單片機(jī)音樂頻譜

1、題 目： 單片機(jī)LED音樂頻譜的設(shè)計(jì) 院 （系）： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2011年 07月07日摘 要該系統(tǒng)采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)STC12C5A60S2為主控制器，通過單片機(jī)內(nèi)置的ADC對音頻信號進(jìn)行采樣、量化，然后通過快速傅里葉變換運(yùn)算，在頻域計(jì)算出音頻信號各個(gè)頻率分量的功率，最后通過雙基色LED單元板進(jìn)行顯示。該方案具有電路結(jié)構(gòu)簡潔，開發(fā)、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；傅里葉；LED;目 錄1. 引言 12. 方案設(shè)計(jì)221設(shè)計(jì)要求222總體方案設(shè)計(jì) 323總體方案組成 63. 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 631單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)主控制器 632 LED顯示模塊電路設(shè)計(jì)7

2、4. 軟件設(shè)計(jì)841軟件設(shè)計(jì)流程圖85系統(tǒng)的測試 86結(jié)論 97參考文獻(xiàn)118. 附錄141. 引言本文介紹的音樂頻譜顯示器可對mp3、手機(jī)、計(jì)算機(jī)輸出的音樂信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的頻譜顯示。系統(tǒng)采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)STC12C5A60S2為主控制芯片，通過單片機(jī)內(nèi)置的ADC對音頻信號進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號離散化，然后通過快速傅里葉變換（FFT）運(yùn)算，在頻域計(jì)算出音頻信號各個(gè)頻率分量的功率，最后通過雙基色LED單元板進(jìn)行顯示。在顯示的頻率點(diǎn)不多的情況下，本系統(tǒng)比采用DSP或ARM作為主控制芯片的設(shè)計(jì)方案具有電路結(jié)構(gòu)簡潔，開發(fā)、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。2. 方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求1. 單片機(jī)自帶AD轉(zhuǎn)換，這樣

3、省去外圍AD電路。2. 控制LED隨著音樂跳動(dòng)，需要理解傅里葉原理。2.2總體方案設(shè)計(jì)經(jīng)分析，將系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是由單片機(jī)組成的主控。另一部分是LED顯示部分，單片機(jī)對接收到的音頻進(jìn)行處理經(jīng)過傅里葉換算后在LED顯示，5V穩(wěn)壓電源給各個(gè)部分供電。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法有很多種，下面將列出大家最經(jīng)常用到的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)框圖如圖1所示顯示電路單片機(jī)電源音頻信號圖1 音樂頻譜總體系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)由音頻信號預(yù)處理電路、單片機(jī)STC12C5A60S2控制電路、LED頻譜顯示電路等部分組成。圖l為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖。圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理框圖系統(tǒng)各組部分的功能：（1）音頻信號預(yù)處理電路主要對輸入的音頻進(jìn)行

4、電壓放大和電平提升。（2）單片機(jī)STC12C5A60S2控制電路采用內(nèi)置的ADC對音頻信號進(jìn)行采樣量化，然后對量化后的音頻數(shù)據(jù)采用FFT算法計(jì)算其頻譜值，再將各頻譜值進(jìn)行32級量化。（3）LED頻譜顯示電路在單片機(jī)的控制下，負(fù)責(zé)將FFT計(jì)算得到的音頻信號的各個(gè)頻點(diǎn)的大小進(jìn)行直觀顯示。1.音頻信號預(yù)處理電路圖2 音頻信號預(yù)處理電路音頻信號預(yù)處理電路見圖2所示，對輸入的音頻進(jìn)行電壓放大和電平提升。手機(jī)、計(jì)算機(jī)輸出的音頻信號Vin經(jīng)過RP1進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)后，經(jīng)集成運(yùn)放LMV358反相放大10倍（Av=-R3/R2=-10），提高系統(tǒng)的靈敏度。選用單電源供電的運(yùn)放LMV358，一方面可以簡化系統(tǒng)電源電路

5、的設(shè)計(jì)，直接采用系統(tǒng)的+5V供電即可;另一方面其輸出端靜態(tài)電壓為VCC/2，即2.5V。放大后的音頻信號和這2.5V疊加后變?yōu)橹绷麟妷盒盘?，滿足后面單片機(jī)內(nèi)置的ADC對輸入電壓量程的要求。另外，LMV358為軌到軌輸出運(yùn)放，它可在+5V單電源供電條件下仍具有較大的動(dòng)態(tài)輸出范圍。2.單片機(jī)STC12C5A60S2控制電路STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的新一代單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）8051單片機(jī)，具有高速、低功耗及超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍;內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S）等資源1。特別是

6、它帶硬件乘法/除法指令，使乘法指令執(zhí)行時(shí)間從傳統(tǒng)8051的48個(gè)晶振周期減少到4個(gè)晶振周期，使需要大量乘法運(yùn)算的FFT運(yùn)算速度得到大幅度提高。在本系統(tǒng)中，STC12C5A60S2單片機(jī)負(fù)責(zé)完成對音頻信號進(jìn)行A/D變換，然后采用FFT算法計(jì)算音頻信號頻譜，并將計(jì)算結(jié)果輸出到LED頻譜顯示電路。（1）音頻信號的A/D變換根據(jù)香農(nóng)采樣定理，一般采樣頻率至少應(yīng)為所采樣音頻信號最高頻率的2倍。由于人耳能夠感受的頻率為20Hz-20kHz，所以理論上采樣頻率最高取40kHz。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC12C5A60S2內(nèi)置的ADC對音頻信號進(jìn)行采樣、量化。STC12C5A60S2單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（

7、P1.0-P1.7），有8路10位的高速ADC，其輸入電壓量程為0-Vcc，轉(zhuǎn)換速度可通過ADC_CONTR特殊功能寄存器的SPEED1，SPEED0位進(jìn)行控制，速度最快可設(shè)置為每90個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)換一次。在外接晶振為24MHz時(shí)，ADC的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到330KHZ，完全可滿足對音頻信號的采樣需要。（2）音頻信號頻譜值的計(jì)算我們采用快速傅里葉算法（FFT）來計(jì)算音頻信號的頻譜值。根據(jù)FFT運(yùn)算規(guī)律，如ADC以fs的采樣頻率取N個(gè)采樣點(diǎn)，經(jīng)過FFT運(yùn)算之后，就可以得到N個(gè)點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列。通常為了方便進(jìn)行FFT運(yùn)算，通常N取2的整數(shù)次方：N=2L（L為正整數(shù)）。這N個(gè)點(diǎn)的FFT結(jié)果，每一個(gè)點(diǎn)就對應(yīng)著原

8、始信號的一個(gè)頻率點(diǎn)，即第n點(diǎn)所表示的頻率為f=nfs/N，n=0，1，（N-1）;該點(diǎn)的模值除以N/2就是對應(yīng)該頻率下原始信號的幅度（對于第1個(gè)點(diǎn)則是除以N）;該點(diǎn)的相位即是對應(yīng)該頻率下原始信號的相位。由于FFT結(jié)果的對稱性，通常只使用FFT運(yùn)算后的前N/2個(gè)點(diǎn)的數(shù)值。本系統(tǒng)每隔10ms采樣一次128個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過FFT運(yùn)算后將得到128個(gè)頻率點(diǎn)。由于FFT結(jié)果的對稱性，我們選取前64個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯示?，F(xiàn)在FFT算法已發(fā)展出多種形式，本系統(tǒng)采用按時(shí)間抽選（DIT）的基-2FFT算法，這種算法程序相對較簡單，節(jié)省存儲單元，運(yùn)行效率較高，比較適合用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。DIT基-2FFT算法主要由倒位序運(yùn)算和多

9、級蝶形運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。a.倒位序運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)DIT基-2FFT算法通常將原始數(shù)據(jù)序列倒位序存儲，運(yùn)算后的結(jié)果則按正常順序輸出。一般的數(shù)字信號處理的教材都介紹雷德（Rader）算法，通過“反向進(jìn)位加法”將原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行倒位序存儲2。雷德算法的靈活性較大，但在本系統(tǒng)中，參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)只有128個(gè)，通過預(yù)先編制倒位序查詢表，采用查表方式實(shí)現(xiàn)倒位序操作速度會更快。b.蝶形運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)根據(jù)DIT基-2 FFT算法原理，N點(diǎn)FFT運(yùn)算由log2N級，每級N/2個(gè)蝶形運(yùn)算，共（N/2）log2N個(gè)蝶形運(yùn)算構(gòu)成。每個(gè)蝶形運(yùn)算結(jié)構(gòu)見圖3所示2。圖3 按時(shí)間抽選蝶形運(yùn)算結(jié)構(gòu)蝶形運(yùn)算結(jié)構(gòu)圖中，m表示第m級的蝶形運(yùn)算，k

10、 為蝶形運(yùn)算第一節(jié)點(diǎn)所在行數(shù)，b為蝶形運(yùn)算兩節(jié)點(diǎn)距離，b=2m-1，WNr為旋轉(zhuǎn)因子，WNr=cos（2r/N）-jsin（2r/N）。每個(gè)蝶形結(jié)構(gòu)完成下述基本迭代運(yùn)算2：設(shè)Xm=Rm+jIm，將式（1）轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)部和虛部的表示形式，得到：由上面式（1）、式（2）可見，一個(gè)蝶形運(yùn)算需要一次復(fù)數(shù)乘法Xm-1（k+b）WNr及兩次復(fù)數(shù)加（減）法。在單片機(jī)系統(tǒng)中編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，需把復(fù)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)數(shù)運(yùn)算。同理，將式（2）轉(zhuǎn)變?yōu)椋簩in、cos函數(shù)做成表格sin_tab128、cos_tab128，直接查表可提高運(yùn)算速度。3.頻譜值的顯示系統(tǒng)中采用5*11個(gè)不同顏色的草帽LED進(jìn)行顯示，每列顯示音頻信號的

11、一個(gè)頻率點(diǎn)，每列LED點(diǎn)亮的高度表示該頻率點(diǎn)幅度的大小。整個(gè)顯示板一共有5列，工作的時(shí)候，可以看到每列根據(jù)頻率幅度的大小在跳動(dòng)。2.3 整體系統(tǒng)組成本系統(tǒng)硬件部分由單片機(jī)主控電路、LED顯示部分、音頻采集等部分組成，其中單片機(jī)主控電路有外接晶振，電源供電電路阻等部分組成。軟件部分詳細(xì)見下文。單片機(jī)全系統(tǒng)如下圖2所示。3. 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)單片機(jī)主控模塊包括了振落電路、音頻采集電路，同時(shí)接入了各個(gè)模塊的接口，保證了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，它指揮外圍器件協(xié)調(diào)工作，從而完成特定的功能。硬件實(shí)現(xiàn)上采用模塊化設(shè)計(jì)，每一模塊只實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定功能，最后再將各個(gè)模塊搭接

12、在一起。這種設(shè)計(jì)方法可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性?？刂齐娐返暮诵钠骷怯擅绹鳤tmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，屬于MCS-51系列。AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，采用的工藝是Atmel公司的高密度非易失存儲器技術(shù)；片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器；在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案；價(jià)格低廉、性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)。因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)中。 單片機(jī)主控電路原理圖如下所示：圖4.1 單片機(jī)主控電

13、路原理圖3.2 LED顯示模塊電路設(shè)計(jì)4. 軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)流程圖 FFT倒序流程圖FFT計(jì)算流程圖5. 系統(tǒng)測試制作的過程中首先遇到的問題是LED如何組裝，經(jīng)過查閱資料發(fā)現(xiàn)，可以利用LED的管腳互相按照電路圖連接起來，這個(gè)時(shí)候主要是利用萬用表來測試，LED燈到底有無壞掉的。通電后，在無音頻輸入時(shí)，LED應(yīng)該無閃爍跳動(dòng)現(xiàn)象。在制作完成的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)LED燈閃爍，這個(gè)時(shí)候，在音頻輸入端接入了47p的電容，這樣就解決了這個(gè)問題。6. 結(jié)論本系統(tǒng)采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)STC12C5A60S2實(shí)現(xiàn)音樂頻譜顯示，該方案硬件電路設(shè)計(jì)簡單、成本低，并具有較高的實(shí)用價(jià)值。本方案是通過ADC采樣輸入的音頻

14、信號，ADC采樣完成以后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序排列并進(jìn)行FFT運(yùn)算，結(jié)果通過TFT液晶顯示出來。由于采用的處理器的處理能力的原因，不能做到很高的采樣頻率和很精細(xì)的頻率分辨率，要提高系統(tǒng)的頻率分辨率，就需要增加采樣點(diǎn)數(shù)?？梢越柚鶳C的強(qiáng)大處理能力，將采樣的數(shù)據(jù)通過預(yù)留的串口傳送給PC，在PC上完成FFT運(yùn)算以及顯示，這就是虛擬儀器的方式，實(shí)際工作中應(yīng)用前景也非常大。 謝 辭感謝老師對我們的指導(dǎo)。完成了這個(gè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，雖然結(jié)果差強(qiáng)人意，但是還是有進(jìn)步的，有收獲的。希望以后在學(xué)習(xí)生活中能繼續(xù)好好學(xué)習(xí)。7. 參考文獻(xiàn)1宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊M.2010.2程佩青.數(shù)字信號處理教程

15、（第二版）M.北京：清華大學(xué)出版社，2001.3靳桅，等.基于51系列單片機(jī)的LED顯示屏開關(guān)技術(shù)（第2版）M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.作者簡介：吳永德（1980），男，講師，從事電子技術(shù)專業(yè)教學(xué)及研究。羅萍（1979），女，講師，從事計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)教學(xué)及研究。附錄：電路圖：程序:#include /stc12c5620ad.h#include#define LongToBin(n) (n21)&0x80)|(n18)&0x40)|(n15)&0x20)|(n12)&0x10)|(n9)&0x08)|(n6)&0x04)|(n3)&0x02)|(n)&0x01)#define

16、BIN(n) LongToBin(0x#n#)#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define SAMPLE_NUM 64#define NUM_2_LOG 6#define FFT_OUT_MIN 3uchar code BRTableSAMPLE_NUM = 0, 32, 16, 48, 8, 40, 24, 56,4, 36, 20, 52, 12, 44, 28, 60, 2, 34, 18, 50, 10, 42, 26, 58, 6, 38, 22, 54, 14, 46, 30, 62, 1, 33, 17,

17、49, 9, 41, 25, 57,5, 37, 21, 53, 13, 45, 29, 61,3, 35, 19, 51, 11, 43, 27, 59,7, 39, 23, 55, 15, 47, 31, 63;char code sin_tabbSAMPLE_NUM = 0 ,12 ,25 ,37 ,49 ,60 ,71 ,81 ,90 ,98 ,106 ,112 ,117 ,122 ,125 ,126 ,127 ,126 ,125 ,122 ,117 ,112 ,106 ,98 ,90 ,81 ,71 ,60 ,49 ,37 ,25 ,12 ,0 ,-12 ,-25 ,-37 ,-49

18、 ,-60 ,-71 ,-81 ,-90 ,-98 ,-106 ,-112 ,-117 ,-122 ,-125 ,-126 ,-127 ,-126 ,-125 ,-122 ,-117 ,-112 ,-106 ,-98 ,-90 ,-81 ,-71 ,-60 ,-49 ,-37 ,-25 ,-12 ; char code cos_tabbSAMPLE_NUM = 127 ,126 ,125 ,122 ,117 ,112 ,106 ,98 ,90 ,81 ,71 ,60 ,49 ,37 ,25 ,12 ,0 ,-12 ,-25 ,-37 ,-49 ,-60 ,-71 ,-81 ,-90 ,-98

19、,-106 ,-112 ,-117 ,-122 ,-125 ,-126 ,-127 ,-126 ,-125 ,-122 ,-117 ,-112 ,-106 ,-98 ,-90 ,-81 ,-71 ,-60 ,-49 ,-37 ,-25 ,-12 ,0 ,12 ,25 ,37 ,49 ,60 ,71 ,81 ,90 ,98 ,106 ,112 ,117 ,122 ,125 ,126 ;uchar a21;uchar keep,keepnum,anum,timernum,timernum2,lednum3,Ltime;/用于分離/*加入數(shù)組用于顯示相應(yīng)led燈數(shù)目*/uchar lednum=0x

20、00,0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff;/0-7的顯示數(shù)組 P2組控制int xdata FftRealSAMPLE_NUM;int xdata FftImageSAMPLE_NUM;sbit p30=P30;sbit p31=P31;sbit p32=P32;sbit p33=P33;sbit p34=P34;sbit p35=P35;/9-11的led控制sbit p36=P36;sbit p37=P37;void timerinit()/定時(shí)器 初始化函數(shù) TMOD=0x01; TH0=(65536-6000)/256; TL0=(65536

21、-6000)%256; EA=1; ET0=1; TR0=1;void disp()timernum+;if(timernum=6) timernum=1;P2=0;/顯示前先關(guān)閉P3=P3&0x1f;switch(timernum)case 1:anum=a0;p34=0;p33=1;p32=1;p31=1;p30=1;break;case 2:anum=a1;p34=1;p33=0;p32=1;p31=1;p30=1;break;case 3:anum=a2;p34=1;p33=1;p32=0;p31=1;p30=1;break;case 4:anum=a3;p34=1;p33=1;p32

22、=1;p31=0;p30=1;break;case 5:anum=a4;p34=1;p33=1;p32=1;p31=1;p30=0;break;/anum=a10;/*修改可以改變光柱高度 （anum值分開幾個(gè)部分用定時(shí)器區(qū)分顯示）(a內(nèi)逐加) */if(anum=8)P2=lednumanum;P3=P3&0xff;/屏蔽高三位 1f/else P2=0xff;P3=lednum2anum-9;if(anum=9)P2=0xff;p35=1;p36=0;p37=0;if(anum=10)P2=0xff;p35=1;p36=1;p37=0;if(anum=11)P2=0xff;p35=1;p3

23、6=1;p37=1;uchar STC_ADC() /！根據(jù)數(shù)據(jù)手冊寫一個(gè)ad讀取函數(shù) uchar i; ADC_RES = 0; ADC_RESL = 0; ADC_CONTR = BIN(10001000); i=3; while(i-); while (1) if (ADC_CONTR & BIN(10000) break; ADC_CONTR = BIN(10000000); return( ADC_RESL 30 ); M 1 ) N +; tmp -= N; for( i=15; i0; i- ) N = 1; tmp 30); ttp = N; ttp = (ttp1)+1; M

24、 = ttp ) tmp -= ttp; N +; return N;void FFT() register uchar i,bb,j,k,p,max; register short TR,TI,temp; unsigned long ulReal; unsigned long ulImage; for(i=0; iSAMPLE_NUM;i+) /此處可以加入自動(dòng)增益 FftRealBRTablei = STC_ADC()keep;/使顯示保持在一定范圍內(nèi) FftImagei = 0; keepnum=FftReal2/32;/提取等級數(shù) if(7keepnum)&(keepnum=8) keep=1; else if(4keepnum)&(keepnum=6) keep=2; else if(2keepnum)&(keepnum=4) keep=3; else keep=5; for( i=1; i=NUM_2_LOG; i+) bb=1; bb = (i-1); for( j=0; j=bb-1; j+) p=1; p = (NUM_2_LOG-i); p = p*j; for( k=j; k7) + (FftImagek+bb*sin_tabbp)7); FftImagek