【系统设计论文】单片机下的音乐节奏彩灯控制系统设计

【系统设计论文】单片机下的音乐节奏彩灯控制系统设计摘要：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、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芯片用于对采集到的音频信号进行处理。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行处理。单片机主机用于对频谱幅值进行分析。单片机主机收到7个频点幅值后会对这些数据进行分析，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灯都可以独立点亮。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）：70-71.4张京华.LED显示屏结构设计研究J.科技与创新，2018（02）：27-28.5廖建文，彭永杰，屈珣.蓝牙音箱频谱屏的设计J.宜宾学院学报，2015（06）：45-47+65.6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.