搜索
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……………………………………………………………………………………22．1设计要求……………………………………………………………………………22．2总体方案设计………………………………………………………………………32．3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………………………………………………………63．2LED显示模块电路设计………………………………………………………………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…………………………………………………………………………………………1411.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。22.方案设计2.1设计要求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控制电路显示电路音频信号单片机电源3STC12C5A60S2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（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4作速度会更快。b.蝶形运算的实现根据DIT基-2FFT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（2πr/N）-jsin（2πr/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：5将sin、cos函数做成表格sin_tab[128]、cos_tab[128]，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。62.3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：7图4.1单片机主控电路原理图3.2LED显示模块电路设计84.软件设计4.1软件设计流程图FFT倒序流程图9FFT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。106.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。11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。127.参考文献[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。13附录：电路图：程序:#includestc12c5a60s2.h//stc12c5620ad.h#includeintrins.h#defineLongToBin(n)(((n21)&0x80)|((n18)&0x40)|((n15)&0x20)|((n12)&0x10)|((n9)&0x08)|((n6)&0x04)|((n3)&0x02)|((n)&0x01))#defineBIN(n)LongToBin(0x##n##)#defi