单片机音乐频谱Word文件下载.docx

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关键词：

单片机；

傅里叶；

LED;

1.引言…………………………………………………………………………………………1

2.方案设计……………………………………………………………………………………2

2．1设计要求……………………………………………………………………………2

2．2整体方案设计………………………………………………………………………3

2．3整体方案组成………………………………………………………………………6

3.系统电路设计………………………………………………………………………………6

3．1单片机主控电路设计主操纵器………………………………………………………6

3．2LED显示模块电路设计………………………………………………………………7

4.软件设计………………………………………………………………………………………8

4．1软件设计流程图………………………………………………………………………8

5．系统的测试…………………………………………………………………………………8

6．结论…………………………………………………………………………………………9

7．参考文献……………………………………………………………………………………11

8.附录…………………………………………………………………………………………14

1.引言

本文介绍的音乐频谱显示器可对mp3、电话、运算机输出的音乐信号进行实时的频谱显示。

系统采纳增强型8051单片机STC12C5A60S2为主操纵芯片，通过单片机内置的ADC对音频信号进行采样，把持续信号离散化，然后通过快速傅里叶变换（FFT）运算，在频域计算出音频信号各个频率分量的功率，最后通过双基色LED单元板进行显示。

在显示的频率点不多的情形下，本系统比采纳DSP或ARM作为主操纵芯片的设计方案具有电路结构简练，开发、生产本钱低的优势。

2.方案设计

设计要求

1.单片机自带AD转换，如此省去外围AD电路。

2.操纵LED随着音乐跳动，需要明白得傅里叶原理。

整体方案设计

经分析，将系统分为两个部份，一个是由单片机组成的主控。

另一部份是LED显示部份，单片机对接收到的音频进行处置通过傅里叶换算后在LED显示，5V稳压电源给各个部份供电。

该系统实现的方式有很多种，下面将列出大伙儿最常经常使用到的实现方案。

系统框图如图1所示

显示电路

单片机

电源

音频信号

图1音乐频谱整体系统框图

该系统由音频信号预处置电路、单片机STC12C5A60S2操纵电路、LED频谱显示电路等部份组成。

图l为系统整体设计原理框图。

　　图1系统整体设计原理框图 

　　系统各组部份的功能：

（1）音频信号预处置电路要紧对输入的音频进行电压放大和电平提升。

（2）单片机STC12C5A60S2操纵电路采纳内置的ADC对音频信号进行采样量化，然后对量化后的音频数据采纳FFT算法计算其频谱值，再将各频谱值进行32级量化。

（3）LED频谱显示电路在单片机的操纵下，负责将FFT计算取得的音频信号的各个频点的大小进行直观显示。

　　图2音频信号预处置电路 

　　音频信号预处置电路见图2所示，对输入的音频进行电压放大和电平提升。

电话、运算机输出的音频信号Vin通过RP1进行电压调剂后，经集成运放LMV358反相放大10倍（Av=-R3/R2=-10），提高系统的灵敏度。

选用单电源供电的运放LMV358，一方面能够简化系统电源电路的设计，直接采纳系统的+5V供电即可;

另一方面其输出端静态电压为VCC/2，即。

放大后的音频信号和这叠加后变成直流电压信号，知足后面单片机内置的ADC对输入电压量程的要求。

另外，LMV358为轨到轨输出运放，它可在+5V单电源供电条件下仍具有较大的动态输出范围。

　　STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的新一代单时钟/机械周期（1T）8051单片机，具有高速、低功耗及超强抗干扰等特点，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍;

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）等资源[1]。

专门是它带硬件乘法/除法指令，使乘法指令执行时刻从传统8051的48个晶振周期减少到4个晶振周期，使需要大量乘法运算的FFT运算速度取得大幅度提高。

在本系统中，STC12C5A60S2单片机负责完成对音频信号进行A/D变换，然后采纳FFT算法计算音频信号频谱，并将计算结果输出到LED频谱显示电路。

（1）音频信号的A/D变换 

　　依照香农采样定理，一样采样频率至少应为所采样音频信号最高频率的2倍。

由于人耳能够感受的频率为20Hz-20kHz，因此理论上采样频率最高取40kHz。

本设计采纳单片机STC12C5A60S2内置的ADC对音频信号进行采样、量化。

STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在P1口（），有8路10位的高速ADC，其输入电压量程为0-Vcc，转换速度可通过ADC_CONTR特殊功能寄放器的SPEED1，SPEED0位进行操纵，速度最快可设置为每90个时钟周期转换一次。

在外接晶振为24MHz时，ADC的转换速度可达到330KHZ，完全可知足对音频信号的采样需要。

（2）音频信号频谱值的计算 

　　咱们采纳快速傅里叶算法（FFT）来计算音频信号的频谱值。

依照FFT运算规律，如ADC以fs的采样频率取N个采样点，通过FFT运算以后，就能够够取得N个点的复数序列。

一样为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方：

N=2L（L为正整数）。

这N个点的FFT结果，每一个点就对应着原始信号的一个频率点，即第n点所表示的频率为f=n×

fs/N，n=0，1，…，（N-1）;

该点的模值除以N/2确实是对应该频率下原始信号的幅度（关于第1个点那么是除以N）;

该点的相位即是对应该频率下原始信号的相位。

由于FFT结果的对称性，通常只利用FFT运算后的前N/2个点的数值。

本系统每隔10ms采样一次128个点，通过FFT运算后将取得128个频率点。

由于FFT结果的对称性，咱们选取前64个点进行显示。

　　此刻FFT算法已进展出多种形式，本系统采纳按时刻抽选（DIT）的基-2FFT算法，这种算法程序相对较简单，节省存储单元，运行效率较高，比较适合用单片机编程实现。

DIT基-2FFT算法要紧由倒位序运算和多级蝶形运算实现。

　　DIT基-2FFT算法通常将原始数据序列倒位序存储，运算后的结果那么按正常顺序输出。

一样的数字信号处置的教材都介绍雷德（Rader）算法，通过“反向进位加法”将原始数据序列进行倒位序存储[2]。

雷德算法的灵活性较大，但在本系统中，参与运算的数据点数只有128个，通过预先编制倒位序查询表，采纳查表方式实现倒位序操作速度会更快。

　　依照DIT基-2FFT算法原理，N点FFT运算由log2N级，每级N/2个蝶形运算，共（N/2）log2N个蝶形运算组成。

每一个蝶形运算结构见图3所示[2]。

　　图3按时刻抽选蝶形运算结构 

　　蝶形运算结构图中，m表示第m级的蝶形运算，k为蝶形运算第一节点所在行数，b为蝶形运算两节点距离，b=2m-1，WNr为旋转因子，WNr=cos（2πr/N）-jsin（2πr/N）。

每一个蝶形结构完成下述大体迭代运算[2]：

　　设Xm=Rm+jIm，将式

（1）转变成实部和虚部的表示形式，取得：

由上面式

（1）、式

（2）可见，一个蝶形运算需要一次复数乘法Xm-1（k+b）WNr及两次复数加（减）法。

在单片机系统中编程实现时，需把复数运算转变成实数运算。

　　　同理，将式

（2）转变成：

　　将sin、cos函数做成表格sin_tab[128]、cos_tab[128]，直接查表可提高运算速度。

　　系统中采纳5*11个不同颜色的草帽LED进行显示，每列显示音频信号的一个频率点，每列LED点亮的高度表示该频率点幅度的大小。

整个显示板一共有5列，工作的时候，能够看到每列依照频率幅度的大小在跳动。

整体系统组成

本系统硬件部份由单片机主控电路、LED显示部份、音频搜集等部份组成，其中单片机主控电路有外接晶振，电源供电电路阻等部份组成。

软件部份详细见下文。

单片机全系统如以下图2所示。

3.系统电路设计

单片机主控电路设计

单片机主控模块包括了振落电路、音频搜集电路，同时接入了各个模块的接口，保证了整个系统的灵活性。

单片机是整个系统的操纵中枢，它指挥外围器件和谐工作，从而完成特定的功能。

硬件实现上采纳模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一路。

这种设计方式能够降低系统设计的复杂性。

操纵电路的核心器件是由美国Atmel公司生产的AT89S52单片机，属于MCS-51系列。

AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微操纵器，具有8K在系统可编程Flash存储器，采纳的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；

片上Flash许诺程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器；

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式操纵应用系统提供高灵活、超有效的解决方案；

价钱低廉、性能靠得住、抗干扰能力强。

因此普遍应用于工业操纵和嵌入式系统中。

单片机主控电路原理图如下所示：

图单片机主控电路原理图

LED显示模块电路设计

4.软件设计

软件设计流程图

FFT倒序流程图

FFT计算流程图

5.系统测试

制作的进程中第一碰到的问题是LED如何组装，通过查阅资料发觉，能够利用LED的管脚相互依照电路图连接起来，那个时候主若是利用万用表来测试，LED灯到底有无坏掉的。

通电后，在无音频输入时，LED应该无闪烁跳动现象。

在制作完成的时候，发觉LED灯闪烁，那个时候，在音频输入端接入了47p的电容，如此就解决了那个问题。

6.结论

本系统采纳增强型8051单片机STC12C5A60S2实现音乐频谱显示，该方案硬件电路设计简单、本钱低，并具有较高的有效价值。

本方案是通过ADC采样输入的音频信号，ADC采样完成以后，将数据进行倒序排列并进行FFT运算，结果通过TFT液晶显示出来。

由于采纳的处置器的处置能力的缘故，不能做到很高的采样频率和很精细的频率分辨率，要提高系统的频率分辨率，就需要增加采样点数。

能够借助PC的壮大处置能力，将采样的数据通过预留的串口传送给PC，在PC上完成FFT运算和显示，这确实是虚拟仪器的方式，实际工作中应用前景也超级大。

谢辞

感激教师对咱们的指导。

完成了那个实训任务，尽管结果差强人意，可是仍是有进步的，有收成的。

希望以后在学习生活中能继续好勤学习。

7.参考文献

[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机械件手册[M].2020. 

　　[2]程佩青.数字信号处置教程（第二版）[M].北京：

清华大学出版社，2001. 

单片机的LED显示屏开关技术（第2版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2020. 

　　作者简介：

　　吴永德（1980―），男，讲师，从事电子技术专业教学及研究。

　　罗萍（1979―），女，讲师，从事运算机技术专业教学及研究。

附录：

电路图：

程序:

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>

//"

"

#include<

#defineLon