題目： 單片機LED音樂頻譜的設計院（系）： 專業：學生姓名： 學號： 指導教師： 2011年07月07日該系統采用增強型8051單片機STC12C5A60S2為主控制器，通過單片機內置的ADC對音頻信號進行采樣、量化，然后通過快速傅里葉變換運算，在頻域計算出音頻信號各個頻率分量的功率，最后通過雙基色LED單元板進行顯示。該方案具有電路結構簡潔，開發、生產成本低的優點。關鍵詞：單片機；傅里葉；LED;TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument".引言 1\o"CurrentDocument".方案設計 21設計要求 22總體方案設計 33總體方案組成 6\o"CurrentDocument"3.系統電路設計 61單片機主控電路設計主控制器 62LED顯示模塊電路設計 7.軟件設計 8軟件設計流程圖 8\o"CurrentDocument".系統的測試 8\o"CurrentDocument".結論 9.參考文獻 11.附錄 14.引言本文介紹的音樂頻譜顯示器可對mp3、手機、計算機輸出的音樂信號進行實時的頻譜顯示。系統采用增強型8051單片機STC12C5A60S2為主控制芯片，通過單片機內置的ADC對音頻信號進行采樣，把連續信號離散化，然后通過快速傅里葉變換（FFT）運算，在頻域計算出音頻信號各個頻率分量的功率，最后通過雙基色LED單元板進行顯示。在顯示的頻率點不多的情況下，本系統比采用DSP或ARM作為主控制芯片的設計方案具有電路結構簡潔，開發、生產成本低的優點。.方案設計設計要求.單片機自帶AD轉換，這樣省去外圍AD電路。.控制LED隨著音樂跳動，需要理解傅里葉原理。總體方案設計經分析，將系統分為兩個部分，一個是由單片機組成的主控。另一部分是LED顯示部分，單片機對接收到的音頻進行處理經過傅里葉換算后在LED顯示，5V穩壓電源給各個部分供電。該系統實現的方法有很多種，下面將列出大家最經常用到的實現方案。系統框圖如圖1所示顯示電路音頻信號顯示電路音頻信號圖1音樂頻譜總體系統框圖該系統由音頻信號預處理電路、單片機STC12C5A60S2控制電路、LED頻譜顯示電路等部分組成。圖l為系統整體設計原理框圖。圖1系統整體設計原理框圖系統各組部分的功能：（1）音頻信號預處理電路主要對輸入的音頻進行電壓放大和電平提升。（2）單片機STC12C5A60S2控制電路采用內置的ADC對音頻信號進行采樣量化，然后對量化后的音頻數據采用FFT算法計算其頻譜值，再將各頻譜值進行32級量化。（3）LED頻譜顯示電路在單片機的控制下，負責將FFT計算得到的音頻信號的各個頻點的大小進行直觀顯示。.音頻信號預處理電路圖2音頻信號預處理電路音頻信號預處理電路見圖2所示，對輸入的音頻進行電壓放大和電平提升。手機、計算機輸出的音頻信號Vin經過RP1進行電壓調節后，經集成運放LMV358反相放大10倍（Av=-R3/R2=-10），提高系統的靈敏度。選用單電源供電的運放LMV358,一方面可以簡化系統電源電路的設計，直接采用系統的+5V供電即可;另一方面其輸出端靜態電壓為VCC/2,即2.5V。放大后的音頻信號和這2.5V疊加后變為直流電壓信號，滿足后面單片機內置的ADC對輸入電壓量程的要求。另外，LMV358為軌到軌輸出運放，它可在+5V單電源供電條件下仍具有較大的動態輸出范圍。.單片機STC12C5A60S2控制電路STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的新一代單時鐘/機器周期（1T）8051單片機，具有高速、低功耗及超強抗干擾等特點，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8-12倍;內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S）等資源［1］。特別是它帶硬件乘法/除法指令，使乘法指令執行時間從傳統8051的48個晶振周期減少到4個晶振周期，使需要大量乘法運算的FFT運算速度得到大幅度提高。在本系統中，STC12C5A60S2單片機負責完成對音頻信號進行A/D變換，然后采用FFT算法計算音頻信號頻譜，并將計算結果輸出到LED頻譜顯示電路。（1）音頻信號的A/D變換根據香農采樣定理，一般采樣頻率至少應為所采樣音頻信號最高頻率的2倍。由于人耳能夠感受的頻率為20Hz-20kHz，所以理論上采樣頻率最高取40kHz。本設計采用單片機STC12C5A60S2內置的ADC對音頻信號進行采樣、量化。STC12C5A60S2單片機的A/D轉換口在P1□（P1.0-P1.7），W8路10位的高速ADC，其輸入電壓量程為0-Vcc，轉換速度可通過ADC_CONTR特殊功能寄存器的SPEED1,SPEED0位進行控制，速度最快可設置為每90個時鐘周期轉換一次。在外接晶振為24MHz時，ADC的轉換速度可達到330KHZ，完全可滿足對音頻信號的采樣需要。（2）音頻信號頻譜值的計算我們采用快速傅里葉算法（FFT）來計算音頻信號的頻譜值。根據FFT運算規律，如ADC以fs的采樣頻率取N個采樣點，經過FFT運算之后，就可以得到N個點的復數序列。通常為了方便進行FFT運算，通常N取2的整數次方：N=2L（L為正整數）。這N個點的FFT結果，每一個點就對應著原始信號的一個頻率點，即第n點所表示的頻率為f=nxfs/N，n=0，1,…，（N-1）;該點的模值除以N/2就是對應該頻率下原始信號的幅度（對于第1個點則是除以N）;該點的相位即是對應該頻率下原始信號的相位。由于FFT結果的對稱性，通常只使用FFT運算后的前N/2個點的數值。本系統每隔10ms采樣一次128個點，經過FFT運算后將得到128個頻率點。由于FFT結果的對稱性，我們選取前64個點進行顯示。現在FFT算法已發展出多種形式，本系統采用按時間抽選（DIT）的基-2FFT算法，這種算法程序相對較簡單，節省存儲單元，運行效率較高，比較適合用單片機編程實現。DIT基-2FFT算法主要由倒位序運算和多級蝶形運算實現。a.倒位序運算的實現DIT基-2FFT算法通常將原始數據序列倒位序存儲，運算后的結果則按正常順序輸出。一般的數字信號處理的教材都介紹雷德（Rader）算法，通過“反向進位加法”將原始數據序列進行倒位序存儲［2］。雷德算法的靈活性較大，但在本系統中，參與運算的數據點數只有128個，通過預先編制倒位序查詢表，采用查表方式實現倒位序操作速度會更快。b.蝶形運算的實現根據DIT基-2FFT算法原理，N點FFT運算由log2N級，每級N/2個蝶形運算，共（^2）log2N個蝶形運算構成。每個蝶形運算結構見圖3所示［2］。,丫’（k） \ （k）k+b）￥ ~（k+b）-1圖3蝶形運算圖3按時間抽選蝶形運算結構蝶形運算結構圖中，m表示第m級的蝶形運算，k為蝶形運算第一節點所在行數，b為蝶形運算兩節點距離，b=2m-1，WNr為旋轉因子，WNr=cos（2nr/N）-jsin（2nr/N）。每個蝶形結構完成下述基本迭代運算［2］：式中，卬,cos（2”/N）-/sin（2fP/N）o設Xm=Rm+jIm，將式（1）轉變為實部和虛部的表示形式，得到：由上面式（1）、式（2）可見，一個蝶形運算需要一次復數乘法Xm-1（k+b）WNr及兩次復數加（減）法。在單片機系統中編程實現時，需把復數運算轉變為實數運算。心依）=1『（@+*盟人6龍0虱21Tm信乩）虱鼠2萬肉”3）兒（幻=為,（幻一X/5+b）sin（27rPTV）+*（表+/j）cos（2tt%V）（4）同理，將式（2）轉變為：Xd)=XJ(左)4,保雨V)-茶為無拙由n(2ir/WV)(5)X《k鉆HX；(k)+茶；/+b)sin(2irBW)-X：(*+6)cqs(21r附V)(6)將sin、cos函數做成表格sin_tab[128]、cos_tab[128],直接查表可提高運算速度。3.頻譜值的顯示系統中采用5*11個不同顏色的草帽LED進行顯示，每列顯示音頻信號的一個頻率點，每列LED點亮的高度表示該頻率點幅度的大小。整個顯示板一共有5列U，工作的時候，可以看到每列根據頻率幅度的大小在跳動。2.3整體系統組成本系統硬件部分由單片機主控電路、LED顯示部分、音頻采集等部分組成，其中單片機主控電路有外接晶振，電源供電電路阻等部分組成。軟件部分詳細見下文。單片機全系統如下圖2所示。3.系統電路設計單片機主控電路設計單片機主控模塊包括了振落電路、音頻采集電路，同時接入了各個模塊的接口，保證了整個系統的靈活性。單片機是整個系統的控制中樞，它指揮外圍器件協調工作，從而完成特定的功能。硬件實現上采用模塊化設計，每一模塊只實現一個特定功能，最后再將各個模塊搭接在一起。這種設計方法可以降低系統設計的復雜性。控制電路的核心器件是由美國Atmel公司生產的AT89S52單片機，屬于MCS-51系列。AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器，采用的工藝是Atmel公司的高密度非易失存儲器技術；片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器；在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案；價格低廉、性能可靠、抗干擾能力強。因此廣泛應用于工業控制和嵌入式系統中。單片機主控電路原理圖如下所示：￡7UpfUI￡7UpfUIri.oI-iPLn1? ￥L.L-PO.OnntJ耶4ri_z. 1:iF.lnj j'^,2PI4 PO.JPL5 P0.4PI6 Prt.5PL7 PQ.GR^T FVJRXD.TIO _EA1XD/P3.1ALEFROGN 2 PSHX]NII/PS3 P2J1X1314 72t612P15 曾.5WRZP3.fi P2.4尺EP，7 P2.3XTAL2 P2.2XTAll P2JVSS P2.037手斯63$千34E31Q3?R3]031135I1130P3.2J229P3.313NXRI5—IKP2.7P3.114nRI4—IKl'2.6P31IXR7152ftkl<—=JlKP2.5P?1625KL2P2.4!J.1K—Kt，，..—IK咫K517：MK|.1gJJ*— Jk.]&2JRLUP2.2—―JK]*>R9—'jK120,21K*—IKP2.0■SlCl2C5A(hOS2Cl2Tpf——24MEIZTY]圖4.1單片機主控電路原理圖3.23.2LED顯示模塊電路設計pr7_K|__收了Pl7/Jm.7 ?P：7 |□l尸產D123產D2S20&4U45Pi.6_KIPI6■網6-叫h-P3恁-FlJF,02DBDM尸尸D35尸尸D46尸尸P3.SblE■呼5■F5|■FlJF,VVJP2.7_k|DI.4P27尸再]D25尸尸4D36甩，1八K4P2. 1J1K31DI5尸產Flo她尸尸□r?JD4S產尸P2S6aRlfi卜P2?fikl十P2,r.P2.6FlFlP2.5kl__016F尸產,iD271*2.5尸尸kl_■尸尸，04g”3|尸尸Fl況；"尸D17尸產D28Fl尸尸—rD39尸尸iD5Q尸尸■P2.4-聞P24?t吐4w4也4；1P!PIP2JDT尸J□18P2JJX?029P3J1J__ fP2.D4031工工D51P2J|0Wmn□41D52P2.2P2..2尸E?吆2尸尸吐2尸尸值21尸尸D201n■1D3M24n4P2.13尸iIP21IJ?iP2.I.P2.1kL_P2.I|KJkL_彳□21I)2D43D54P2.0了.為qb匕UJ尸產|iP2JIJJ■IP2J.I?J也U|尸尸PI□ii:二D221 D3H$「！[M4飛1n寸rnrrEJ4.軟件設計4.1軟件設計流程圖FFT倒序流程圖（一…一麗送入上gcrM=J(kHK.W)*f/FFT計算流程圖.系統測試制作的過程中首先遇到的問題是LED如何組裝，經過查閱資料發現，可以利用LED的管腳互相按照電路圖連接起來，這個時候主要是利用萬用表來測試，LED燈到底有無壞掉的。通電后，在無音頻輸入時，LED應該無閃爍跳動現象。在制作完成的時候，發現LED燈閃爍，這個時候，在音頻輸入端接入了47P的電容，這樣就解決了這個問題。.結論本系統采用增強型8051單片機STC12C5A60S2實現音樂頻譜顯示，該方案硬件電路設計簡單、成本低，并具有較高的實用價值。本方案是通過ADC采樣輸入的音頻信號，ADC采樣完成以后，將數據進行倒序排列并進行FFT運算，結果通過TFT液晶顯示出來。由于采用的處理器的處理能力的原因，不能做到很高的采樣頻率和很精細的頻率分辨率，要提高系統的頻率分辨率，就需要增加采樣點數。可以借助PC的強大處理能力，將采樣的數據通過預留的串口傳送給PC，在PC上完成FFT運算以及顯示，這就是虛擬儀器的方式，實際工作中應用前景也非常大。10感謝老師對我們的指導。完成了這個實訓任務，雖然結果差強人意，但是還是有進步的，有收獲的。希望以后在學習生活中能繼續好好學習。11.參考文獻［1］宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊卬］.2010.［2］程佩青.數字信號處理教程（第二版）［M］.北京：清華大學出版社，2001.［3］靳桅，等.基于51系列單片機的LED顯示屏開關技術（第2版）［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.作者簡介：吳永德（1980—），男，講師，從事電子技術專業教學及研究。羅萍（1979—），女，講師，從事計算機技術專業教學及研究。12

附錄：電路圖:程序：#include<stc12c5a60s2.h>〃"stc12c5620ad.h"#include<intrins.h>#defineLongToBin(n)(((n>>21)&0x80)|((n>>18)&0x40)|((n>>15)&0x20)|((n>>12)&0x10)|((n>>9)&0x08)|((n>>6)&0x04)|((n>>3)&0x02)|((n)&0x01))#defineBIN(n)LongToBin(0x##n##)#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintdefineSAMPLE_NUM64defineNUM_2_LOG6defineFFT_OUT_MIN3ucharcodeBRTable[SAMPLE_NUM]={0,32,16,48,8,40,24,56,4,36,20,52,12,44,28,60,2,34,18,50,10,42,26,58,6,38,22,54,14,46,30,62,1,33,17,49,9,41,25,57,5,37,21,53,13,45,29,61,3,35,19,51,11,43,27,59,7,39,23,55,15,47,31,63);charcodesin_tabb[SAMPLE_NUM]={0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126,127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,-12,-25,-37,-49,-60,-71,-81,-90,-98,-106,-112,-117,-122,-125,-126,-127,-126,-125,-122,-117,-112,-106,-98,-90,-81,-71,-60,-49,-37,-25,-12);charcodecos_tabb[SAMPLE_NUM]={127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,-12,-25,-37,-49,-60,-71,-81,-90,-98,-106,-112,-117,-122,-125,-126,-127,-126,-125,-122,-117,-112,-106,-98,-90,-81,-71,-60,-49,-37,-25,-1132,0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126);uchara[21];ucharkeep,keepnum,anum,timernum,timernum2,lednum3,Ltime;//用于分離/*加入數組用于顯示相應led燈數目*/ucharlednum□二{0x00,0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff};//0-7的顯示數組P2組控制intxdataFftReal[SAMPLE_NUM];intxdataFftImage[SAMPLE_NUM];sbitp30=P3八0;sbitp31=P31;sbitp32=P3”；sbitp33=P3八3;sbitp34=P3N;sbitp35=P3八5;//9-11的led控制sbitp36=P3^6;sbitp37=P3";voidtimerinit()//定時器初始化函數{TMOD=0x01;TH0=(65536-6000)/256;TL0=(65536-6000)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;)voiddisp(){timernum++;if(timernum==6)timernum=1;P2=0;//顯示前先關閉P3=P3&0x1f;switch(timernum){case1:anum=a[0];p34=0;p33=1;p32=1;p31=1;p30=1;break;case2:anum=a[1];p34=1;p33=0;p32=1;p31=1;p30=1;break;case3:anum=a[2];p34=1;p33=1;p32=0;p31=1;p30=1;break;case4:anum=a[3];p34=1;p33=1;p32=1;p31=0;p30=1;break;case5:anum=a[4];p34=1;p33=1;p32=1;p31=1;p30=0;break;)//anum=a[10];/*修改可以改變光柱高度(anum值分開幾個部分用定時器區分顯示)(a口內逐加)*/if(anum<=8){P2=lednum[anum];P3=P3&0xff;}//屏蔽高三位1f14//else{P2=0xff;P3=lednum2[anum-9];}if(anum==9){P2=0xff;p35=1;p36=0;p37=0;}if(anum=10){P2=0xff;p35=1;p36=1;p37=0;}if(anum==11){P2=0xff;p35=1;p36=1;p37=1;})ucharSTC_ADC() //！！根據數據手冊寫一個ad讀取函數{uchari;ADC_RES=0;ADC_RESL=0;ADC_CONTR=BIN(10001000);i=3;while(i--);while(1){if(ADC_CONTR&BIN(10000)){break;))ADC_CONTR=BIN(10000000);return(ADC_RESL<<2);)shortsqrt_16(unsignedlongM){unsignedintN,i;unsignedlongtmp,ttp;if(M==0)return0;N=0;tmp=(M>>30);M<<=2;if(tmp>1){N++;tmp-二N;)for(i=15;i>0;i--){15N<<=1;tmp<<=2;tmp+=(M>>30);ttp=N;ttp=(ttp<<1)+1;M<<=2;if(tmp>=ttp)(tmp-=ttp;N++;))returnN;)voidFFT()(registeruchari,bb,j,k,p,max;registershortTR,TI,temp;unsignedlongulReal;unsignedlongulImage;for(i=0;i<SAMPLE_NUM;i++) 〃此處可以加入自動增益(FftReal[BRTable[i]]=STC_ADC()<<keep;〃使顯示保持在一定范圍內FftImage[i]=0;)keepnum=FftReal[2]/32;〃提取等級數if((7<keepnum)&&(keepnum<=8)){keep=1;}elseif((4<keepnum)&&(keepnum<=6)){keep=2;}elseif((2<keepnum)&&(keepnum<=4)){keep=3;}else{keep=5;}for(i=1;i<=NUM_2_LOG;i++){bb=1;bb<<=(i-1);for(j=0;j<=bb-1;j++)16p=1;p<<=(NUM_2_LOG-i);p=P*j；for(k=j;k<SAMPLE_NUM;k=k+2*bb){TR=FftReal[k];TI=FftImage[k];temp=FftReal[k+bb];FftReal[k]=FftReal[k]+((FftReal[k