基于单片机的音频频谱显示器设计.docx
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基于单片机的音频频谱显示器设计
目次
1绪论-----------------------------------------------------------1
2系统功能-------------------------------------------------------1
3系统设计-------------------------------------------------------2
3.1主控单元----------------------------------------------------2
3.2STC12C5A60S2系列单片机单片机的A/D转换器-------------------10
3.3STC12C5A60S2系列单片机单片机的I/O口结构-------------------11
3.4频谱显示单元-----------------------------------------------14
4音频频谱显示相关问题-------------------------------------------16
4.1频谱及频谱显示---------------------------------------------16
4.2FFT运算规则及编程思想--------------------------------------17
5总结-----------------------------------------------------------22
参考文献-------------------------------------------------------24
致谢-----------------------------------------------------------23
附录A源程序-------------------------------------------------25
附录B系统电路图---------------------------------------------32
1绪论
随着电子技术的进步发展在功率放大器的设计上功能也不断更新。
电子信息技术几乎主宰了整个电器行业的发展。
我们知道，一切声音都是由振动产生的。
声音之所以千变万化各不相同，是因为它们的振动各不相同。
产生音调高低的不同，是由于振动的频率不同。
频率越高，音高也就越高。
根据傅立叶分析，任何声音可以分解为数个甚至无限个正弦波，而它们往往又包含有无数多的谐波分量。
而它们又往往是时刻在变化着。
所以一个声音的构成其实是很复杂的。
将声音的频率分量绘制成曲线，就形成了频谱。
本设计通过STC12C5A60S2单片机及外围器件组成的系统实现音频信号的频谱显示,将音频信号送入STC12C5A60S2单片机的A/D转换接口进行数据的采集和预处理，然后送入单片机中通过编程实现频谱计算，在LCD1604上实时显示音频信号的频谱。
2系统功能
图2.1为系统整体设计原理图
图2.1系统整体设计原理图
本设计以STC12C5A60S2单片机作为主控单元，进行数据采集，A/D转换，频谱计算（FFT），再由LCD1604显示频谱。
且在完成系统其他控制任务的前提下，充分利用单片机剩余计算资源，采用优化FFT算法计算音频信号频谱。
音频数据通过STC12C5A60S2的A/D接口实现模拟音频信号的采样保持和量化处理，包括音频采集和转换（该单片机内置A/D转换）；频谱显示电路实现模拟音频信号频谱的分段显示，它将音频信号频谱划分成14段，每段按照14级量化，由LCD1604显示器件显示。
3系统设计
3.1主控单元
本设计以STC12C5A60S2单片机作为主控单元，进行频谱计算和数据采集，A/D转换，频谱计算（FFT）。
3.1STC12C5A60S2系列单片机简介
3.1.1.1简介
STC12C5A6OS2是宏晶公司推出的完全集成的混合信号片上系统MCU。
1个时钟/机器周期，低成本、高可靠性、高速A/D转换。
带8通道模拟多路开关，转换速度250K/S（25万次/秒）；具有可编程数据更新方式；60KB系统编程的Flash内存。
1280字节的片内RAM，可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口。
硬件实现的ISP/IPA在线系统可编程/在线应用可编程。
可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序：
6个通用的16位定时器。
兼容普通8051的定时器T0/T1，4路PCA也是4个定时器：
2通道捕获/比较单元（PWM2路/PCA可编程计数器阵列4路/CCU）一可用来当2路D/A使用、用来再实现2个定时器或2个外部中断STC12C5A60S2是真正能独立工作的片上系统STC12C5A60S2的功能均可由用户进行设置使能/禁止。
3.1.1.2STC12C5A60S2主要性能：
▲高速：
1个时钟／机器周期，速度比普通MCS一51单片机快8～l2倍；
▲宽电压：
5.5～3.3V，2.2～3.6V；
▲低功耗设计：
掉电模式（可由外部中断唤醒）。
可支持下降沿／上升沿和远程唤醒；
▲增加外部掉电检测电路，可在掉电时及时将数据保存EPROM；
▲工作频率：
0～35MHz，相当于普通MCS一51单片机的0～420MHz；
▲8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用；
▲每个I／OEl驱动能力均可达到2OmA。
但整个芯片最大不得超过100mA。
图3.1为STC12C5A60S2单片机实物图
图3.1STC12C5A60S2单片机实物图
3.1.2STC12C5A60S2系列单片机内部结构
STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图所示。
STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。
图3.2为STC12C5A60S2系列内部结构框图
图3.2STC12C5A60S2系列内部结构框图
3.1.3STC12C5A60S2系列单片机管脚及管脚说明
图3.3为STC12C5A60S2系列单片机管图
图3.3STC12C5A60S2系列单片机管图
管脚说明：
▲P0.0-P0.7：
P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线[A0-A7]，数据线[D0-D7]。
▲CLKOUT2/ADC0/P1.0：
p1.0标准I/O口PORT1[0]
ADC0ADC输入通道-0
CLKOUT2独立波特率发生器的时钟输出，可通过设置WAKE-CLKO[2]位/BRT-CLKO将该管脚配置为CLKOUT2。
▲ADC1/P1.0：
p1.1标准I/O口PORT1[1]
ADC1ADC输入通道-1
▲RxD2/ECI/ADC2/P1.2：
p1.2标准I/O口PORT1[2]
ADC2ADC输入通道-2
ECIPCA计数器的外部脉冲输入脚
RxD2第二串口数据接收端
▲TxD2/CCP0/ADC3/P1.3：
P1.3标准I/O口PORT1[3]
ADC3ADC输入通道-3
CCP0外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出。
TxD2第二串口数据发送端
▲SS/CCP1/ADC4/P1.4：
P1.4标准I/O口PORT1[4]
ADC4ADC输入通道-4
CCP1外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出。
SSSPI同步串行接口的从机选择信号
▲MOSI/ADC5/P1.5：
P1.5标准I/O口PORT1[5]
ADC5ADC输入通道-5
MOSISPI同步串行接口的主出从入（主器件的输出和从器件的输入）
▲MISO/ADC6/P1.6：
P1.6标准I/O口PORT1[6]
ADC6ADC输入通道-6
MISOSPI同步串行接口的主入从出（主器件的输入和从器件的输出）
▲SCLK/ADC7/P1.7：
P1.7标准I/O口PORT1[7]
ADC7ADC输入通道-7
SCLKSPI同步串行接口的时钟信号
▲P2.0-P2.7：
P2口内部有上拉电阻，即可以作为输入/输出，也可以作为高8位地址总线使用[A8-A15]，当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。
▲RxD/P3.0：
P3.0标准I/O口PORT3[0]
RxD串口1数据接收端
▲TxD/P3.1：
P3.1标准I/O口PORT3[1]
TxD串口1数据发送端
▲
/P3.2：
P3.2标准I/O口PORT3[2]
外部中断0，下降沿中断或低电平中断
▲
/P3.3：
P3.3标准I/O口PORT3[3]
外部中断1，下降沿中断或低电平中断
▲CLKOUT0/
/T0/P3.4：
P3.4标准I/O口PORT3[4]
T0定时器/计数器0的外部输入
定时器0下降沿中断
CLKOUT0定时器/计数器0的时钟输出，可通过设置WAKE-CLKO[0]位/TOCLKO将该管脚设置为CLKOUT0
▲CLKOUT1/
/T1/P3.5：
P3.5标准I/O口PORT3[5]
T1定时器/计数器1的外部输入
定时器1下降沿中断
CLKOUT1定时器/计数器1的时钟输出，课通过设置WAKE-CLKO[1]位/TOCLKO将该管脚设置为CLKOUT1
▲
/P3.6：
P3.6标准I/O口PORT3[6]
外部数据存储器写脉冲
▲
/P3.7：
P3.7标准I/O口PORT3[7]
外部数据存储器读脉冲
▲
/P4.0：
P4.0标准I/O口PORT4[0]
SPI同步串行接口的从机选择信号
▲MOSI/ECI/P4.1：
P4.1标准I/O口PORT4[1]
ECIPCA计数器的外部脉冲输入脚
MOSISPI同步串行接口的主出从入（主器件的输出和从器件的输入）
▲MISO/CCP0/P4.2：
P4.2标准I/O口PORT4[2]
CCP0外部信号捕获（频率测量或是当外部中断使用），告诉脉冲输出或脉宽调制输出。
MISOSPI同步串行接口的主入从出（主器件的输入和从器件的输出）
▲SCLK/CCP1/P4.3：
P4.3标准I/O口PORT4[3]
CCP1外部信号捕获（频率测量或是当外部中断使用），告诉脉冲输出或脉宽调制输出。
SCLKSPI同步串行接口的时钟信号
▲NA/P4.4：
P4.4标准I/O口PORT4[4]
设置为1P4.4/NA脚为I/O口（P4.4）
设置为0P4.4/NA脚是弱上拉，无任何功能。
▲ALE/P4.5：
P4.5标准I/O口PORT4[5]
ALE地址锁存允许
▲EX-LVD/P4.6/RST2：
P4.6标准I/O口PORT4[6]
EX-LVD外部低压式中断/比较器
RST2第二复位功能脚
▲P4.7/RST：
P4.7标准I/O口PORT4[7]
RST复位脚
▲P5.0：
标准I/O口PORT5[0]
▲P5.1：
标准I/O口PORT5[1]
▲P5.2：
标准I/O口PORT5[2]
▲P5.3：
标准I/O口PORT5[3]
▲XTAL1：
内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚，当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟的输入端。
▲XTAL2：
内部时钟电路反相放大器输出端，接外部晶振的另一端，当直接使用外部时钟源时，此引脚可悬空。
此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。
▲VCC：
电源
▲GND：
接地
3.1.4STC12C5A60S2单片机最小应用系统
图3.4为STC12C5A60S2单片机最小系统构成的电路图
图3.4STC12C5A60S2单片机最小系统构成的电路
3.1.4.1系统组成
▲复位电路：
时钟频率低于12MHz时，可以不用C1，R1接1K电阻到地。
时钟频率高于12MHz时，建议使用第二复位功能脚。
（STC12C5A60S2系列在RST2/EX_LVD/P4.6口STC12C5201AD系列RST2/EX_LVD/P1.2口）
▲晶振电路：
如果外部时钟频率在33MHz以上时，建议直接使用外部有源晶振。
如果使用内部R/C振荡器时钟（室温情况下5V单片机为:
11MHz～17MHz，3V单片机为8MHz～12MHz），XTAL1和XTAL2脚浮空。
如果外部时钟频率在27MHz以上时,使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体，否则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就只有标称频率的1/3了，或直接使用外部有源晶振，时钟从XTAL1脚输入，XTAL2脚必须浮空。
3.1.4.2结构特点
▲复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。
▲晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。
▲起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4.P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。
▲设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。
计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。
▲设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。
在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。
当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。
由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。
当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms。
3.2STC12C5A60S2系列单片机单片机的A/D转换器
3.2.1STCl2C5A60S2高速A/D转换
本设计无需外加A/D转换，使用的单片机内置A/D接口，音频信号可直接送入单片机进行数据采集和预处理。
STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在Pl口（P1.0～P1.7）有10位8路高速A/D转换器，A/D是电压输入型转换速度25万次/s（250KHz）。
复位后P1口为弱上拉型I/O口。
通过软件可设置将P1（P1.0～P1.7）El中的任何一位为A/D转换位，不用作A/D转换的位可继续用作普通YO口使用。
3.2.2与A/D转换有关控制位的设置
▲对P1ASF寄存器的设置：
当P1口中的相应位作为A/D使用时，需先将P1ASF中的相应位置“1”相应的口设置为模拟功能。
如：
P1ASF.0～P1ASF.7中哪一位为“1”，则P1口中对应的位作为模拟功能D使用。
▲对ADC_CONTR特殊功能寄存器设置：
建议直接用MOV赋值语句。
选择模拟输入通道CHS2/CHSl/CHS0：
如CHS2/CHS1/CHSO=l11～000可分别选择P1.7～P1.0作为ADC的A/D转换输入位。
ADC_START位：
ADC模数转换器转换启动控制位，ADC_START=1时，开始转换。
转换结束后为ADC_START=0。
中断请求标志位ADC_FLAG：
ADC模数转换器转换结束标志位。
当AID转换完成后，ADC_FLAG=1，一定要由软件清零，A/D转换完成后由该位申请中断。
ADC电源控制位ADC_POWER：
ADC_POWER=O，关闭ADC电源，ADC_POWER=1，打开A/D转换器电源。
建议进人空闲模式前，将ADC电源关闭，启动A/D转换前一定要确认A/D电源已打开，A/D转换完成后关闭AD电源可降低功耗。
在A/D转换结束之前，不改变任何I/O口的状态，有利于高精度A/D转换。
▲对IE的设置：
如果允许A/D转换中断，将EA=1打开单片机中断允许总控制位；将EADC=1，这时ADC中断的允许中断控制位。
STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换模块使用的时钟是外部晶体时钟或内部R/C振荡器所产生的时钟。
不使用时钟分频寄存器CLK_DIV。
这样可以让ADC用较高的频率工作，提高A/D的转换速度；还可以让CPU用较低的频率工作，降低系统的功耗。
▲程序中需要注意的问题：
由于是2套时钟，所以，设置ADC_CONTR控制寄存器后，加4个空操作延时才可以正确读到ADC_CONTR寄存器的值。
原因是设置ADC_CONTR控制寄存器的语句执行后，要经过4个CPU时钟的延时，其值才能够保证被设置进ADC_CONTR控制寄存器。
▲对AUXR1寄存器设置：
AUXR1寄存器中的ADRJ位是A/D转换结果寄存器（ADC_RES，ADC_RESL）的数据格式调整控制位。
ADRJ=0，10位A/D转换结果的高八位存放在ADC_RES中，低2位存放在ADC_RESL的低2位中。
ADI~I=1，10位A/D转换结果的高2位存放在ADC_RES中低2位中，低8位存放在ADC_RESL中。
图3.5为STC12C5A60S2系列单片机ADC（A/D转换器）的结构图
图3.5STC12C5A60S2系列单片机ADC（A/D转换器）的结构图
3.3STC12C5A60S2系列单片机单片机的I/O口结构
STC12C5A60S2系列单片机所有I/O口均（新增P4口和P5口）可由软件配置成4种工作类型之一，如表1-6所示。
4种类型分别为：
准双向口/弱上拉（标准8051输出模式）、强推挽输出/强上拉、仅为输入（高阻）或开漏输出功能。
每个口由2个控制寄存器中的相应位控制每个引脚工作类型。
STC12C5A60S2系列单片机上电复位后为准双向口/弱上拉（传统8051的I/O口）模式。
2V以上时为高电平，0.8V以下时为低电平。
每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过120mA。
I/O口工作类型设定
表1P5口设定（P5口地址：
C8H）
P5M1[3:
0]
P5M0[3:
0]
I/O口模式
0
0
准双向口（传统8051I/O口模式）
灌电流可达20mA，拉电流为230uA
由于制造误差，实际为250uA～150uA
0
1
强推挽输出（强上拉输出，可达20mA，要加限流电阻）
1
0
仅为输入（高阻）
1
1
开漏（opendrainl），内部上拉电阻断开，要外加
表2P4口设定（P4口地址：
C0H）
P4M1[7:
0]
P4M0[7:
0]
I/O口模式
0
0
准双向口（传统8051I/O口模式）
灌电流可达20mA，拉电流为230uA
由于制造误差，实际为250uA～150uA
0
1
强推挽输出（强上拉输出，可达20mA，要加限流电阻）
1
0
仅为输入（高阻）
1
1
开漏（opendrainl），内部上拉电阻断开，要外加
表3P3口设定（P3口地址：
B0H）
P3M1[7:
0]
P3M0[7:
0]
I/O口模式
0
0
准双向口（传统8051I/O口模式）
灌电流可达20mA，拉电流为230uA
由于制造误差，实际为250uA～150uA
0
1
强推挽输出（强上拉输出，可达20mA，要加限流电阻）
1
0
仅为输入（高阻）
1
1
开漏（opendrainl），内部上拉电阻断开，要外加
表4P2口设定（P2口地址：
A0H）
P2M1[7:
0]
P2M0[7:
0]
I/O口模式
0
0
准双向口（传统8051I/O口模式）
灌电流可达20mA，拉电流为230uA
由于制造误差，实际为250uA～150uA
0
1
强推挽输出（强上拉输出，可达20mA，要加限流电阻）
1
0
仅为输入（高阻）
1
1
开漏（opendrainl），内部上拉电阻断开，要外加
表5P1口设定（P1口地址：
90H）
P1M1[7:
0]
P1M0[7:
0]
I/O口模式（P1.x如果做A/D使用，需先将其设置成开漏或高阻输入）
0
0
准双向口（传统8051I/O口模式）
灌电流可达20mA，拉电流为230uA
由于制造误差，实际为250uA～150uA
0
1
强推挽输出（强上拉输出，可达20mA，要加限流电阻）
1
0
仅为输入（高阻），如果该I/O口需作A/D使用，可以选此模式
1
1
开漏（opendrainl），如果该I/O口需作A/D使用，可以选此模式
表6P0口设定（P0口地址：
80H）
P0M1[7:
0]
P0M0[7:
0]
I/O口模式
0
0
准双向口（传统8051I/O口模式）
灌电流可达20mA，拉电流为230uA
由于制造误差，实际为250uA～150uA
0
1
强推挽输出（强上拉输出，可达20mA，要加限流电阻）
1
0
仅为输入（高阻）
1
1
开漏（opendrainl），内部上拉电阻断开，要外加
★值得注意的是：
:
虽然每个I/O口在弱上拉时都能承受20mA的灌电流（还是要加限流电阻,如1K，560Ω等），在强推挽输出时都能输出20mA的拉电流（也要加限流电阻）,但整个芯片的工作电流推荐不要超过120mA。
即从MCU-VCC流入的电流不超过120mA,从MCU-Gnd流出电流不超过120mA,整体流入/流出电流都不能超过120mA.。
3.4频谱显示单元
由STC12C5A60S2单片机计算得到的频谱值将显示于LCD1604
3.4.1LCD简介
液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，简称LCD）已被视为下一代显示器的主要产品。
3.4.1.1在单片机系统中应用晶液显
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