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基于单片机的音频频谱显示器设计

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基于单片机的音频频谱显示器设计

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目 次

1 绪论-----------------------------------------------------------1

2 系统功能-------------------------------------------------------1

3 系统设计-------------------------------------------------------2

3.1 主控单元----------------------------------------------------2

3.2 STC12C5A60S2 系列单片机单片机的A/D转换器-------------------10

3.3 STC12C5A60S2 系列单片机单片机的I/O口结构-------------------11

3.4 频谱显示单元-----------------------------------------------14

4 音频频谱显示相关问题-------------------------------------------16

4.1 频谱与频谱显示---------------------------------------------16

4.2 FFT运算规则与编程思想--------------------------------------17

5 总结-----------------------------------------------------------22

参考文献-------------------------------------------------------24

致谢-----------------------------------------------------------23

附录A 源程序-------------------------------------------------25

附录B 系统电路图---------------------------------------------32

基于单片机的音频频谱显示器设计

1 / 46 1 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STC12C5A60S2单片机与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STC12C5A60S2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LCD1604上实时显示音频信号的频谱。

2 系统功能

图2.1为系统整体设计原理图

图2.1 系统整体设计原理图

本设计以STC12C5A60S2单片机作为主控单元，进行数据采集，A/D

音频信号 数据采集，A/D转换 FFT算法计算频谱值 频谱显示电路 基于单片机的音频频谱显示器设计

2 / 46 转换，频谱计算（FFT），再由LCD1604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STC12C5A60S2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LCD1604显示器件显示。

3 系统设计

3.1 主控单元

本设计以STC12C5A60S2单片机作为主控单元，进行频谱计算和数据采集，A/D转换，频谱计算（FFT）。

3.1 STC12C5A60S2 系列单片机简介

3.1.1.1 简介

STC12C5A6OS2是宏晶公司推出的完全集成的混合信号片上系统MCU。1个时钟/机器周期，低成本、高可靠性、高速A/D转换。带8通道模拟多路开关， 转换速度250K/S(25万次/秒)；具有可编程数据更新方式；60KB系统编程的Flash内存。1280字节的片内RAM， 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口。硬件实现的ISP/IPA在线系统可编程/在线应用可编程。可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序：6个通用 的16位定时器。兼容普通8051的定时器T0/T1 ， 4路PCA也是4个定时器：2通道捕获/比较单元(PWM2路/PCA可编程计数器阵列4路/CCU)一可用来当2路D/A使用、用来再实现2个定时器或2个外部中断STC12C5A60S2是真正能独立工作的片上系统STC12C5A60S2的功基于单片机的音频频谱显示器设计

3 / 46 能 均可由用户进行设置使能/禁止。

3.1.1.2 STC12C5A60S2主要性能：

▲ 高速：1个时钟／机器周期，速度比普通MCS一51单片机快8～l2倍；

▲ 宽电压：5.5～3 .3 V，2 .2～3 .6 V；

▲ 低功耗设计：掉电模式(可由外部中断唤醒)。可支持下降沿／上升沿和远程唤醒；

▲ 增加外部掉电检测电路，可在掉电时与时将数据保存EPROM；

▲ 工作频率：0～35 MHz，相当于普通MCS一51单片机的0～420

MHz ；

▲ 8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用；

▲ 每个I／OEl驱动能力均可达到2OmA。但整个芯片最大不得超过100mA。

图3.1为STC12C5A60S2 单片机实物图 基于单片机的音频频谱显示器设计

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图3.1 STC12C5A60S2 单片机实物图

3.1.2 STC12C5A60S2 系列单片机内部结构

STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图所示。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗与片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。

图3.2为STC12C5A60S2系列内部结构框图 基于单片机的音频频谱显示器设计

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图3.2 STC12C5A60S2系列内部结构框图

3.1.3 STC12C5A60S2 系列单片机管脚与管脚说明

图3.3为STC12C5A60S2系列单片机管图 基于单片机的音频频谱显示器设计

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图3.3 STC12C5A60S2系列单片机管图

管脚说明：

▲P0.0-P0.7：P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线 [A0-A7]，数据线 [D0-D7]。

▲CLKOUT2/ADC0/ P1.0：p1.0 标准I/O口 PORT1[0]

ADC0 ADC 输入通道-0

CLKOUT2 独立波特率发生器的时钟输出，可通过设置WAKE-CLKO[2]位/BRT-CLKO将该管脚配置为CLKOUT2。

▲ADC1/P1.0：p1.1 标准I/O口 PORT1[1]

ADC1 ADC 输入通道-1 基于单片机的音频频谱显示器设计

7 / 46 ▲RxD2 /ECI / ADC2/P1.2：p1.2 标准I/O口 PORT1[2]

ADC2 ADC 输入通道-2

ECI PCA计数器的外部脉冲输入脚

RxD2 第二串口数据接收端

▲TxD2 /CCP0/ADC3/P1.3：P1.3 标准I/O口 PORT1[3]

ADC3 ADC 输入通道-3

CCP0 外部信号捕获(频率测量或当外部中断使用)、高速脉冲输出与脉宽调制输出。

TxD2 第二串口数据发送端

▲SS/CCP1/ADC4/ P1.4：P1.4 标准I/O口 PORT1[4]

ADC4 ADC 输入通道-4

CCP1 外部信号捕获(频率测量或当外部中断使用)、高速脉冲输出与脉宽调制输出。

SS SPI同步串行接口的从机选择信号

▲MOSI/ADC5 /P1.5：P1.5 标准I/O口 PORT1[5]

ADC5 ADC 输入通道-5

MOSI SPI同步串行接口的主出从入（主器件的输出和从器件的输入）

▲MISO/ADC6/P1.6：P1.6 标准I/O口 PORT1[6]

ADC6 ADC 输入通道-6

MISO SPI同步串行接口的主入从出（主器件的基于单片机的音频频谱显示器设计

8 / 46 输入和从器件的输出）

▲SCLK/ADC7/P1.7：P1.7 标准I/O口 PORT1[7]

ADC7 ADC 输入通道-7

SCLK SPI同步串行接口的时钟信号

▲P2.0-P2.7：P2口内部有上拉电阻，即可以作为输入/输出，也可以作为高8位地址总线使用[A8-A15]，当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。

▲RxD/ P3.0：P3.0 标准I/O口 PORT3[0]

RxD 串口1数据接收端

▲TxD/P3.1：P3.1 标准I/O口 PORT3[1]

TxD 串口1数据发送端

▲0INT /P3.2：P3.2 标准I/O口 PORT3[2]

0INT外部中断0，下降沿中断或低电平中断

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基于stm32f1的频谱分析仪

基于stm32f1的频谱分析仪

单片机课程设计

基于STM32F1 的频谱分析仪

班 级：电子信息工程1111班

（学号）：

指导老师 ： 题 目：基于STM32F1 的频谱分析仪

关键词：频谱分析仪，STM32F1，快速傅立叶变换，FFT，双色点阵

摘要

本设计是基于STM32F1的频谱分析仪。以STM32F103RBT6为控制核心，双色点阵屏为显示器。硬件上由电源管理，通信模块，放大电路，以及单片机最小系统组成。算法上采用简洁稳定的快速傅立叶变换作为主要的核心算法，辅以自动增益控制，实现信号从时域到频域的变换。通过双色点阵屏显示，具有直观，清晰等特点。

1. 引言

目前，由于频谱分析仪价格昂贵，学校里只有少数实验室配有频谱仪。但是电子信息类教学，如果没有频谱仪辅助观察，同学们只能从书本中抽象理解信号的特征，严重影响教学实验效果。

正对这种现状，提出了一种基于STM32F1的简易频谱分析仪的设计方案，其优点是成本低，能够直观的反映信号在频域的特征。

2. 系统方案

本设计采用STM32F1作为核心处理器，该处理器核架构 ARM

Cortex-M3，具有高性能、低成本、低功耗等特点。 主控板包括电源模块、红外通信模块、TDA2822放大模块等；信号经过放大电路放大之后，由芯片自带的ADC将模拟信号转换为数字信号，再由主控芯片对数字信号进行快速傅立叶变换，驱动双色点阵屏显示。

软件算法的核心容就是快速傅立叶变换。如下图为本设计总体框图。

信号采集

↓

↓

TDA2822信号放大

↓

↓

MAX275 6KHz滤波

↓ ↓

STM32进行快速傅立叶变换

↓

↓

32*64双色点阵屏显示

3. 系统硬件设计

针对前面提出的整体设计方案，本设计采取模块化策略,将各个功能部分开来设计，最后组合起来。

3.1 电源管理模块

系统的核心芯片为STM32F103，常用工作电压为3.3V，同时部的ADC工作的参考电压也是3.3V，一般的外部电源的电压都为5V，要使系统正常工作，需要将5V的电源电压稳压到3.3V。常用的78系列稳压芯片已不再适用，必须选择性能更好的稳压芯片。

基于STC8A4K60S2A12单片机的音乐频谱仪的设计

基于STC8A4K60S2A12单片机的音乐频谱仪的设计

龙源期刊网

基于STC8A4K60S2A12单片机的音乐频谱仪的设计

作者：王启明 郭宁峰 周艳艳

来源：《电脑知识与技术》2019年第27期

摘要：通过对音乐频谱仪原理的研究，利用STC8A4K60S2A12单片机控制技术、离散傅里叶变换快速算法，通过单片机内置的ADC采集音频信号，并将采集到的音频信号转换成数字信号。设计并实现一个音乐频谱仪，通过LED点阵将音乐频谱显示出来。

关键词：单片机;傅里叶变换;LED点阵

中图分类号：TP393; ; ; ; 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）27-0211-02

时代在不断发展，生活水平在不断提高，人们在解决基本生活所需的同时，也更加注重对生活品质的追求，音乐频谱仪就是在这种追求之下的产物。它促进了音乐的可视化，把原本只能“听”的音乐，变得能够“看”到，使音乐在给人听觉享受的同时，也带来视觉上的享受;帮助录龙源期刊网

音师对录制的音频进行加工处理，使音频变得更加丰富，有层次感。更广泛的，是它在家庭影院、卡拉OK等音响系统中，实时显示音乐信号的频谱将为音响系统增添不少色彩。本文设计并实现一个基于STC8A4K60S2A12单片机的音乐频谱系统，具有电路结构简单、易开发、生产成本低等特点。能够较好地满足人们在生活中的需求。

1 系统的基本结构

本系统以STC8A4K60S2A12单片机为控制核心，利用其内部集成的一个12位15通道的高速ADC转换器收集来自外界的音频信号，并将音频信号（电信号）转化为数字信号。通过快速傅里叶变换（FFT）对离散后的数字信号进行处理和运算。FFT计算出频谱值以后，由LED频谱显示电路负责在单片机的控制下把频谱直观地显示出来。此外，本系统还包括按键控制的开关和开始动画等其他功能。

2 硬件设计

基于STM32的多功能音乐播放器设计

基于STM32的多功能音乐播放器设计

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•ELECTRONICS WORLD・技术交流

基于STM32的多功能音乐播放器设计

绵阳职业技术学院 罗金生 王荣海 李 岷 刘 成

以音乐播放器为研究对象，提出一种基于STM32的音乐播放器

的硬件和软件的设计方法，系统以STM32F103ZET6为控制核心，

音频解码芯片VS1053B实现音频数据解码，挂载FATFS文件系统实

现对SD卡中的音频文件进行读取，利用FFT快速傅里叶变换将音频

信号转为频谱，加入了一个小型GUI显示界面配合OLED显示屏，

实时的将界面、播放状态以及频谱生动的展示出来，此外还加入了

蓝牙音频功能，通过手机蓝牙即可连接播放器播放音乐。实验表

明，该音乐播放器连接耳机能流畅播放多种格式的音乐文件，具有

多功能、高性能、低功耗、操作方便、稳定可靠等特点。

引言：音乐可能是人类史上最古老、最具普遍性以及感染力的

艺术形式之一。音乐能提高人的审美能力，净化人们的心灵，树立

崇高的理想。不论时代怎么发展，人们的生活娱乐都离不开音乐。

因此，设计一款简单实用，多功能化的音乐播放器完全可以符合人

们的爱好及需求。本文介绍一种基于STM32F103处理器的SDIO接

口模块及外围音频解码芯片实现一个SD卡的音乐播放器，它读取

存储在SD卡里的音频格式文件，并通过立体声音解码芯片输出，

能进行频谱显示，还可以通过手机蓝牙与其连接播放音乐等功能。

1.系统硬件电路设计

基于STM32F103VET6微控制器所设计的MP3播放器，主要包

括：存储模块、蓝牙音频模块、音频解码模块、显示模块。系统

方案设计的系统框图如图1所示。主控制器芯片，利用其SDIO接口

不断读取SD卡音频文件送入缓存区；使用了三组SPI接口，第一组SPI接口将读取的音频数据流送至音频解码芯片VS1053进行解码，

第二组SPI接口连接了字库存储芯片，用于显示歌曲名等，第三组SPI接口连接OLED显示屏幕实现人机交互以及显示歌曲信息和频

谱等；使用了一个定时器、一个DMA以及一个ADC通道实时快速

LED音乐频谱设计与制作

LED音乐频谱设计与制作

LED音乐频谱设计与制作

摘要：电子信息技术几乎主宰了整个电器行业的发展，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。功率放大器在家电、数码产品中的应用也越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。音频频谱显示器不但能够直观的显示信号输入的状况，而且在美学方面给予人好的视觉享受和，在某一方面来说频谱显示器赋予了音乐的动态美，让原本抽象的电信号，具体化，实质化。

本文通过使用单片机和数字信号处理技术，实现了单片机控制的音乐频谱显示系统。系统分为，声音采集单元，声音处理单元和显示单元。其中声音采集单元包括声音接收和 A/D 转换系统。声音接收单元接收到的音频模拟信号，经过 A/D 转换为数字信号，送给下一级处理单元处理。声音处理单元采用C52单片机进行快速傅立叶变换处理。显示单元接收处理后的信号，控制16*16LED板进行显示。软件方面使用单片机进行DFT，从而判断出该时间段音频信号的主谱，跟随着音乐节拍和强弱的变化来控制LED亮度和暗灭的实时变化,实现音乐的频谱分析并加以灯光显示。

关键字：单片机 功率放大器 A/D转换 快速傅立叶变换

LED Design and Production of the Music Spectrum

Abstract:Electronic information technology has occupied almost the entire appliance

industry, with the advances and development of electronic technology on the design of

power amplifier features are constantly updated. Closely related to our daily life, power