单片机音乐频谱.docx

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单片机音乐频谱

题目：

单片机LED音乐频谱的设计

院（系）：

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师：

2011年07月07日

摘要

该系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2为主控制器，通过单片机内置的

ADC对音频信号进行采样、量化，然后通过快速傅里叶变换运算，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。

该方案具有电路结

构简洁，开发、生产成本低的优点。

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

3．2总体方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3

4．3总体方案组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

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

3．1单片机主控电路设计主控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6

4．2LED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、手机、计算机输出的音乐信号进行实时的频

谱显示。

系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2为主控制芯片，通过单片机内

置的ADC对音频信号进行采样，把连续信号离散化，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况下，本系统比采用DSP或ARM作为主控制芯片的设

计方案具有电路结构简洁，开发、生产成本低的优点。

2.方案设计

2.1设计要求

1.单片机自带AD转换，这样省去外围AD电路。

2.控制LED随着音乐跳动，需要理解傅里叶原理。

2.2总体方案设计

经分析，将系统分为两个部分，一个是由单片机组成的主控。

另一部分是LED显示部分，

单片机对接收到的音频进行处理经过傅里叶换算后在LED显示，5V稳压电源给各个部分供电。

该系统实现的方法有很多种，下面将列出大家最经常用到的实现方案。

系统框图如图1

所示

音频信号

图1音乐频谱总体系统框图

该系统由音频信号预处理电路、单片机STC12C5A60S2控制电路、LED频谱显

示电路等部分组成。

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

系统各组部分的功能：

（1）音频信号预处理电路主要对输入的音频进行电压放大

和电平提升。

（2）单片机STC12C5A60S2控制电路采用内置的ADC对音频信号进行

采样量化，然后对量化后的音频数据采用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控制下，负责将FFT计算得到的音频

信号的各个频点的大小进行直观显示。

1.音频信号预处理电路

图2音频信号预处理电路

音频信号预处理电路见图2所示，对输入的音频进行电压放大和电平提升。

手机、

计算机输出的音频信号Vin经过RP1进行电压调节后，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，

一方面可以简化系统电源电路的设计，直接采用系统的+5V供电即可;另一方面其输出

端静态电压为VCC/2，即2.5V。

放大后的音频信号和这2.5V叠加后变为直流电压信

号，满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。

2.单片机STC12C5A60S2控制电路

STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的新一代单时钟/机器周期（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]。

特别是它带硬件乘法/除法指令，使乘法指令执行时间从传统

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运算速度得

到大幅度提高。

在本系统中，STC12C5A60S2单片机负责完成对音频信号进行A/D

变换，然后采用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

根据香农采样定理，一般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，所以理论上采样频率最高取40kHz。

本设计

采用单片机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（P1.0-P1.7），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特殊功能寄存器的

SPEED1，SPEED0位进行控制，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，完全可满足对音频信号的

采样需要。

（2）音频信号频谱值的计算

我们采用快速傅里叶算法（FFT）来计算音频信号的频谱值。

根据FFT运算规律，

如ADC以fs的采样频率取N个采样点，经过FFT运算之后，就可以得到N个点的

复数序列。

通常为了方便进行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就是对应该频率

下原始信号的幅度（对于第1个点则是除以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，通常只使用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，经过FFT运算后将得到128个频率点。

由于

FFT结果的对称性，我们选取前64个点进行显示。

现在FFT算法已发展出多种形式，本系统采用按时间抽选（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算法主要由倒位序运算和多级蝶形运算实现。

a.倒位序运算的实现

DIT基-2FFT算法通常将原始数据序列倒位序存储，运算后的结果则按正常顺序

输出。

一般的数字信号处理的教材都介绍雷德（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，采用查表方式实现倒位序操

作速度会更快。

b.蝶形运算的实现

根据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个蝶形运算构成。

每个蝶形运算结构见图3所示[2]。

图3按时间抽选蝶形运算结构

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）。

每个蝶形结构完成下述基本迭代运算[2]：

设Xm=Rm+jIm，将式

（1）转变为实部和虚部的表示形式，得到：

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，需把复数运算转变为实数运算。

同理，将式

（2）转变为：

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。

3.频谱值的显示

系统中采用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，可以看到每列根据频率幅度的大小在跳动。

2.3整体系统组成

本系统硬件部分由单片机主控电路、LED显示部分、音频采集等部分组成，其中单片机主

控电路有外接晶振，电源供电电路阻等部分组成。

软件部分详细见下文。

单片机全系统如下图2所示。

3.系统电路设计

3.1单片机主控电路设计

单片机主控模块包括了振落电路、音频采集电路，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控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。

硬件

实现上采用模块化设计，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起。

这

种设计方法可以降低系统设计的复杂性。

控制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CMOS位微控制器，具有88K在系统可编程Flash存储器，

采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；片上Flash允许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为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案；价格低廉、性能可靠、

抗干扰能力强。

因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。

单片机主控电路原理图如下所示：

4.1单片机主控电路原理图

3.2LED显示模块电路设计