单片机好创意：音乐频谱显示屏

我们经在音响等产品上看到随着音乐跳动的柱状显示器，或用LED，或用显示屏。那就是音乐频谱，听着音乐的时候，内心跟随着音乐频谱的律动，整个人都嗨了起来。

音乐频谱

其实这个实现的原理并不复杂，需要将输入的音频信号采样，进行AD转换，然后再滤波和，最后进行快速傅里叶变换（FFT）得到音频信号在不同频域的分量，在显示器中使用一个柱状的长度显示每个分量大小。这个过程需要使用单片机进行处理。

使用单片机实现的频谱显示屏

这里使用LED作为音频显示屏，首先需要将所有的LED焊接起来。每个LED列显示的就是音乐的各个频率分量，LED点阵的水平轴代表各个频率，竖直轴代表强度。从下面的图中可以看出，该点阵大小为16*30（本来要做16*32，限于万用板大小只能容下30列）。每两列为一组，共15组，由于是阴极接在一起，姑且称之为共阴极组；同理，每一行的阳极接在一起，称为共阳极组，共16组。

LED阵列

在LED阵列下面增加了一个七彩LED显示环，也是能够根据音乐变换不同色彩的。增加了显示屏的动感，使得作品根据杀马特风格。

成品效果图

单片机用的是STC12C56AD，用到通用IO功能和AD功能，设计的基本控制思路是：扫描。控制电路采用了4个74HC573锁存器，2个达林顿管阵列ULN2003。通过单片机控制573和2003实现显示器的行选和列选，实现指定LED灯显示。每一时刻只让一个共阴极组接地，其它接高电平，从左至右依次选通每个共阴极组。每次选中共阴极组后，需要对其阳极写入数据，由于有16行，需要写入两个字节。假如以上方为高字节，我想让选中的共阴极组下面的8行灯亮，则应往阳极段写入的两个字节为：0x00，0xff。

用了一个声音模块采集声音，采集模块的输出端接在单片机的AD转换端口上。程序的循环中，先进行32次AD采样，得到32（必须是2的n次方）个采样值，做快速傅里叶变换，得到32个频率的强度，由于是前后对称的，只取其前15个频率的强度，经过幅值调整（调为0~16），在15个共阴极组上依次显示出来。

电路原理图

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单片机实例分享，打造音乐频谱时钟

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电路原理

下面我们按各功能模块逐一给大家介绍一下这个制作的电路原理吧。

图25.1 时钟显示效果

图25.2 频谱显示效果

1.电源部分

电源电路如图25.3所示。

图25.3 电源部分的电路

电源模块采用了一支很常见的7805稳压芯片，再加一大一小两个电容进行滤波，输入端直接买了个9V/1A的电源适配器，方便省事。7805额定输出电流1A，对于这样的小系统来说，已经完全够用了。实际使用下来，7805发热不太大，无需加装散热片。为了使用方便，我在7805的输入端加装了一个开关和一个红色LED，分别作为系统电源开关和指示灯。

2.时钟、温度部分

这部分电路如图25.4所示。单片机采用的是STC89C52RC，考虑到成本和功能性问题，时钟部分我没有单独买时钟芯片，直接使用内部定时器中断作为时钟源，这直接导致的结果就是时钟误差稍大。经测试，每24小时误差在1分钟左右，作为一个功能性的DIY作品，就饶了它吧，呵呵……温度传感器采用的也是常用的DS18B20，相信大家都很熟悉。3个功能按键分别是时钟(闹铃)小时调整、时钟(闹铃)分钟调整和时钟/闹铃切换。

图25.4 时钟、温度部分的电路

为了跟“频谱”切题，时钟、温度的显示没有采用传统的数字表示，而是分别把时钟的小时、分钟的十位和个位分别用点来表示，每两列表示一位，每行表示一点，左下角是时钟，右上角是温度。是不是有点晕乎呢?其实只要你看了实物就会觉得很简单，文字的确不是很好表达。时钟没有单独设置“秒”的显示，为了增强显示效果，我特地在右下角设置了沙漏下落效果，每一秒钟下落一行。

3.频谱分析部分

电路如图25.5所示。这部分的制作跟“五色LED频谱”是一样的原理，都是把音频信号经AD采样，用快速傅里叶变换求出频点的幅值，再根据幅值大小来驱动相应的LED。只不过我设计的是每次采128个点，最后十六分频而已。单片机采用的是STC12C5A60S2，已经在信号输入端加了47pF的电容滤波，但还是发现有噪声。可能是因为使用的是洞洞板，还有就是走线过长的缘故。我试着加大了电容再次滤波，但直接导致低频响应变差，鉴于噪声不是很严重，最后只好作罢，将就一下了。

图25.5 频谱分析部分的电路

4.WAV 音乐播放部分

电路如图25.6所示。这部分应该是整个系统里面最复杂的了，WAV音乐播放部分是在数码之家论坛hit00版主的“WAV播放器”的基础上修改而来的。单片机选用的是STC12C5616AD，虽然该单片机自带有SPI接口，在一定程度上已经简化了程序，但SD卡文件的操作确实有难度。原来的程序里带有语音，受到单片机存储空间的限制，语音质量太差，没有“暂停”及”上一曲”功能。我去掉了语音，增加了暂停及上一曲功能。其中暂停功能的实现花了我不少时间，本来想当暂停的时候就让单片机进入死循环，开始的时候再跳出来，结果试了以后发现完全不是那么回事。单片机PWM信号的输出本来就用的中断，单片机进不进入死循环，中断还是一样的工作。要不就让它在暂停的时候掉电或是待机什么的呢?好吧，查STC12C5616AD的手册。一看手册我笑了，PCON电源控制寄存器不正是我想找的吗，单片机进入掉电模式，单片机状态维持当前值，呵呵……问题解决。功放部分采用了LM386功放芯片，直接引用了网上LM386的典型应用电路。

图25.6 WAV音乐播放部分的电路

5.显示部分

电路如图25.7所示。为了能有好的显示效果，显示部分用的是32×16的高亮度聚光蓝色LED组成的点阵屏，1kΩ电阻限流。全过程手工焊接，可能我焊得慢，整整焊了一晚上。焊接状态与电路细节如图25.8、图25.9所示。

图25.7 显示部分的电路

由于时钟部分跟频谱分析部分共用点阵屏，所以必须考虑两路信号的隔离分时显示。还有就是32列LED的列驱动问题。信号的隔离分时显示我用的是74HC573锁存器，通过控制OE端口将需要显示的信号线路的74HC573选通，而将另外一组信号通过74HC573的高阻态实现隔离。LED的列驱动选用的是74HC154(4线—16线译码器)，只需一组I/O口就可实现32列LED的列驱动了。

到此，整个系统的介绍就完了，在这里特别感谢数码之家论坛的hit00版主在制作过程中给予的大力帮助。图25.10就是这个实物作品的全家福。

为了尽量减少干扰和连线，整个板子电源全是用焊锡走的线。信号线采用杜邦线和插针连接，方便调试。

虽然制作时觉得挺累，但当看到自己做的东西“跑”起来那一刻，就什么都值了，我相信每一个DIY爱好者都会有这种感觉吧，也许这就是DIY的乐趣。相关源程序可到qq群657864614进行下载。