【系統(tǒng)設(shè)計論文】單片機(jī)下的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計

【系統(tǒng)設(shè)計論文】單片機(jī)下的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：針對目前市面上音樂節(jié)奏彩燈成本高、需要提前編程、效果單一等缺點(diǎn)，設(shè)計了一種基于頻譜分析的音樂節(jié)奏燈光系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，配合MSGEQ7芯片、WS2812彩燈模塊、固態(tài)繼電器模塊，藍(lán)牙音頻模塊等，可以實現(xiàn)對用戶播放的音樂進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)頻譜特征判斷音樂的鼓點(diǎn)節(jié)奏和音樂氛圍，并控制彩燈隨著音樂節(jié)奏進(jìn)行不同效果的變化。該系統(tǒng)具有操作簡單、無需編程、即插即用、效果豐富、識別精準(zhǔn)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；MSGEQ7；WS2812引言彩燈控制主要用在聚會、KTV、酒吧、慶典、廣告牌、園林噴漆裝飾以及舞臺演出等場合，是一種為環(huán)境提供不同變化效果的燈光控制設(shè)備。但是專業(yè)彩燈不僅價格昂貴，而且操作復(fù)雜，需要提前編程，不適合普通用戶使用。而普通的效果燈，只有燈光閃爍，沒有節(jié)奏跟隨，效果單一。針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用簡單方便，無需提前編程，即插即用，彩燈效果實時跟隨音樂節(jié)奏變化，且彩燈效果豐富，代入感強(qiáng)，音樂氛圍好，適用于各種非專業(yè)化場合，具有很強(qiáng)的市場價值。1整體設(shè)計1.1系統(tǒng)整體框架如圖1所示，本文設(shè)計的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)主要由藍(lán)牙音頻模塊、MSGEQ7芯片、單片機(jī)主機(jī)、單片機(jī)從機(jī)、固態(tài)繼電器、WS2812芯片以及LED燈帶構(gòu)成。其中，藍(lán)牙音頻模塊主要用于接收音樂信號，MSGEQ7芯片用于解析音樂頻譜，單片機(jī)主機(jī)根據(jù)解析的頻譜信號分析音樂節(jié)奏，單片機(jī)從機(jī)用于控制WS2812芯片和固態(tài)繼電器的開關(guān)，從而控制LED燈帶顯示不同燈光效果。1.2外觀設(shè)計系統(tǒng)產(chǎn)品外觀呈長方體型，如圖2所示，背部設(shè)有插座，用于給LED燈帶供電，其中三插電源用于給普通LED燈帶供電，type-C接口用于給WS2812彩色燈帶供電和通信，插座下方的三個接口分別是AUXIN、AUXOUT和電源接口。產(chǎn)品頂部有一個開關(guān)按鈕，用于開關(guān)系統(tǒng)電源。2硬件設(shè)計2.1音頻采集、處理和分析模塊音頻采集、處理和分析模塊分別為藍(lán)牙音頻模塊、MSGEQ7芯片以及單片機(jī)主機(jī)。藍(lán)牙音頻模塊用于實現(xiàn)音頻采集功能。藍(lán)牙音頻模塊采用杰理藍(lán)牙解碼芯片，內(nèi)置無損功放模塊，能夠左右聲道輸出，提供AUX輸入輸出音頻接口，支持藍(lán)牙5.0協(xié)議，穩(wěn)定連接范圍為5米，能夠通過多種方式采集音頻信號，放大并輸出到下一級。MSGEQ7芯片用于對采集到的音頻信號進(jìn)行處理。MSGEQ7是一款音頻頻譜采集芯片，通過輸入音頻信號，芯片可以輸出該音頻信號頻譜中的7個幅值，頻率分別為63Hz、160Hz、400Hz、1kHz、2.5kHz、6.25kHz和16kHz，這7個固定頻率幅值分別表征了音樂信號的中低高頻特點(diǎn)，MSGEQ7芯片將頻譜幅值信息發(fā)送給單片機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)主機(jī)用于對頻譜幅值進(jìn)行分析。單片機(jī)主機(jī)收到7個頻點(diǎn)幅值后會對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷音樂是否有鼓點(diǎn)節(jié)奏，判斷音樂氛圍有多高。然后根據(jù)判斷出來的情況控制LED顯示各種效果。2.2彩燈控制模塊為了保障音頻處理的實時性，以及燈光效果的復(fù)雜性，我們專門設(shè)置了單片機(jī)從機(jī)，用于控制燈光效果。系統(tǒng)一共使用了2臺單片機(jī)從機(jī)來控制燈光效果，2臺單片機(jī)分別用于控制氛圍彩燈和節(jié)奏彩燈，這2臺單片機(jī)均使用串口通信方式與主控芯片通信，為了提高實時性，串口波特率為115200bps，通信方式為廣播通信，通信指令幀僅為一個字符。2.3彩燈模塊彩燈模塊采用WS2812驅(qū)動芯片，WS2812是一款LED燈控制芯片，每一個WS2812可以控制一個RGB全彩LED燈，WS2812可以進(jìn)行串聯(lián)使用，并且只需要一根數(shù)據(jù)線即可控制。由于每個LED彩燈對應(yīng)一個WS2812芯片控制，因此每個LED燈都可以獨(dú)立點(diǎn)亮。通過主控芯片控制，彩燈帶可以顯示多種變換效果，例如流水燈、漸變色、彩虹流水等等。彩燈接口使用定制的type-C接口，不但可以用于供電，還可以與WS2812進(jìn)行通信。除了type-C接口外，還提供標(biāo)準(zhǔn)電源插座，用于連接普通LED臺燈或非定制彩燈燈帶，主控芯片通過固態(tài)繼電器控制插座通斷，從而控制普通彩燈的亮滅。固態(tài)繼電器響應(yīng)速度快，可以讓普通LED燈帶隨音樂節(jié)奏閃爍。3軟件設(shè)計3.1平均值濾波由于采集的音頻頻點(diǎn)信息比較密集，無法直觀反映音頻頻點(diǎn)的特點(diǎn)，為了保證采集速率，程序采用了一種簡單的平均值濾波算法對頻點(diǎn)信號進(jìn)行處理。該算法使用平均值濾波方法，多次采集數(shù)據(jù)，并對采到的數(shù)據(jù)求平均值。算法先多次累加采集到的單次幅值，然后將幅值之和除以采集次數(shù)，得到一段時間內(nèi)的平均幅值。需要注意的是，平均算法中，采集次數(shù)的多少會影響濾波算法的速率和精度，次數(shù)太多會影響系統(tǒng)實時性，從而導(dǎo)致燈光跟節(jié)奏的同步效果，次數(shù)太少會影響濾波精度，導(dǎo)致節(jié)奏判斷失誤。3.2音樂節(jié)奏判斷要把握音樂節(jié)奏，就要判斷出音樂的低頻鼓點(diǎn)信號。主控芯片會抽取濾波后的低頻幅值進(jìn)行判斷，當(dāng)幅值超過我們設(shè)定的閾值時，主控芯片會認(rèn)為該信號為低頻鼓點(diǎn)，此時，系統(tǒng)會控制節(jié)奏彩燈顯示節(jié)奏效果。除了音樂節(jié)奏，我們還需要呈現(xiàn)音樂氛圍。音樂氛圍主要根據(jù)信號頻譜的平均幅值來判斷，當(dāng)音樂頻譜的平均幅值增大時，主控芯片會認(rèn)為此時音樂氛圍提高了，系統(tǒng)會控制氛圍彩燈逐漸點(diǎn)亮，烘托音樂氛圍。3.3彩燈效果彩燈可以呈現(xiàn)兩種音樂效果，分別為音樂氛圍效果和音樂節(jié)奏效果。系統(tǒng)可以同時驅(qū)動6條燈帶，其中3條為節(jié)奏燈帶，用于響應(yīng)低頻節(jié)奏，另外3條為氛圍燈帶，用于響應(yīng)音樂氛圍，每一條燈帶最多可包含100個LED燈珠。音樂氛圍彩燈的效果具體表現(xiàn)為，當(dāng)音樂氛圍變化后，整條燈帶上的LED燈同時漸亮或漸暗，漸變過程持續(xù)一小段時間。為了保障音樂氛圍的效果，漸亮和漸暗后會保持一段時間，不會急劇變化。音樂節(jié)奏彩燈有兩種表現(xiàn)效果，分別是流水效果和呼吸效果。流水效果的具體表現(xiàn)為，每次收到節(jié)奏命令后，彩燈在指定的一端開始，有一個類似與流星效果的流水燈流向另一端末尾，最后流出末端；呼吸效果的具體表現(xiàn)為，當(dāng)節(jié)奏出現(xiàn)后，整條燈帶上的LED燈同時快速漸亮，并保持一小段時間，然后同時快速漸暗直到熄滅。4結(jié)束語本文設(shè)計的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)，不僅操作方便、價格實惠，而且節(jié)奏精確，音樂氛圍感強(qiáng)，非常適合舞廳、KTV、家庭聚會、小型慶典、節(jié)日彩燈、圣誕彩燈等非專業(yè)場合，目前市場上還沒有同類產(chǎn)品出現(xiàn)，具有推廣價值。參考文獻(xiàn)：1陳蘭，江朋友，閃靜潔.基于單片機(jī)的多功能音樂頻譜儀的設(shè)計與實現(xiàn)J.科技視界，2018（07）：45-46.2李逸家.基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣音樂頻譜顯示器J.工業(yè)控制計算機(jī)，2015（04）：137-138+140.3吳繼發(fā)，陳特放.單片機(jī)實現(xiàn)音頻頻譜顯示的快速算法研究J.電子設(shè)計工程，2009（11）：70-71.4張京華.LED顯示屏結(jié)構(gòu)設(shè)計研究J.科技與創(chuàng)新，2018（02）：27-28.5廖建文，彭永杰，屈珣.藍(lán)牙音箱頻譜屏的設(shè)計J.宜賓學(xué)院學(xué)報，2015（06）：45-47+65.6張馨華.基于單片機(jī)的帶頻譜顯示的迷你藍(lán)牙音箱設(shè)計J.寧德師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2019（01）：39-47.7王啟明，郭寧峰，周艷艷.基于STC8A4K60S2A12單片機(jī)的音樂頻譜儀的設(shè)計J.電腦知識與技術(shù)，2019（27）：211-212.