【毕业设计】论文-基于单片机的音乐频谱显示器设计

毕业论文设计题目基于单片机的音乐频谱显示器设计学生王飞学号20110311122专业电子信息工程指导教师陈晓莉陕西科技大学职业教育师范学院2015年5月28日基于单片机的音乐频谱显示器设计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,THROUGHTHEVISUALLIGHTSHOWSTOACHIEVETHEMUSICSPECTRUMKEYWORDSMICROCONTROLLER，DIGITALSIGNALPROCESSING，FASTFOURIERTRANSFORM，DRANSFORMSPECTRUMMONITOR目录摘要I绪论1第1章频谱设计211设计频谱的意义212频谱的主要功能213怎么制作音乐频谱3第2章系统方案的设计421系统整体设计原理图422方案论证423系统方案5第3章系统硬件设计631电路中主要芯片的引脚对应的功能6311系统单片机的选择6312AT89S52单片机最小应用系统7313主控芯片AT89S52832各模块及连接关系10321数据输入模块10322模数转换模块11323主控电路1233LED显示模块13331LED显示电路的设计1434电源电路设计15第4章系统软件设计1741系统模块层次图1742电路原理1843编程思路1844程序流程图1945编程设计2046音频频谱算法20总结21致谢22参考文献23附录AMCU原理图25附录B主要源程序26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AT89S52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AT89S52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LED上实时显示音频信号的频谱。第1章频谱设计11设计频谱的意义本设计题目为“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。频率的单位是赫兹（简写为HZ），赫兹18571894，是德国物理学家，他发现了电磁波，为了纪念他，人们用它的名字来做为频率的单位。所谓的一赫兹，就是一秒钟振动一次。那么440HZ呢，当然就是每秒振动440次，这个声音就是音乐中的标准A音，是乐器定音的标准。而钢琴中央C的频率则是26163HZ。我们人的耳朵能够听到的频率范围，是20HZ到20000HZ。低于这个频率范围的声音叫次声波，而高于这个频率范围的声音叫做超声波。所以我们能听到的音乐的频率，即都在人耳可听到的这个范围之内，约从20HZ到20KHZ。12频谱的主要功能根据傅立叶分析，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。对频谱进行分析的仪器就是频谱分析仪，早期频谱仪都是模拟分析的。频谱仪的原理就是将声音信号通过一系列不同中心频率的模拟带通滤波器。每个带通滤波器相当于一个共振电路，其特性由中心频率（步进的）、频带宽度及响应时间表示。在声音信号通过滤波器后，经过平方检波器，并进行平均之后，在每个频率上测定所传输的功率，从而得到信号的频谱。然而，传统的频谱仪受到滤波器性能的制约，因为模拟电路本身的特性所局限，滤波器的带宽和响应时间成反比，也就是说模拟滤波器的频率分辨力与时间分解能力之间存在矛盾。因为频谱仪所测量的往往都是非稳态声，一般来说，都是使用若干个滤波器来覆盖整个频率范围，并将信号同时并联地输入到这些滤波器上去，或者使用中心频率能够从低到高连续变化的滤波器。13怎么制作音乐频谱我们采用是基于微处理器的软件分析法，微处理器是本制作的核心部分，因此，选择一个合适的性能与配置的微处理器是关键，我选择增强型的8051单片机便能够满足本次制作的要求。软件上的分析法核心是快速傅立叶算法，简称FFT。FFT（FASTFOURIERTRANSFORM）即离散傅立叶变换的快速算法。在数字信号处理中常常需要用到离散傅立叶变换DFT，以获取信号的频域特征。尽管传统的DFT算法能够获取信号频域特征，但是算法计算量大，耗时长，且要求相当大的内存，不利于计算机实时对信号进行处理，限制了DFT的应用。直到COOLEYA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。43编程思路1在主函数中，单片机通过AD对音频数据采样，然后存放到数据缓存区进行预处理，完成AD滤波处理，自动增益控制信息扫描以及其他信息处理。接着，将缓存区数据送入快速傅立叶变换（FFT）处理子函数进行运算。处理完后，从缓存区取出运算结果，根据得到幅值计算出点阵的显示数据，并存储到显示缓存区。2在中断函数中,根据显示缓冲区的内容对点阵显示屏进行实时刷新点亮。44程序流程图PWM呼吸灯初始化设定及启动PWM定时缓冲区及缓存数组初始化开机LOGO显示中断定时器初始化及启动定时器读取64个AD转换值进行自动增益调整及数据预处理送入FFT中进行数据分析IO引脚初始化集成AD上电初始化转换计算出显示数据并更新到显示缓存按键功能控制开始检查触摸按键是否触发自动增益控制中断定时器启动刷新显示缓存区数据来点亮点阵屏PWM呼吸灯亮度动态调节定时器重装初值42程序流程图45编程设计C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上非常流行。它既可以用来编写计算机的系统程序，也可以用来编写一般的应用程序。以前计算机的系统软件主要用汇编语言编写，单片机应用系统更是如此。C语言是当前最流行的程序设计语言，它像其它高级语言一样，面向用户，面向解题的过程，编程者不必熟悉具体的计算机内部结构和指令；C语言又像汇编语言一样，可以对机器硬件进行操作。如进行端口I，0操作、位操作、地址操作，并可内嵌汇编指令，将汇编指令当作它的语句一样。我们知道，汇编语言将涉及计算机硬件，所以C语言又像低级语言一样，可以对计算机硬件进行控制，因此人们把它称为介于高级语言与低级语言之间的一种中级语言。正是因为C语言具有这样的特性，所以很适合编写要对硬件进行操作的软件程序。本文采用C语言进行编写因为此系统软件比较，其存储量较大，因此必须应用C语言编程了。46音频频谱算法音频频谱值的计算采用快速傅里叶算法FFTFASTFOURIERTRANSFORM，为了提高显示器的刷新频率，系统每隔10MS读取16次AD转换值，得到16点实数序列，紧接着完成16点FFT运算得到16点复数序列。倒位序及其优化算法基2FTT算法将原始数据倒位序存储，但运算后的结果则按正常顺序输出。原始采样数据放在数组FLOATDATALM16中，DATALM0存放第1次读取的AD转换值，DATALM1存放第2次读取的AD转换值，以此类推，可见第NNB3B2B1B0B次读取的AD转换值存放在DATAIMN中。倒序操作后采样数据存储在FLOATDATARE16中，原来第N次读取的AD转换值存放在DATALMNNB0B1B2B3B中。根据样本大小在系统代码段中建立倒序表数组，采用查表方式实现快速倒序操作，与移位操作等方法相比，可明显提高运算速度。总结本系统具有稳定性高，反应速度快，测量值准确的特点。使设计出的系统具有可操作性更强，性价比更高，功能更强大的优点。为人们的生产和生活带来了巨大的意义。在调试过程中，故障是不可避免的，或者正如老师所说的没有故障反而还是不正常。对于一个复杂的系统来说，要在大量的元器件和线路中迅速准确地找出故障是件很不容易的事。产生故障的原因很多，情况也很复杂，因此需要掌握故障的一般诊断方法，故障诊断过程就是以故障现象出现，通过反复测试，做出分析判断，逐步找出故障的过程。要通过对原理图的分析，把系统分成不同功能的电路模块，通过逐一测量找到故障模块，然后再对故障模块内部加以测量找出故障，查找故障，分析故障和飘出故障，这样可以提高我分析问题和解决问题的能力，因此，我把它看成事一次好的学习机会。经过本次毕业设计，使我深深的体会到了理论应用在实际中的存在相当多的问题。要把所学的知识融会贯通也不是一件容易的事情。在做设计的时候一不小心也容易出差错。致谢难忘的大学生涯即将结束，在这珍贵的四年当中我不仅用知识充实了自己，同时在学习和生活中也得到了各位老师和同学的无私帮助，在论文即将完成之际，首先对我的导师陈晓莉老师表示衷心的感谢。在毕业设计中我取得的每一点进步无不倾注了陈老师的心血，从论文选题到搜集资料，从写作初稿到反复修改，期间经历了喜悦，痛苦和彷徨，在写作论文的过程中心情是如此的复杂。如今，伴随着这篇论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。陈老师不仅在专业知识上给予我悉心的指导，在学习态度上也给予了我宝贵的指导。导师渊博的知识、严谨的治学态度以及对学生、对教学认真负责的工作态度将对我终生的学习和工作态度产生深刻影响，从而成为我人生宝贵的精神财富。同时，在论文的完成的时候,我也要对在学习和生活上帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢。你们使我学习到了专业知识和许多生活上珍贵的经验,我定会不辜负你们的期望,努力为社会作出自己的贡献。参考文献1潘松、王国栋VHDL实用教程M成都电子科技大学出版社20012李念强、潘建军数据采集技术与系统设计G北京机械工业出版社20093刘书明、冯小平数据采集系统芯片ADUC812原理与应用J西安西安电子科技大学出版社20004华成英、童诗白模拟电子技术基础M北京高等教育出版社20065康华光电子技术基础M北京高等教育出版社，20066萧家源电子仪表原理与应用G北京科学出版社，20047陈尚松等电子测量与仪器M北京电子工业出版社，20048于海生等计算机控制技术G北京机械工业出版社，20079彭伟著单片机C语言程序设计实训100例G北京电子工业出版社，200910胡汉才单片机原理及系统G北京清华大学出版社，200211黄根春全国大学生电子设计竞赛教程J北京电子工业出版社，201112高吉祥全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M北京电子工业出版社，200213杨振江流行单片机实用子程序及应用实例M西安西安电子科技大学出版社，200214郭凌EEPROM芯片X25045与MCS51单片机的接口及应用J电子与自动化，1999，4，384115唐俊翟单片机原理与应用M北京冶金工业出版社，200316朱定华单片微机原理与应用M北京清华大学出版社，200317何立民IC总线应用系统设计M北京北京航空航天大学出版社，199518余永权ATMEL89系列单片机应用技术M北京北京航空航天大学出版社，200119高峰单片微机应用系统设计及实用技术M北京机械工业出版社，200420宗光华多单片机系统应用技术M北京国防工业出版社，200321张毅刚新编MCS51单片机应用设计M哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，200322刘光斌单片机系统实用抗干扰技术M北京人民邮电出版社，200323EMUSSONELECTRICMOTORPROTECTORDEVELOPMENTJINTERNATIONALJOURNALOFPRODUCTIONRESEARCH,199806,24KAZUHIKOHASHIMOTO,TOMOHIROTSURUTA,KATSUYA,MORINAKA,NOBUYUKIYOSHIIKEHIGHPERFORMANCEHUMANINFORMATIONSENORJSENSORSANDACTUATORSVOL79NO1200025TEXASINSTRUMENTSINCORPORATED，ULN2803ADARLINGTONTRANSISTORARRAYPSLRS049FEBRUARY1997，PAGE1PAGE附录AMCU原理图1P023456789RSXTLGNDEVCVPF源MHZOUFK附录B主要源程序INCLUDEINCLUDEDEFINEBINNLONGTOBIN0XNDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINESAMPLE_NUM64DEFINENUM_2_LOG6DEFINEFFT_OUT_MIN3DEFINELONGTOBINNN21CHARCODESIN_TABBSAMPLE_NUM0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126,127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126,127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12CHARCODECOS_TABBSAMPLE_NUM127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126,127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126UCHARA21UCHARKEEP,KEEPNUM,ANUM,TIMERNUM,TIMERNUM2,LEDNUM3,LTIME/用于分离/加入数组用于显示相应LED灯数目/UCHARLEDNUM0X00,0X01,0X03,0X07,0X0F,0X1F,0X3F,0X7F,0XFF/07的显示数组P2组控制INTXDATAFFTREALSAMPLE_NUMINTXDATAFFTIMAGESAMPLE_NUMSBITP30P30SBITP31P31SBITP32P32SBITP33P33SBITP34P34SBITP35P35/911的LED控制SBITP36P36SBITP37P37VOIDTIMERINIT/定时器初始化函数TMOD0X01TH0655366000/256TL0655366000256EA1ET01TR01VOIDDISPTIMERNUMIFTIMERNUM6TIMERNUM1P20/显示前先关闭P3P3SWITCHTIMERNUMCASE1A