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1、单片机下的音乐节奏彩灯控制系统设计 -系 统设计论文-设计论文文章均为 WORD 文档，下载后可直接编辑使用亦可打印摘要：针对目前市面上音乐节奏彩灯成本高、需要提前编程、效 果单一等缺点，设计了一种基于频谱分析的音乐节奏灯光系统。该系 统以单片机为控制核心，配合MSGEQ7芯片、WS2812彩灯模块、固 态继电器模块，蓝牙音频模块等，可以实现对用户播放的音乐进行频 谱分析，根据频谱特征判断音乐的鼓点节奏和音乐氛围，并控制彩灯 随着音乐节奏进行不同效果的变化。该系统具有操作简单、无需编程、 即插即用、效果丰富、识别精准等特点。关键词：单片机；MSGEQ7； WS2812引言彩灯控制主要用在聚会、
2、KTV、酒吧、庆典、广告牌、园林喷漆装 饰以及舞台演出等场合，是一种为环境提供不同变化效果的灯光控制 设备。但是专业彩灯不仅价格昂贵，而且操作复杂，需要提前编程， 不适合普通用户使用。而普通的效果灯，只有灯光闪烁，没有节奏跟 随，效果单一。针对上述问题，本文设计了一种基于单片机的音乐节 奏彩灯控制系统，该系统使用简单方便，无需提前编程，即插即用， 彩灯效果实时跟随音乐节奏变化，且彩灯效果丰富，代入感强，音乐 氛围好，适用于各种非专业化场合，具有很强的市场价值。1 整体设计1.1 系统整体框架如图 1 所示，本文设计的音乐节奏彩灯控制系统主要由蓝牙音频 模块、MSGEQ7芯片、单片机主机、单片机
3、从机、固态继电器、WS2812 芯片以及LED灯带构成。其中，蓝牙音频模块主要用于接收音乐信号,MSGEQ7 芯片用于解析音乐频谱，单片机主机根据解析的频谱信号分 析音乐节奏,单片机从机用于控制WS2812芯片和固态继电器的开关, 从而控制 LED 灯带显示不同灯光效果。1.2 外观设计系统产品外观呈 长方体型，如图2所示，背部设有插座，用于给LED灯带供电，其中 三插电源用于给普通LED灯带供电，type-C接口用于给WS2812彩色 灯带供电和通信，插座下方的三个接口分别是AUXIN、AUXOUT和电 源接口。产品顶部有一个开关按钮，用于开关系统电源。2 硬件设计2.1 音频采集、处理和分
4、析模块音频采集、处理和分析模块分别为蓝牙音频模块、 MSGEQ7 芯 片以及单片机主机。蓝牙音频模块用于实现音频采集功能。蓝牙音频 模块采用杰理蓝牙解码芯片，内置无损功放模块，能够左右声道输出，提供AUX输入输出音频接口，支持蓝牙5.0协议，稳定连接范围为5 米，能够通过多种方式采集音频信号，放大并输出到下一级。MSGEQ7 芯片用于对米集到的音频信号进彳丁处理。MSGEQ7是一款音频频谱采 集芯片，通过输入音频信号，芯片可以输出该音频信号频谱中的 7 个 幅值，频率分别为 63Hz、160Hz、400Hz、1kHz、2.5kHz、6.25kHz 和 16kHz，这7个固定频率幅值分别表征了音
5、乐信号的中低高频特点， MSGEQ7 芯片将频谱幅值信息发送给单片机主机进丁处理。单片机主 机用于对频谱幅值进丁分析。单片机主机收到 7 个频点幅值后会对这 些数据进丁分析，判断音乐是否有鼓点节奏，判断音乐氛围有多高。 然后根据判断出来的情况控制LED显示各种效果。2.2 彩灯控制模块为了保障音频处理的实时性，以及灯光效果的复杂性，我们专门 设置了单片机从机，用于控制灯光效果。系统一共使用了 2台单片机 从机来控制灯光效果，2台单片机分别用于控制氛围彩灯和节奏彩灯， 这 2台单片机均使用串口通信方式与主控芯片通信，为了提高实时性串口波特率为115200bps，通信方式为广播通信，通信指令帧仅为
6、一个字符。2.3 彩灯模块彩灯模块采用WS2812驱动芯片,WS2812是一款LED灯控制芯片， 每一个WS2812可以控制一个RGB全彩LED灯，WS2812可以进行串 联使用，并且只需要一根数据线即可控制。由于每个 LED 彩灯对应一 个 WS2812 芯片控制，因此每个 LED 灯都可以 点亮。通过主控芯片 控制，彩灯带可以显示多种变换效果，例如流水灯、渐变色、彩虹流 水等等。彩灯接口使用定制的 type-C 接口，不但可以用于供电，还可 以与 WS2812 进行通信。除了 type-C 接口外，还提供标准电源插座， 用于连接普通 LED 台灯或非定制彩灯灯带，主控芯片通过固态继电器 控
7、制插座通断，从而控制普通彩灯的亮灭。固态继电器响应速度快， 可以让普通 LED 灯带随音乐节奏闪烁。3 软件设计3.1 平均值滤波由于采集的音频频点信息比较密集，无法直观反映音频频点的特 点，为了保证采集速率，程序采用了一种简单的平均值滤波算法对频 点信号进行处理。该算法使用平均值滤波方法，多次采集数据，并对 采到的数据求平均值。算法先多次累加采集到的单次幅值，然后将幅 值之和除以采集次数，得到一段时间内的平均幅值。需要注意的是， 平均算法中，采集次数的多少会影响滤波算法的速率和精度，次数太 多会影响系统实时性，从而导致灯光跟节奏的同步效果，次数太少会 影响滤波精度，导致节奏判断失误。3.2
8、音乐节奏判断要把握音乐节奏，就要判断出音乐的低频鼓点信号。主控芯片会 抽取滤波后的低频幅值进行判断，当幅值超过我们设定的阈值时，主 控芯片会认为该信号为低频鼓点，此时，系统会控制节奏彩灯显示节 奏效果。除了音乐节奏，我们还需要呈现音乐氛围。音乐氛围主要根 据信号频谱的平均幅值来判断，当音乐频谱的平均幅值增大时，主控 芯片会认为此时音乐氛围提高了，系统会控制氛围彩灯逐渐点亮，烘 托音乐氛围。3.3 彩灯效果彩灯可以呈现两种音乐效果，分别为音乐氛围效果和音乐节奏效 果。系统可以同时驱动6 条灯带，其中3 条为节奏灯带，用于响应低 频节奏，另外3 条为氛围灯带，用于响应音乐氛围，每一条灯带最多 可包
9、含 100个 LED 灯珠。音乐氛围彩灯的效果具体表现为，当音乐氛 围变化后，整条灯带上的LED灯同时渐亮或渐暗，渐变过程持续一小 段时间。为了保障音乐氛围的效果，渐亮和渐暗后会保持一段时间， 不会急剧变化。音乐节奏彩灯有两种表现效果，分别是流水效果和呼 吸效果。流水效果的具体表现为，每次收到节奏命令后，彩灯在指定 的一端开始，有一个类似与流星效果的流水灯流向另一端末尾，最后 流出末端；呼吸效果的具体表现为，当节奏出现后，整条灯带上的 LED 灯同时快速渐亮，并保持一小段时间，然后同时快速渐暗直到熄 灭。4 结束语本文设计的音乐节奏彩灯控制系统，不仅操作方便、价格实惠， 而且节奏精确，音乐氛围
10、感强，非常适合舞厅、KTV、家庭聚会、小 型庆典、节日彩灯、圣诞彩灯等非专业场合，目前市场上还没有同类 产品出现，具有推广价值。参考文献：1陈兰，江朋友，闪静洁.基于单片机的多功能音乐频谱仪的设计与实现J科技视界，2018 (07)： 45-46.2李逸家基于51单片机的LED点阵音乐频谱显示器J.工业控制计算机， 2015(04)： 137-138+140.3吴继发，陈特放.单片机实现音频频谱显示的快速算法研究 J.电子设计工程， 2009(11)： 70-71.张京华.LED显示屏结构设计研究J.科技与创新，2018 (02)：27-28.廖建文,彭永杰，屈珣蓝牙音箱频谱屏的设计卩宜宾学院学报,2015（06）：45-47+65.张馨华.基于单片机的带频谱显示的迷你蓝牙音箱设计J.宁德师范学院学报（自然科学版），2019（01）：39-47.7王启明，郭宁峰，周艳艳.基于 STC8A4K60S2A12 单片机的音乐频谱仪的设计J电脑知识与技术，2019 （27）： 211-212.文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印
