輸入范圍0～5V;(4)控制輸入和輸出與TTL和MOS兼容;(5)在輸入頻率(CK引腳)為250kHz時,轉(zhuǎn)換時間約32μs;(6)總非調(diào)整誤差:±1LSB。圖3-1TLC0831工作時序圖由時序圖可以看出,CS變?yōu)榈碗娖胶?經(jīng)過一個時鐘即CLK1的時間間隔,使多路復(fù)用器選定的通道穩(wěn)定,D0便脫離高阻態(tài),進入低電平狀態(tài),電備工作就緒。第2個CLK到來,轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換過程中,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時從D0輸出。第2個CLK下降沿后,D0輸出最高位MSB,8個時鐘后轉(zhuǎn)換完成(即第9個CLK下降沿后移出LSB),此后假設(shè)CS仍為低,D0一直保持LSB值。CS變高后D0呈高阻態(tài),等待下一次轉(zhuǎn)換開始。音樂采集電路如圖3-2所示，先由OPA2227講音頻信號放大之后，再由TLC0831采樣。52單片機的P2.0,P2.1,P2.2分別接的TL0831的DO,CS,CLK引腳。圖3-2音樂采集電路由以上分析給出音樂采集的時序圖，如圖3-3所示圖3-4音樂采集時序圖3.3下位機采樣數(shù)據(jù)圖圖3-5與圖3-6為靜音和播放某一時刻的采樣的數(shù)據(jù)圖，靜音時刻只有2.5V直流偏置，在播放時刻產(chǎn)生的音頻信號使數(shù)據(jù)在0-5V之間變化。圖3-5靜音時刻音樂的采樣圖圖3-6播放時刻音樂的采樣圖4.基于nRF24L01無線傳輸子系統(tǒng)4.1nRF24L01模塊硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用了Nordic公司新推出的工作于2.4GHz頻段的NRF24l01射頻芯片和52單片機控制實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。nRF24L01芯片工作于2.4GHz全球開放頻段,工作速率O～2Mb/s,最大發(fā)射功率0dBm,外圍元件極少,內(nèi)置硬件CRC校驗和多點通信地址控制,集成了頻率合成器,晶體振蕩器和調(diào)制解調(diào)器.它的主要特點如下:1)低工作電壓:1.9～3.6V低電壓工作;2)高速率:2Mbps,由于空中傳輸時間很短,極大地降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象;3)多頻點:125頻點,滿足多點通信和跳頻通信需要;4)超小型:體積小巧,5mm×5mm;5)低功耗:當工作在應(yīng)答模式通信時,快速地控制傳輸及啟動時間,極大地降低了電流消耗;6)低應(yīng)用本錢:nRF24L01的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或用單片機I/O口進行模擬,內(nèi)部有FIFO可以與各種上下速微處理器接口,便于使用低本錢單片機.系統(tǒng)硬件主要由nRF24L01射頻芯片和52單片機成。因為52單片機沒有SPI接口，所以需要用I/O口來模擬SPI接口。nRF24l01與52單片機的連接電路圖如圖4-1所示。nRF24L01與52單片機通過MOSI,MISO和SCK組成的SPI接口連接.單片機接11.0592MHz的低頻晶振工作,nRF24L01的工作頻率為16MHz,由低速的單片機控制高速收發(fā)的射頻芯片正是本系統(tǒng)的特點.系統(tǒng)由低壓3.3V供電.系統(tǒng)處于發(fā)射模式時,耗電約為3.5mA,啟動發(fā)射時約為13mA,接收模式時耗電約為2lmA.由于系統(tǒng)上電時,單片機通過SPI,對nRF24L01進行狀態(tài)配置。假設(shè)處于發(fā)射模式單片機就把數(shù)據(jù)通過輸入到nRF24L01，當CE信從1變?yōu)?時,nRF24L01就把從單片機收到的數(shù)據(jù)以2Mbit/s的速率發(fā)射出去；系統(tǒng)設(shè)為接收模式，nRF24L01就一直在監(jiān)測天線上的信號；假設(shè)有同頻的信號，就收下并翻開信息包讀取地址,地址與自己的相同就取出信息包里的有用數(shù)據(jù),并使IRQ信號為低電平通知單片機來取走。圖4-1nRF24l01與單片機連接電路圖4.2nRF24L01模塊軟件設(shè)計在本設(shè)計的系統(tǒng)中，各個子模塊接受到的數(shù)據(jù)都由下位機發(fā)送，子模塊根據(jù)得到的數(shù)據(jù)去控制相應(yīng)水泵的輸入電壓，而且nRF24l01有硬件CRC校驗，所以數(shù)據(jù)傳輸方向使用單向傳輸就可以滿足要求，子模塊無需發(fā)送數(shù)據(jù)給下位機。即上位機對nRF24l01的操作只有初始化和發(fā)送數(shù)據(jù)，子模塊對nRF24l01的操作有初始化的接受數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中采用ShockBurstTMMode完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收.下面具體介紹發(fā)送和接收的軟件編程。nRF24l01發(fā)送模式的過程為:1)配置存放器位PRIM_RX為低；2)當MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時,接收節(jié)點地址和有效數(shù)據(jù)通過SPI接口寫入nRF24L01。當CSN為低時發(fā)送數(shù)據(jù)被不斷地寫入；3)設(shè)置CE為高,啟動發(fā)射.CE高電平持續(xù)時間最小為10μs；4)啟動內(nèi)部16MHz時鐘,MCU設(shè)置發(fā)送速度為1Mbps,無線發(fā)送數(shù)據(jù)；5)假設(shè)啟動了自動應(yīng)答模式,nRF24L01立即進入接收模式；6)如果CE置低,那么系統(tǒng)進入待機模式。根據(jù)以上思路，給出下位機的相關(guān)程序：初始化： SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);//寫本地地址 SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);//寫接收端地址,P0 SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P1,RX_ADDRESS_P1,RX_ADR_WIDTH);//寫接收端地址,P1 SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P2,RX_ADDRESS_P2,RX_ADR_WIDTH);//寫接收端地址,P2 SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P3,RX_ADDRESS_P3,RX_ADR_WIDTH);//寫接收端地址,P3 SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P4,RX_ADDRESS_P4,RX_ADR_WIDTH);//寫接收端地址,P4 SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P5,RX_ADDRESS_P5,RX_ADR_WIDTH);//寫接收端地址,P5// SPI_RW_Reg(WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1f); //不自動重發(fā) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x3f);//頻道0,1,2,3,4,5自動 ACK應(yīng)答允許 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x3f);//允許接收地址只有頻道0,1,2,3,4,5， SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0);//設(shè)置信道工作為2.4GHZ，收發(fā)必須一致 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);//設(shè)置通道0接收數(shù)據(jù)長度，本次設(shè)置為3字節(jié) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P1,RX_PLOAD_WIDTH);//設(shè)置通道1接收數(shù)據(jù)長度，本次設(shè)置為3字節(jié) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P2,RX_PLOAD_WIDTH);//設(shè)置通道2接收數(shù)據(jù)長度，本次設(shè)置為3字節(jié) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P3,RX_PLOAD_WIDTH);//設(shè)置通道3接收數(shù)據(jù)長度，本次設(shè)置為3字節(jié) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P4,RX_PLOAD_WIDTH);//設(shè)置通道4接收數(shù)據(jù)長度，本次設(shè)置為3字節(jié) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P5,RX_PLOAD_WIDTH);//設(shè)置通道5接收數(shù)據(jù)長度，本次設(shè)置為3字節(jié) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07); //設(shè)置發(fā)射速率為1MHZ，發(fā)射功率為最大值0dB發(fā)射數(shù)據(jù)： CE=0; //StandByI模式 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,30);//設(shè)置信道工作為2.4GHZ，收發(fā)必須一致 SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P3,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);//裝載接收端地址 SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,tx_buf,TX_PLOAD_WIDTH); //裝載數(shù)據(jù) SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0e); //IRQ收發(fā)完成中斷響應(yīng)，16位CRC，主發(fā)送 CE=1; //置高CE，激發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送 inerDelay_us(20);nRF24l01接收模式和發(fā)送模式的設(shè)置過程大概相同,具體過程為：1)配置存放器位:PRIM_RX為高；2)翻開所使用的接收數(shù)據(jù)通道,自動應(yīng)答功能,有效數(shù)據(jù)寬度由設(shè)置；3)設(shè)置CE為高啟動接收模式;4)130μs后nRF24L01開始檢測空中信息;5)接收到有效的書包后,數(shù)據(jù)存儲在RX_FIFO中,同時RX_DR位置高；6)如果啟動自動應(yīng)答功能,那么發(fā)送應(yīng)答信號；7)MCU設(shè)置CE腳為低，進入待機模式。根據(jù)以上思路給出子模塊的nRF24l01相關(guān)的程序：初始化：各個子模塊的對nRF24l01的初始化和下位機的初始化大致相同，只需要給在最后加上一段函數(shù)把nRF24l01設(shè)置為接受模式： CE=0; SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x07); //IRQ收發(fā)完成中斷響應(yīng)，16位CRC ，主接收 CE=1; inerDelay_us(130);接受數(shù)據(jù)：當有數(shù)據(jù)到達的時候會產(chǎn)生中斷，且相應(yīng)的狀態(tài)標志位會置位，所以在相應(yīng)的中斷函數(shù)里面加上以下程序。unsignedcharrevale=0; sta=SPI_Read(STATUS); //讀取狀態(tài)存放其來判斷數(shù)據(jù)接收狀況 if(RX_DR) //判斷是否接收到數(shù)據(jù) { CE=0; //SPI使能 SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);//readreceivepayloadfromRX_FIFObuffer revale=1; //讀取數(shù)據(jù)完成標志 } SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,sta);//接收到數(shù)據(jù)后RX_DR,TX_DS,MAX_PT都置高為1，通過寫1來清楚中斷標志 returnrevale;5.水泵控制系統(tǒng)5.1水泵的選定方案一：采用變頻器控制交流潛水泵，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，缺點為價格偏貴。方案二：采用直流潛水泵，這樣會增加電路的電路復(fù)雜性，控制經(jīng)度偏低，優(yōu)點是價格偏低。本系統(tǒng)是小型系統(tǒng)，本錢問題必須考慮，控制精度要求不是很高。根據(jù)上述說明，選擇方案二。5.2水泵控制原理圖的設(shè)計直流水泵的揚程取決于輸入電壓的大小，所以可以改變潛水泵輸入電壓的大小來改變水柱的高度。在本設(shè)計中采用的直流母線是12V。采用BUCK電路來實現(xiàn)DC/DC電壓變換。其原理圖如5-1所示：圖5-1BUCK電路BUCK電路在電流連續(xù)模式下的工作原理，其中D為驅(qū)動脈沖占空比，T為驅(qū)動脈沖周期：當t[0,DT]時，控制信號使J1導(dǎo)通，D4截止，向L1充磁，向電容充電。Vin=U(t)+Vout(t)(5-1)當t[DT,T]時，J1截止，D4續(xù)流，輸出電壓靠L1與電容放電維持。0=-U(t)+Vout(t)(5-2)根據(jù)(1),(2)電感伏秒平衡可知：=(5-3)得：Vout=DVin(5-4)由(5-4)可知只需要改變占空比D就可以控制直流水泵兩端的電壓，從而改變水泵揚程的大小。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源的設(shè)計。在本次設(shè)計中使用TL494來產(chǎn)生DC/DC的PWM驅(qū)動信號。TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如5-2圖所示：圖5-2TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過5腳和6腳外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)。公式為：f=1.1/(Rt*Ct)。輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比擬來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受或非門控制，僅當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才工作，亦即鋸齒波電壓大于控制信號期間工作。因此，當控制信號增大時，輸出的脈沖寬度將減小。PWM驅(qū)動信號原理如圖5-3所示；TL494的2腳接單片機DA轉(zhuǎn)換得到的基準電壓。1腳接DC/DC輸出電壓，10腳產(chǎn)生PWM信號。這樣只用改變單片機DA出來的信號，機可以改變占空比D，從而控制水泵的揚程。5-3PWM驅(qū)動信號原理圖5.3水泵控制系統(tǒng)的實物圖實物圖如5-4所示，我只做了三個水泵控制，控制水泵1,2,4通道。輸入的電源由太陽能控制系統(tǒng)供應(yīng)，輸出接直流水泵。5-4水泵控制子系統(tǒng)實物6.功放6.1功放電路設(shè)計在音樂噴泉中，音樂是少不了的，所以一個好的功放能給人的很好的享受。在本系統(tǒng)中，我采用的功放是NE5532+LM1785的組合，NE5532作為前級，LM1875作為后級驅(qū)動。NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器〔雙運放〕集成電路。與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及通道放大器。用作音頻放大時音色溫暖，保真度高，在上世紀九十年代初的音響界被發(fā)燒友們譽為“運放之皇〞，至今仍是很多音響發(fā)燒友手中必備的運放之一。而LM1875是一款功率放大集成塊！是美國國半公司研發(fā)的一款功放集成塊！它在使用中外圍電路少而且有完善的過載保護功能！它為五針腳形狀！一針腳為信號正極輸入二針腳為信號負極輸入三針腳接地五針腳電源正極輸入四針腳為信號輸出。LM1875采用TO-220封裝結(jié)構(gòu)，形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大。該集成電路內(nèi)部設(shè)有過載過熱及感性負載反向電勢平安工作保護。立體聲有左右兩個通道且左右兩個通道的的電路完全相同，下面給出左聲道的功放電路圖如圖6-1所示。圖6-1左聲道功放電路圖6.2喇叭保護板電路設(shè)計在我們開機和關(guān)機的時候功放會產(chǎn)生尖峰，所以在早期的功放里面會聽到“啪〞的一聲，這樣會對喇叭產(chǎn)生損壞。所以在一個功放里面喇叭保護板能很好的防止尖峰脈沖，提高喇叭的使用壽命。UPC1237是一款經(jīng)典的喇叭保護IC，具有很寬的工作電壓范圍〔25～60V〕，具備開機延遲、功放輸出端直流漂移檢測、即時關(guān)機功能。圖6-2中，7腳為延時檢測，延時后6腳控制常開繼電器閉合，喇叭開始工作，防止了開機沖擊；2腳為功放輸出中點直流漂移檢測接兩個電阻后接功放左右聲道輸出，當檢測到有直流輸出時〔一般為零點幾伏〕，切斷繼電器，保護喇叭；4腳為關(guān)機檢測，因為4腳是從功放變壓器取電，且濾波電容較小，當關(guān)閉功放電源時，馬上能檢測到電壓跌落，繼而切斷繼電器，此時功放因為有大容量濾波電容存在不會馬上停止工作，而喇叭已被切斷，從而防止了關(guān)機沖擊。圖6-2喇叭保護板6.3功放PCB下面給出完整的功放PCB板圖，如圖6-3所示。圖6-3功放PCB7.太陽能子系統(tǒng)7.1太陽能電池太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應(yīng)原理工作的太陽能電池那么還處于萌芽階段。太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴--電子對。在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。太陽能電池的等效電路模型〔如圖7-1所示〕能夠幫助我們深入了解這種器件的工作原理。理想PV電池的模型可以表示為一個感光電流源并聯(lián)一個二極管。光源中的光子被太陽能電池材料吸收。如果光子的能量高于電池材料的能帶，那么電子就被激發(fā)到導(dǎo)帶中。如果將一個外部負載連接到PV電池的輸出端，那么就會產(chǎn)生電流。圖7-1電池的等效電路模型圖7-1由一個串聯(lián)電阻〔RS〕和一個分流電阻〔rsh〕和一個光驅(qū)電流源構(gòu)成的光伏電池等效電路。由于電池襯底材料及其金屬導(dǎo)線和接觸點中存在材料缺陷和歐姆損耗，PV電池模型必須分別用串聯(lián)電阻〔RS〕和分流電阻〔rsh〕表示這些損耗。串聯(lián)電阻是一個關(guān)鍵參數(shù)，因為它限制了PV電池的最大可用功率〔PMAX〕和短路電流〔ISC〕。PV電池的串聯(lián)電阻〔rs〕與電池上的金屬觸點電阻、電池前外表的歐姆損耗、雜質(zhì)濃度和結(jié)深有關(guān)。在理想情況下，串聯(lián)電阻應(yīng)該為零。分流電阻表示由于沿電池邊緣的外表漏流或晶格缺陷造成的損耗。在理想情況下，分流電阻應(yīng)該為無窮大。7.2太陽能控制器太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設(shè)備。圖7-2為小功率太陽能控制器電路結(jié)構(gòu)圖,蓄電池和太陽能電池陣列直接禍合,當白天有陽光時,太陽能電池陣列向蓄電池充電,當夜晚或陰天陽光缺乏時,蓄電池放電,保證負載不停電。圖7-2太陽能控制器電路結(jié)構(gòu)圖在本系統(tǒng)中采用的太陽能控制器如圖7-3所示：圖7-3本系統(tǒng)使用的太陽能控制器安裝使用說明：1.導(dǎo)線的準備：使用與電流想匹配的導(dǎo)線，方案好長度，將接控制器一側(cè)的接線頭剝?nèi)?mm的絕緣，盡可能減少接線的長度。已減少電的損耗。2.連接蓄電池：注意“+〞，“-〞極不要接反。如果正確接線，蓄電池指示燈會亮，否那么需要檢查線路是否正確。3.連接太陽能板：注意“+〞，“-〞極不要接反。如果有陽光，太陽能板指示燈會亮，否那么檢查線路是否正確。4.連接負載：注意“+〞，“-〞極不要接反。電流不能超過控制器的額定電流。結(jié)論本文設(shè)計的太陽能音樂噴泉控制系統(tǒng)是旅游景點內(nèi)用的小型音樂噴泉，充分表達了經(jīng)濟型和實用性的原那么，并且噴泉的安裝方便、維護簡單，能夠滿足用戶的需求。在系統(tǒng)設(shè)計中，運用52單片機與上位機相結(jié)合來控制水泵，結(jié)合了52單片機控制簡單和上位機信號處理的優(yōu)越能力的特點。并給出了小型太陽音樂噴泉的實物模型。本系統(tǒng)是對音樂的頻域信號分析后給出的水泵控制信號，所以此系統(tǒng)能很好的適應(yīng)不同的音樂。缺乏之處在于：本次設(shè)計中只是給出了太陽能系統(tǒng)的小型實物模型。對噴泉的控制方式單一，只對水泵的水柱高度進行了控制，例如燈光，角度，形狀沒有進行控制。而且沒有對系統(tǒng)的防水，水泵的整體布局等其他方面進行設(shè)計。參考文獻[1]肖揚,肖晨帆.VS2023下的Ribbon界面開發(fā)[J].計算機平安與維護.2023[2]陸瑤,景鑫.基于C#環(huán)境的單片機(89C51)與PC的串行通信[J].信息技術(shù).2023.[3]劉榮,圈圈教你玩USB,北京航空航天大學出版社[M].2023[4]陳麗娟,常丹華.基于nRF2401的無線數(shù)據(jù)通信[J].電子器件,2006,1:2482250.[5]魏立誠,朱桂林.基于DirectShow的視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程,2006.[6]張長森,數(shù)字信號處理[M],中國電力出版社,2007[7]李健,許祖,武王大晶.模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0831的應(yīng)用[J].電測和儀表.[8]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.[9]吳春華,光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究[D],上海大學博士學士論文.2023.[10]張艷紅,新型太陽能控制器的研制[J],ENERGYCONSERVATION,2006致謝我在這次畢業(yè)設(shè)計過程中，得到了老師們和同學們的大力幫助。特別要感謝老師對我的指導(dǎo)，在將近三個月的設(shè)計中，從最初的選題、方案擬定及方案確定，到具體的設(shè)計過程中，所遇到的問題和困難，如何解決這些問題及困難，以及最后的設(shè)計審查，老師都給以了細心的指導(dǎo)和糾正，使得我的畢業(yè)設(shè)計才順利的圓滿的完成。此外，還要感謝自動化學院的全體老師，是他們給我打下了堅實的根底，為我的畢業(yè)設(shè)計做出了良好的鋪墊，也為我的畢業(yè)設(shè)計提供了不少的意見和建議，在此表示衷心的感謝。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學會了如何綜合運用所學的專業(yè)知識，如何查閱相關(guān)資料，并從中提取有用信息來幫助我完成設(shè)計。使我深深地感到：作為一個設(shè)計者，如何進行一個產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計，并對其設(shè)計過程如何進行優(yōu)化選擇有了初步的認識，為以后的工作打下了堅實的根底。我所獲得的這些知識都是長春工程學院對我辛勤培養(yǎng)的結(jié)果。因此，我要感謝母校的各級領(lǐng)導(dǎo)及老師們，謝謝你們四年來對我的教育和引導(dǎo)。由于本人水平有限、經(jīng)驗缺乏、時間倉促，設(shè)計中難免存在缺乏之處，敬請各位老師批評指正。附錄附錄ⅠFFT變換代碼publicvoidToFFT(){/**********followingcodeinvertsequence************/ for(inti=0;i<samplesNumber;i++) {/* x0=x1=x2=x3=x4=x5=x6=0; x0=i&0x01;x1=(i/2)&0x01;x2=(i/4)&0x01;x3=(i/8)&0x01;x4=(i/16)&0x01;x5=(i/32)&0x01;x6=(i/64)&0x01; xx=x0*64+x1*32+x2*16+x3*8+x4*4+x5*2+x6; dataI[xx]=dataR[i];*/intxx=0;int[]x=newint[n]; for(intj=0;j<N;j++) x[j]=0; for(intj=0;j<N;j++) x[j]=(i>>j)&0x01; for(intj=0;j<N;j++) xx+=x[j]*(samplesNumber>>1>>j); dataI[xx]=dataR[i]; } for(inti=0;i<samplesNumber;i++) { dataR[i]=dataI[i];dataI[i]=0; } /**************followingcodeFFT*******************/ for(intL=1;L<=N;L++) {/*for(1)*/intb=1;inti; b=1;i=L-1; while(i>0) { b=b*2;i--; }/*b=2^(L-1)*/ for(intj=0;j<=b-1;j++)/*for(2)*/ {intp;p=1;i=n-L; while(i>0)/*p=pow(2,7-L)*j;*/ { p=p*2;i--; } p=(int)(p*j); for(intk=j;k<samplesNumber;k=k+2*b)/*for(3)*/ { floatTR;floatTI;floattemp;TR=dataR[k];TI=dataI[k];temp=dataR[k+b];dataR[k]=(float)(dataR[k]+dataR[k+b]*Math.Cos(Math.PI*2*p/this.SamplesNumber)+dataI[k+b]*Math.Sin(Math.PI*2*p/this.SamplesNumber));dataI[k]=(float)(dataI[k]-dataR[k+b]*Math.Sin(Math.PI*2*p/this.SamplesNumber)+dataI[k+b]*Math.Cos(Math.PI*2*p/this.SamplesNumber));dataR[k+b]=(float)(TR-dataR[k+b]*Math.Cos(Math.PI*2*p/this.SamplesNumber)-dataI[k+b]*Math.Sin