【毕业设计】缩稿-基于单片机的音乐频谱显示器设计

毕业论文缩写稿题目基于单片机的音乐频谱显示器设计学生王飞学号20110311122院（系）职业教育师范学院专业电子信息工程指导教师陈晓莉2015年5月28日基于单片机的音乐频谱显示器设计信工111王飞指导老师陈晓莉陕西科技大学职业教育师范学院陕西西安710021摘要这个毕业设计采用AT89S52单片机，并且控制ADC0809模数转换芯片将输入模拟电压转换成数字信号，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。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AT89S52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LED显示器件。其具有可靠性高、成本低，扩张功能强的特点。LED灯的明暗条件，是随着音乐的频率变化所决定的，随时更新作出相应的变化，通过视觉上的灯光显示以实现音乐频谱。关键词单片机，数字信号处理，傅里叶变换，频谱显示MCUBASEDMUSICSPECTRUMDISPLAYDESIGNSABSTRACTTHEGRADUATIONDESIGNUSINGMICROCONTROLLERAT89S52,ANDCONTROLADC0809ANALOGTODIGITALCONVERSIONCHIPTHEINPUTANALOGVOLTAGEINTODIGITALSIGNALS,THENTHROUGHTHEFASTFOURIERTRANSFORMALGORITHM,INTHEFREQUENCYDOMAINCALCULATEDTHEAUDIOSIGNALOFEACHFREQUENCYCOMPONENTOFTHEPOWERANDTHEDUALCOLORLEDUNITBOARDDISPLAYANDINTHECOMPLETIONOFTHESYSTEMUNDERTHEPREMISEOFOTHERCONTROLTASKS,THEFULLUSEOFSINGLECHIPCOMPUTINGRESOURCES,THEUSEOFOPTIMIZEDFFTALGORITHMFORAUDIOSIGNALSPECTRUMAUDIODATATHROUGHTHEA/DINTERFACEAT89S52TOACHIEVEANALOGAUDIOSIGNALSAMPLINGANDQUANTIZATIONPROCESS,INCLUDINGAUDIOACQUISITIONANDCONVERSIONTHEMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITBUILTINA/DCONVERSIONSPECTRUMDISPLAYCIRCUITTOREALIZEANALOGAUDIOSIGNALSPECTRUMOFTHESEGMENTEDDISPLAY,ITWILLBEAUDIOSIGNALSPECTRUMISDIVIDEDINTOFOURTEENSECTIONS,EACHINACCORDANCEWITH14LEVELQUANTIZATIONBYLEDDISPLAYDEVICEITHASTHEFEATURESOFHIGHRELIABILITY,LOWCOSTANDSTRONGEXPANDINGFUNCTIONLEDLAMPSHADINGCONDITION,WITHTHEFREQUENCYOFMUSICCHANGES,ATANYTIMETOUPDATETHECORRESPONDINGCHANGES,THROUGHTHEVISUALLIGHTSHOWSTOACHIEVETHEMUSICSPECTRUMKEYWORDSMCU，DIGITALSIGNALPROCESSING，FASTFOURIERTRANSFORM，TRANSFORMSPECTRUMMONITOR1设计频谱的意义本设计的题目为“基于单片机的音乐频谱显示器设计”，那么到底“频谱”是什么呢这个还要从波形的来源说起。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。看看琵琶，吉他或者其他的弦类乐器，可以发现它的每一根琴弦的直径都是不一样的。琴弦越细，音调也就越高。反之则越低。显然粗的弦就不如细的弦振动得快或者说是振动的频率高。产生音调高低的不同，就是由于振动的频率不同。很显然频率越高，音调也就越高。2系统整体设计原理本设计以AT89S52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LED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AT89S52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LED显示器件显示。3硬件电路设计一般在系统的设计当中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是是系统控制的核心，所以对单片机的选择更是异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。目前，市面上的单片机的种类繁多，并且他们在功能方面也是各自有各自的特点。在一般的情况下来讲，在选择单片机时要需要考虑的几个方面有（1）单片机最基本性能参数指标。例如执行一条指令的速度、程序存储器的容量，I/O口的引脚数量等。（2）单片机的某些增强的功能。（3）单片机的存储介质。例如对于程序存储器来说，最好选用的是FLASH的存储器。（4）单片机的封装形式。封装的形式多种多样，例如双列直插封装、PLCC封装及表面贴附等。（5）单片机对工作的温度范围的要求。例如在进行设计户外的产品时，就必须要选用工业级的芯片，以达到温度范围的要求。（6）单片机的功耗。例如，如果信号线取电只能提供几MA的电流，所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用AT89C52的单片机是最合适的。（7）单片机在市面上的销售渠道是否畅通、其价格是否便宜。（8）单片机技术的支持网站如何，卖家提供的芯片资料是否足够完善，是否包含了用户手册，设计方案举例，相关范例程序等。（9）单片机的保密性是否很好，单片机的抗干扰的性能如何等。第4章系统软件设计在单片机应用系统的开发中，软件的设计是最复杂和困难的，大部分情况下工作量都较大，特别是对那些控制系统比较复杂的情况。如果是机电一体化的设计人员，往往需要同时考虑单片机的软硬件资源分配。本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键、显示处理及信号频率输入处理。程序设计是一件复杂的工作，为了把复杂的工作条理化，就要有相应的步骤和方法。其步骤可概括为以下三点分析系统控制要求，确定算法对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。这是能否编制出高质量程序的关键。根据算法画流程图画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。编写程序根据程序框图所表示的算法和步骤，选用适当的指令排列起来，构成一个有机的整体，即程序。程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法。结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，特别是限制转向语句或指令的使用，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。根据系统的控制任务，本系统的软件设计主要由主程序、初始化程序、显示子程序、数据采集子程序和延时程序等组成。41系统模块层次图42电路原理我们制作这个音乐频谱显示只是用来娱乐，所以没必要追求很高的精确度和工业级别稳定性，所以，我对电路进行了一系列的简化处理，这样既可以节省元器件，也可以减少DIY的难度，提高我们的兴趣。在不影响正常使用的情况下，我对电路进行了如下精简设计，但也相应的加入了不少亮点A采用USB接口供电，并且对USB接口进行了扩展。在没有额外占用电脑主机USB接口情况下，随时随地给系统供电；B加入了触摸键设计，以及震动反馈。当触模键响应时有震动反馈，及声光提示，如今很多触屏手机也有这种时尚设计；C加入THINKPAD笔记本上的经典呼吸灯指示设计，如夏日里的萤火虫，一闪一闪亮晶晶，不仅有趣还能指示系统工作状态；D省去了MCU的复位电路，以及晶振上的2个起振瓷片电容，但一般不影响系统正常工作；E双音频插孔设计。不影响正常的音频输出，省去了音频分线器；F去掉音频输入处理的电平移动电路，简化电路，并加入软自动增益控制，实现自动根据音乐的声音大小调节显示幅度；G采用食人鱼LED来显示，不仅特别的亮，而且比用普通的草帽状L印效果更美，耐电流也更大，还省去了部分限流电阻，食人鱼L印有四个引脚，便于手工焊接，大量减少跳线。参考文献1潘松、王国栋VHDL实用教程M成都电子科