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;1. 引言12. 方案设计22 1 设计要求23 2 总体方案设计34 3 总体方案组成63. 系统电路设计63 1 单片机主控电路设计主控制器64 2 LED显示模块电路

2、设计74. 软件设计84 1 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。112. 方案设计2.1 设

3、计要求1. 单片机自带AD转换，这样省去外围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

4、信号预处理电路主要对输入的音频进行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

5、） ，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

6、-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

7、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 （ 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。

8、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始信号的一个频率点，即第n 点所表示的频率为f=n×fs/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

9、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

10、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 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（ 2 r/N） -jsin（ 2 r/N） 。每个蝶形结构完成下述基本迭代运算2：设 Xm=Rm+

11、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。

12、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M

13、CS-51系列。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS位微控制器，具有88K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：4.1 单片机主控电路原理图3.2 LED 显示模块电路设计4. 软件设计134.1 软件设计流程图FFT倒序流程图FFT计算流程图

14、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。186. 结论本系统采用增强型8051 单片机STC12C5A60S实现音乐频谱显示，该方案硬件电路设计2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

15、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（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

16、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。1925程序 :#include <stc12c5a60s2.h>/"stc12c5620ad.h"#include<intrins.h>#define LongToBin(n)(n>>21)&0x80)|(n>>18)&0x40)|(n>>15)&0x20)|(n>>12)&

17、;0x10)|(n>>9)&0x08)|(n>> 6)&0x04)|(n>>3)&0x02)|(n)&0x01)#define 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,

18、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, 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 ,1

19、25 ,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 ,-1 25 ,-122 ,-117 ,-112 ,-106 ,-98 ,-90 ,-81 ,-71 ,-60 ,-49 ,-37 ,-25 ,-12 ;char code cos_tabbSAMPLE_NUM =127 ,126 ,125 ,12

20、2 ,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 ,126 ;uchar

21、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=0x00,0x01,0x03,0x07,0x0f,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-

22、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=(65536-6000)%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;p3

23、3=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=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=0xf

24、f;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;p36=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(

25、10000000);return( ADC_RESL<<2) ;short sqrt_16( unsigned long M)unsigned int N, i;unsigned long tmp, ttp;if( M = 0 ) return 0;N = 0;tmp = ( M >> 30 );M <<= 2;if( tmp > 1 )N +;tmp -= N;for( i=15; i>0; i- ) N <<= 1;tmp <<= 2;tmp += (M >> 30);ttp = N;ttp = (ttp&

26、lt;<1)+1;M <<= 2;if( tmp >= 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; i<SAMPLE_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=FftR

27、eal2/32;/ 提取等级数if(7<keepnum)&&(keepnum<=8) keep=1;else if(4<keepnum)&&(keepnum<=6) keep=2;else if(2<keepnum)&&(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; k<SAMPLE_NUM; k=k+2*bb)TR = FftRealk; TI = FftImagek; temp = FftRealk+bb;FftRealk = FftRealk + (FftRealk+bb*cos_tabbp)>>7) + (FftImagek+bb*sin_tabbp)>>7);FftImagek = FftImagek - (FftRealk+bb*sin_tabbp