基于单片机的多功能音乐频谱仪的设计与实现

基于IAP15F2K61S2单片机的多功能音乐频谱的设计
谢宏霖
【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2014(0)17
【摘要】本文介绍了一种以IAP15F2K61S2单片机为核心，外加温湿度检测、红外检测、数字时钟、背光检测等多功能音乐频谱的设计，该系统主要是对语音信号进行采样滤波后，进行快速傅立叶变换（FFT），然后通过LED屏将其频谱分布显示出来，同时对其扩展功能进行换屏显示，支持红外遥控操作。

【总页数】2页(P8-8,9)
【作者】谢宏霖
【作者单位】山东英才学院信息工程学院山东济南 250104
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于IAP15F2K61S2单片机的轮胎防爆系统的设计 [J], 高世雄;张明慧;李津津
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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2.1复位电路复位电路用来将中央处理器及其他功能模块同时恢复到一个确切的初始状态，以备下次运行时从该初始状态重新开始。

复位方式有手动按钮复位、上电复位、积分型上电复位、看门狗型复位电路等。

1
音频信号，这个音频信号再经功放模块由扬声器驱动播放音乐。

同时，音频信号又作为输入信号接到另外一个单片机系统，此单片机系统主要是完成音频信号的模数转换，并由内部软件通过快速傅里叶算法，实现音频信号在频域上的分析，最后量化输出，由LED点阵显示出频谱变化。

三、研究指向内容与过程
（一）研究指向
1. 降低设计、制作以及成品的成本；
2. 提高音频频谱与音乐的匹配度；
3. 开发电子产品专业课程的实训资源，使实训资源与生活相结合，便于电子专业学生的
学习与研究。

（二）研究内容
1、硬件设计
单片机我们选用STC12C5A60S2。

STC 公司的单片机不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，其中STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASHROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

而且STC 系列单片机支持串口程序烧写。

本设计系统由单片机模块、音频采集模块、滤波模块、按键模块、功放模块和显示模块六部分组成，如图1所示。

图1 音频频谱显示器的系统结构图
硬件电路图如图2所示，使用音频采集模块对输入的音频信号进行采样，经过FFT变换，然后取某些频率项的幅值，量化显示，驱动LED点阵，点亮相应的LED灯，其中显示模块即LED频谱显示电路。

图2左上方是滤波模块以及功放模块的设计，左下方是单片机模块的电路设计，右侧是LED频谱显示电路的设计。

其中，音频功放芯片选用8002，它是两个OTL电路桥式连接为BTL工作方式的音频功放。

2
3。

基于单片机的频谱仪设计发表时间：2019-08-15T15:40:29.510Z 来源：《信息技术时代》2018年12期作者：唐弟杨艺敏[导读] 频谱仪以STM32F103单片机作为主控电路，包含程控衰减模块HMC624，滤波模块、混频模块ADL5801、固定增益放大模块adl5611、检波模块ad8310，利用锁相环芯片ADF4351生成系统扫频信号发生器，输出的信号频率范围为35MHz到400MHz以上。

（桂林电子科技大学信息科技学院，广西桂林 541000）项目支持：2017年大学生创新创业项目“便携式简易频谱仪的设计”，项目编号：201713644035摘要：频谱仪以STM32F103单片机作为主控电路，包含程控衰减模块HMC624，滤波模块、混频模块ADL5801、固定增益放大模块adl5611、检波模块ad8310，利用锁相环芯片ADF4351生成系统扫频信号发生器，输出的信号频率范围为35MHz到400MHz以上。

频谱仪采用两级混频，然后通过检波器对第二中频信号进行模拟检波，输出直流信号给STM32的ADC脚进行采集并处理，此外由程控衰减进行参考电平的调节，最后通过TFT液晶屏显示频率和频谱。

该频谱仪实现了实用频谱仪的频标设置、扫频宽度、参考电平等功能。

关键词：STM32；ADF4351adl5801；混频Design of SpectrometerAbstract：The spectrum analyzer uses STM32F103 MCU as the main control circuit,including program-controlled attenuation module HMC624,filtering module,mixing moduleADL5801,fixed gain amplification module adl5611,detection module ad8310.The system sweep signal generator is generated by using phase-locked loop chip ADF4351,and the output signal frequency range is over 35MHz to 400MHz.The spectrum analyzer uses two-stage mixing,and then simulates the second IF signal through the detector.The output DC signal is collected and processed by the ADC foot of STM32.In addition,the reference level is adjusted by programmable attenuation.Finally,the frequency and spectrum are displayed by TFT LCD screen.The spectrum analyzer realizes the functions of frequency standard setting,sweep width and reference electric equality of practical spectrum analyzer.Key words：STM32; ADF4351; adl5801; mixing引言技术不断发展，信号频率越来越高、精度要求越来越高、工程作业环境越来越复杂等等挑战不断催促着频谱仪更新换代。

单片机音乐频谱：：正文：章节一、介绍本文档旨在提供关于单片机音乐频谱的详细说明和操作指南。

单片机音乐频谱是一种将音频信号转化为可视化频谱图的技术，可以实现音乐可视化效果。

章节二、材料准备2.1 单片机：我们可以选择一款适用于音频处理的单片机，如Arduino、Raspberry Pi等。

2.2 音频输入设备：需要一个音频输入设备，如麦克风或音频输入接口。

2.3 LED灯带：选择适合的LED灯带作为频谱图的显示器件。

2.4 电路连接线材：用于连接单片机、音频输入设备和LED灯带的电路连接线材。

章节三、电路连接3.1 连接麦克风：将麦克风的输出端与单片机的音频输入引脚相连接。

3.2 连接LED灯带：将LED灯带的信号输入端与单片机的数字输出引脚相连接。

3.3 连接电源：根据LED灯带的电源要求，将LED灯带与适当的电源连接。

章节四、软件配置4.1 安装开发环境：根据所选单片机的要求，安装相应的开发环境，如Arduino IDE或树莓派操作系统。

4.2 配置音频输入：在开发环境中配置音频输入设备的参数，如选择麦克风作为输入源，设置采样率等。

4.3 编写程序：使用合适的编程语言，编写程序以获取音频输入并将其转化为频谱图的形式。

章节五、运行和测试5.1 程序：将编写好的程序到单片机中。

5.2 运行程序：通过单片机的开发环境，运行程序并开始监测音频输入。

5.3 测试频谱图：播放音乐或其他音频源，观察LED灯带上显示的频谱图效果，进行调试和测试。

章节六、附件本文档的附件包括：1）电路连接图：展示单片机、音频输入设备和LED灯带之间的连接关系。

2）程序代码：提供编写好的单片机程序代码，方便读者参考和使用。

章节七、法律名词及注释1）单片机：单片机是一种集成了中央处理器、内存和输入/输出接口等功能的微型计算机芯片。

2）音频输入设备：音频输入设备是用于将声音信号转化为电信号的设备，如麦克风、音频输入接口等。

3）LED灯带：LED灯带是一种由多个发光二极管组成的灯带，可实现各种颜色的发光效果。

毕业设计(论文)专业班级学生姓名学号课题基于单片机的音乐器设计指导教师摘要目前市场上有很多种音乐芯片或音乐模块，可以直接产生各种曲子。

但是这种模块价格比较贵，性价比不高。

对于一些仅需要产生简单的音符或简短曲子的场合，例如智能玩具、电子贺卡等，可以使用单片机配合简单的蜂鸣器就能产生需要的音乐效果，这种方法充分发挥了单片机的优势。

本设计中，用一块AT89C52单片机给蜂鸣器不同的音频脉冲来产生不同的音调，实现演奏歌曲的功能。

同时，通过按键电路来控制歌曲的播放，并在LCD1602上显示歌曲信息。

关键词：音乐；单片机；蜂鸣器；按键；LCD1602AbstractThere are many kinds of music chips or music modules on the market at present, which can directly produce a variety of music. But these modules are expensive and low cost performance. For some only needs to generate simple notes or short tune occasions, such as intelligent toys, electronic greeting cards, the microcontroller can be used with a simple buzzer can produce the required music effect, this method makes full use of the advantages of MCU.In this design, using a AT89C52 chip to the buzzer different audio pulse to produce different tones, realize the function of play the song. At the same time, through the key circuit to control the songs, songs and display information in the LCD1602.Key words: music；MCU；buzzer；key；LCD1602目录摘要 (I)Abstract (I)1绪论 (1)1.1课题背景与意义 (1)1.2国内外研究状况 (1)1.3论文研究内容概述 (2)2硬件电路设计 (2)2.1硬件电路结构图 (2)2.2单片机模块 (3)2.2.1单片机的引脚功能 (3)2.2.2定时器 (5)2.2.3中断 (5)2.3单片机最小系统 (6)2.3.1时钟电路 (6)2.3.2复位电路 (7)2.4发声模块 (7)2.4.1蜂鸣器 (7)2.4.2驱动电路 (8)2.5按键模块 (9)2.6显示模块 (10)3软件设计 (12)3.1软件开发平台 (12)3.2单片机发音原理 (13)3.2.1音调 (13)3.2.2节拍 (14)3.2.3音符码表的编制 (15)3.3主程序流程图 (17)3.4发声模块程序设计 (18)3.5按键模块程序设计 (20)3.6显示模块程序设计 (23)4硬件仿真 (24)5总结 (26)致谢 (27)参考文献 (28)附录一硬件电路原理图 (29)附录二源程序 (30)附录三英文科技文献翻译 (39)1绪论1.1课题背景与意义随着人类社会的发展，人们对视觉、听觉方面的享受提出了越来越高的要求。

基于STM32L053的音乐频谱仪的设计惠州市技师学院 牟丽霞0 引言STM32L053是目前市面上比较流行的一款单片机，功耗低，价格便宜，是做电子产品设计以及教学科研比较适合的产品。

本文研究一种基于STM32L053实现音乐播放和频谱显示，可以应用于玩具，简易音乐显示设备，音乐喷泉等。

本设计用到了多个定时计数器同时使用，中断，按键扫描，音乐实现，频谱显示，数码管使用等，是一个综合性非常强的实践项目，有利于培养学生的综合设计和调试能力，为电子技术应用专业学生走入社会奠定良好的技术基础。

图1 音乐频谱总体设计框图1 系统总体设计框图本文主要利用低功耗的STM32L053单片机设计一种用按键控制播放音乐、显示音乐频谱、数码管显示曲目和播放时间的简易音乐设备，同时如果曲目较多或要让设备实现断电记忆功能的话，可以添加使用I2C 通信方式的AT24C16存储芯片。

本设计的核心为STM32L053单片机，外围有5个部分，分别是按键扫描、音乐播放、数码管显示曲目和播放时间、点阵显示音乐频谱和存储芯片，总体设计框图见图1。

2 音乐频谱的实现原理2.1 音乐的产生我们能感知到美妙的音乐，主要是基于人耳能够分辨不同频率的信号，如何让单片机能够发出动听的音乐呢，原理主要是把乐谱分成不同频率以及延时各不相同的PWM 波，在单片机中可以利用定时器实现PWM 波[1]。

2.2 频谱人类能够感知音乐律动的旋律，在电子产品中我们通常还可以通过视觉来观看跳动的旋律，这样更加直观，本文中把不图2 基于STM32L053的音乐频谱仪的电路设计同的音符编成不同的谱状，随着音乐的播放，把这些谱线显示在点阵中[2]。

3 电路设计本设计采用比较主流的Altium Designer 16软件进行电路设计和PCB 制作，电路原理图见图2。

由于所选的STM32L0引脚只有40个，I/O 口较少，使用了8位串行输入 /8位串行或并行输出的74HC595与数码管相连，用于计时和显示曲目；同时使用了74LS138和74HC595作为8*8点阵的行选端和列选端，大大节约了I/O 资源，8*8点阵主要用于音乐频谱显示；四个按键与10K 电阻串联直接和STM32L0相连，单片机通过中断扫描方式检测用户行为，如上一曲、下一曲、暂停和（下转第195页）在IPTV 上就可以了解医院的详细情况和就诊流程，既满足了不同患者对医院医生诊疗的了解需求、方便病人就医，也能更合理的安排患者就诊，降低病人就医成本，提高门诊服务效率。

目次1 绪论-----------------------------------------------------------12 系统功能-------------------------------------------------------13 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-------------------113.4 频谱显示单元-----------------------------------------------144 音频频谱显示相关问题-------------------------------------------16 4.1 频谱及频谱显示---------------------------------------------164.2 FFT运算规则及编程思想--------------------------------------175 总结-----------------------------------------------------------22 参考文献-------------------------------------------------------24 致-----------------------------------------------------------23 附录A 源程序-------------------------------------------------25 附录B 系统电路图---------------------------------------------321 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。

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 (1)2. 方案设计 (2)2．1设计要求 (2)2．2总体方案设计 (3)2．3总体方案组成 (6)3. 系统电路设计 (6)3．1单片机主控电路设计主控制器 (6)3．2LED显示模块电路设计 (7)4. 软件设计 (8)4．1软件设计流程图 (8)5．系统的测试 (8)6．结论 (9)7．参考文献 (11)8. 附录 (14)1. 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。

2. 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。

能框架设计如图1所示。

图1系统功能框架设计图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AH201612216037)。

安徽新华学院电子通信工程学院讲师,主要从事智能信息处理研究。

安装简便等优点。

图2DS18B20温度传感器采样电路原理图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单片机作为线代表一种频率成分。

图3系统程序流程图图4音乐频谱效果显示图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。

基于STM32DSP库的音乐频谱设计音乐频谱设计是指将音频信号转换为频谱表示，以便可视化和分析音频信号中的频率成分。

在STM32系列微控制器上，可以使用STM32DSP库来实现音乐频谱设计。

STM32DSP库是针对STM32系列微控制器的数字信号处理库，提供了一系列的函数和算法用于实现音频信号的处理和分析。

在使用DSP库进行音乐频谱设计时，主要包括以下几个步骤：1.音频输入：首先需要将音频信号输入到STM32微控制器中，可以通过外部音频输入设备或者内部音频模块将音频信号输入到STM32的ADC模块中。

2.采样和滤波：使用STM32ADC模块对音频信号进行采样，并采用数字滤波器对信号进行去噪和滤波操作，以提高频谱分析的准确度。

3.快速傅里叶变换（FFT）：使用STM32DSP库中的FFT函数对音频信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号。

4.频谱显示：将频域信号表示为频谱图形，可以使用LCD显示模块或者LED灯阵列来实现频谱可视化。

可以使用STM32的GPIO和SPI接口来连接LCD模块或者LED灯阵列。

5.频谱分析：对频谱进行分析，可以计算不同频率范围内的能量峰值、频率分布等信息，以实现音乐频谱的可视化效果。

在进行音乐频谱设计时，还可以结合其他音频处理算法，如均衡器、动态压缩等来改善音频效果。

可以使用STM32DSP库中的滤波、压缩等函数来实现这些功能。

总结起来，基于STM32DSP库的音乐频谱设计主要包括音频输入、采样和滤波、FFT变换、频谱显示和分析等步骤。

通过使用STM32系列微控制器和DSP库的优势，可以实现高效、准确的音乐频谱设计，为音频应用提供更好的用户体验。

单片机音乐频谱一、概述在单片机应用领域中，音乐频谱的设计与实现是一项常见且有趣的任务。

音乐频谱是指将音频信号的频率内容进行可视化展示的一种方法，通过频谱图可以直观地观察到音频信号的频谱特性。

本文档将详细介绍如何利用单片机实现音乐频谱的设计与实现。

二、硬件设计1.选择合适的单片机：根据实际需求选择适用的单片机，考虑到处理速度和存储容量等因素。

2.音频输入：通过选择合适的音频输入模块，将音频信号输入到单片机中。

可以选择模拟输入或数字输入方式。

3.FFT转换器：使用FFT（Fast Fourier Transform）转换器将音频信号从时域转换为频域，并计算频谱数据。

4.LED显示屏/柱形图显示模块：使用LED显示屏或柱形图显示模块，将频谱数据转化为可视化的频谱图展示。

三、软件设计1.ADC采样：在单片机中配置ADC模块，以一定的采样频率对音频信号进行采样，将其转换为数字信号。

2.数据处理：对采样得到的音频数据进行预处理，例如进行加窗处理，以减小频谱泄漏的影响。

3.FFT计算：通过调用FFT算法库，对预处理后的音频数据进行FFT计算，得到频谱数据。

4.数据显示：将计算得到的频谱数据通过LED显示屏或柱形图模块进行可视化展示。

四、调试与优化1.验证硬件连接：确保单片机与音频输入模块、显示模块等硬件连接正确。

2.调试采样频率：根据实际需求，调整ADC采样频率，以确保采样频率能够满足音频信号的频率范围。

3.调试FFT参数：根据实际需求，调整FFT参数，例如采样点数、窗函数类型等，以优化频谱分辨率和计算速度。

4.优化显示效果：通过调整频谱数据的灵敏度、颜色映射等参数，优化频谱图的展示效果。

五、附件1.单片机音乐频谱原理图：附带单片机音乐频谱的硬件连接图，方便实际搭建与调试过程中的参考和理解。

2.单片机音乐频谱代码示例：提供一个完整的单片机音乐频谱的软件代码示例，包括初始化配置、FFT计算、数据显示等部分。

六、法律名词及注释1.单片机：也称为微控制器，是一种包含处理器核心、存储器和外设功能的集成电路芯片，用于控制电子设备的工作。