单片机音乐频谱

1、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;目 录1. 引言 12. 方案设计221设计要求222总体方案设计 323总体方案组成 63. 系统电路设计 631单片机主控电路设计主控制器 632 LED显示模块电路设计7

2、4. 软件设计841软件设计流程图85系统的测试 86结论 97参考文献118. 附录141. 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

3、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所示显示电路单片机电源音频信号图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

4、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

5、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

6、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（

7、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

8、始信号的一个频率点，即第n点所表示的频率为f=nfs/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

9、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-2 FFT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

10、 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（2r/N）-jsin（2r/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_tab128、cos_tab128，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

11、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

12、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CMOS8位微控制器，具有8K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：图4.1 单片机主控电

13、路原理图3.2 LED显示模块电路设计4. 软件设计4.1软件设计流程图 FFT倒序流程图FFT计算流程图5. 系统测试制作的过程中首先遇到的问题是LED如何组装，经过查阅资料发现，可以利用LED的管脚互相按照电路图连接起来，这个时候主要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，发现LED灯闪烁，这个时候，在音频输入端接入了47p的电容，这样就解决了这个问题。6. 结论本系统采用增强型8051单片机STC12C5A60S2实现音乐频谱显示，该方案硬件电路设计简单、成本低，并具有较高的实用价值。本方案是通过ADC采样输入的音频

14、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。由于采用的处理器的处理能力的原因，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。可以借助PC的强大处理能力，将采样的数据通过预留的串口传送给PC，在PC上完成FFT运算以及显示，这就是虚拟仪器的方式，实际工作中应用前景也非常大。 谢 辞感谢老师对我们的指导。完成了这个实训任务，虽然结果差强人意，但是还是有进步的，有收获的。希望以后在学习生活中能继续好好学习。7. 参考文献1宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机器件手册M.2010.2程佩青.数字信号处理教程

15、（第二版）M.北京：清华大学出版社，2001.3靳桅，等.基于51系列单片机的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，2011.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，从事计算机技术专业教学及研究。附录：电路图：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;/用于分离/*加入数组用于显示相应led灯数目*/uchar lednum=0x

20、00,0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff;/0-7的显示数组 P2组控制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()/定时器 初始化函数 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;/显示前先关闭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;/*修改可以改变光柱高度 （anum值分开几个部分用定时器区分显示）(a内逐加) */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() /！根据数据手册写一个ad读取函数 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+) /此处可以加入自动增益 FftRealBRTablei = STC_ADC()keep;/使显示保持在一定范围内 FftImagei = 0; keepnum=FftReal2/32;/提取等级数 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