基于单片机的多功能音乐频谱仪的设计与实现
作者：陈兰江朋友闪静洁
来源：《科技视界》2018年第07期
【摘要】本文设计了一种多功能曲面音乐频谱仪，包括音乐输入模块、蓝牙接收模块、环境温度检测模块、LED显示模块；还包括快速傅里叶算法模块和A/D转换模块。
本系统以STC12C5A60S2单片机为核心，通过蓝牙无线接收模块进行采集，将采集到的音频信号经A/D 转换模块转为数字信号后，再经过滤波处理和快速傅里叶变换得到信号的频谱，通过LED矩阵频谱显示器显示出来。
为了增强系统实用性，增加了环境温度监测、呼吸灯显示和时钟功能。
【关键词】STC12C5A60S2；A/D转换；LED；快速傅里叶变换
中图分类号： TN912.3；TP368.12 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）07-0045-002
Design and Implementation of Multifunctional Music Spectrum Analyzer Based on Single Chip Microcomputer
CHEN Lan1 JIANG Peng-you1 SHAN Jing-jie2
（Anhui Xinhua University，Hefei，Anhui 230000，China）
【Abstract】This article designed a multi-functional surface music spectrum analyzer，including music input module， Bluetooth receiver module， ambient temperature detection module， LED display module； also includes fast Fourier algorithm module and A/D conversion module. This system takes the STC12C5A60S2 microcontroller as its core and collects it through the Bluetooth wireless receiver module. After the collected audio signal is converted into a digital signal by the A/D converter module， the frequency spectrum of the signal is obtained through filtering and fast Fourier transform. The LED matrix spectrum display is displayed. In order to enhance system availability， environmental temperature monitoring， breathing lamp display， and clock functions have been added.
【Key words】STC12C5A60S2； A/D conversion； LED； Fast Fourier Transform
0 引言
随着人们的生活质量的提高，人们已经越来越追求品质生活，针对上述问题，本设计的音乐频谱仪不仅仅能够满足人类的视觉冲击，而且更是能直接观察到显示信号的输入情况。
从而可以将以前只能“听”的信息，转换成可以“看”的信息，以满足人类平时生活所需。
如今多功能频谱仪已经广泛应用于家庭，舞台效果，房屋轮廓装饰，成为夜晚的主角。
更是有专业音乐制作人能根据频谱分析给自己发音纠错等，有相当好的研究前景。
本设计采用快速傅里叶算法[1-2]，将采样后的音乐信号变换得到音乐信号频谱，实现语音信号的蓝牙模块无线传输，另一方面，还实现了环境温度监测、呼吸灯显示和时钟等功能。
1 系统总体设计
本文设计的音乐频谱仪，包括依次连接的蓝牙接收模块、MCU单片机、FFT频谱分析模块、LED驱动电路和LED矩阵频谱显示器，除此之外，还包括有音频数据采集模块以及和其相连的A/D转换模块，该语音信号经A/D转换模块转换成数字信号后发送至单片机，然后再输出至FFT频谱分析模块，由频谱分析模块对数字信号进行快速博里叶变换处理后，在LED 矩阵频谱显示器上显示。
另一方面，本设计还包括呼吸灯显示、时间显示和环境温度显示功能模块，具体功能框架设计如图1所示。
2 硬件设计
本系统以STC12C5A60S2单片机为核心，通过蓝牙无线接收模块进行采集，主要包括以下功能：频谱显示、环境温度监测、时钟和呼吸灯功能。
这些功能增强了音乐频谱仪的实用性。
2.1 频谱显示功能
本系统将采集到的音频信号通过A/D转换模块转为数字信号后，再经过滤波处理和快速傅里叶变换得到信号的频谱，通过LED矩阵频谱显示器显示出来。
主要包括两个模块：音频输入模块和音频滤波模块。
音频输入模块通过单片机P1口，完成音频信号的采样并将采样信号进行A/D转换。
A/D 转换口在P1口有10位8路高速A/D转换器，通过软件可设置将P1口中的任何一位为A/D转换位，剩下的可做普通I/O口使用。
本系统利用滤波模块，去除输入信号中掺杂的噪声，在这个过程中，不仅要滤除高频信号干扰，还要滤除低频信号干扰。
0.1uF的电容用来滤除高频信号干扰，100uF的电容用来滤除低频信号的干扰。
2.2 环境温度监测功能
本设计采用 DS18B20 温度传感器进行温度的检测，最后把测量的温度送LED数码管显示[3]。
DS18B20 测量得到的数字信号可以直接送到单片机进行处理，省去了信号放大和滤波电路，温度采样电路原理图如图2所示。
在信号线上外接10 kΩ 的上拉电阻，可以减小信号在传输过程中衰减，起到了增大信号传输距离的作用。
DS18B20具有体积小、精度高、采用单总线、安装简便等优点[4-5]。
2.3 时钟功能
本系统利用STC12C5A60S2单片机内部的A/D模块[6]，将采集的信号进行模数转换为时间数据，并通过单片机同步传输数据给显示模块。
2.4 无线蓝牙传输模块
当手机蓝牙与音乐频谱仪蓝牙模块匹配连接成功后，即可实现频谱仪与手机的数据传输功能[7]，当单片机蓝牙模块收到手机发送的特定信号后，即可利用内部的A/D模块，将音频模拟信号转化为数字信号，实现音频信号的无线传输。
3 软件设计
多功能音乐频谱仪采用STC12C5A60S2单片机作为控制，其系统大致分为数据采集、A/D 转换、FFT变换、呼吸灯显示、时间及温度显示5个部分。
经蓝牙无线采样后的语音信号输入到单片机中，经过A/D转换，再进行滤波处理和快速傅里叶变换，得到信号的频谱，实现音乐频谱的LED显示。
系统程序流程图如图3所示。
经过硬件调试后，将程序烧录单片机，音乐频谱效果显示图如图4所示。
本设计最主要的功能是显示语音信号的频谱成分，并在LED屏上直接显示，其中每条竖线代表一种频率成分。
4 结束语
本文提出了一种多功能音乐频谱仪系统，该系统采用单片机控制，将人们喜爱“听”的音乐形象化地展示“看”出来，采用蓝牙模块实现语音信号的无线传输，并且增加了呼吸灯、时钟与温度显示功能，大大增强了系统的实用性与人性化。
【参考文献】
[1]蒋长锦，蒋勇.快速傅里叶变换及其C程序[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2004：32-349.
[2]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3]冀勇钢，杨赫天.基于单总线温度传感器的多点测温系统设计[J].现代电子技术，2010，12：23-25.
[4]王泽元.基于DS18B20多点温湿度采集系统的设计[J].吉林工程技术师范学院学报，2015.9：92-93.
[5]赵彩霞.基于DS18B20的单片机测温系统[J].科技创新导报，2015（03）：100-102..
[6]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2012.
[7]吴镇扬.数字信号处理[M].高等教育出版社，2010.4.。