电脑硬件知识 点击： 2019-10-02
摘 要：本文设计一款基于单片机的音乐彩灯控制器，该控制器能使彩灯的闪烁节奏随着音乐信号的变化而变化。文中详细论述了音乐彩灯控制器的硬件原理电路，包括振荡、时钟、复位等模块电路，以及如何在硬件电路的基础上通过单片机进行软件编程最终实现音乐与彩灯的同步控制。
关键词：音乐彩灯；同步控制；信号采集
在现代生活中，很多场合都能看到彩灯的身影，用彩灯来装饰街道和城市广告牌已经成为了一种时尚。随着科学技术的不断发展，LED彩灯控制系统由以前的靠硬件电路设计逐渐转变成以单片机为核心的软硬件电路设计，利用程序实现彩灯的花样显示。因此，一款电路结构简单、能实现按照不同模式闪亮，在不同场合、不同时段能按需要调节闪烁时间、模式、频率等动态参数的多功能音乐彩灯控制器，越来越具有较高的实际意义和应用价值。
一、音乐彩灯控制器的原理分析
音乐彩灯控制器是将音乐这种可听信号转化为彩灯闪烁的可视信号的一种装置，能为人们提供不同的视听效果。本文所设计的控制器是将音乐信号经过FFT（Fast Fourier Transformation，即快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法）计算后产生n（led阵列灯数）个数据，然后将每一个数据发送到led阵列中相应的点上，从而实现音乐与彩灯的同步控制。
二、系统构成
本系统是一个基于单片机控制的音乐彩灯控制器，以实现将电脑、手机等音乐播放装置所播放的声音同步转化成在led阵列板上闪烁的音乐喷泉。它的主要特点是重力自动换向、7种经典模式可调、20级亮度可调、掉电记忆。当单片机接收到音乐信号后，经过FFT算法计算出所采集到的音乐信号所对应的数值，然后将每个数值发送到每列的每个点上，从而实现将不同频率的音乐信号以不同的形式在led阵列板上显示出来，以达到音乐与彩灯的同步控制。
1.总体框图
本设计是以STC12C5A60S2为主控芯片，将运算控制程序写入单片机后实现彩灯与音乐的同步控制，整个系统由程序控制工作。用户根据需求用按键调节亮度及工作模式，不需要改变硬件电路。总体框图如图1所示：
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图1 系统总体框图
2.控制器外围电路
控制器外围电路除了具有单片机应有的时钟、复位电路最小系统外，还有重力感应、通信串口和控制按键电路等。重力感应装置采用水银――金属式水银开关。水银开关作为重力感应装置具有体积小、价格低、工作稳定性强，可在恶劣条件下使用等特点。控制按键采用普通双脚按键。
3.控制器
控制器是本系统的核心，采用STC12C5A60S2高性价比的单片机。该单片机为单时钟/机器周期的单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰、低价等诸多优点的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成的MAX810专用复位电路，可以使复位电路更加简单，复位脚可直接1K的电阻到地，同时自带60K FLASH ROM，使单片机的运算速度和写入擦写速度更快一步。
4.Led阵列
Led阵列大小由192个高亮红、绿、蓝led彩灯按16*12分布组成。每一列的led颜色相同。阵列的每一列、每一排分别与单片机相应的I/O口相连进行通信。Led阵列可直接由单片机供电。同时，列与列、排与排之间的间距应该严格地掌握好，从而展示出更好的视觉效果。
三、控制算法
本控制器的基本程序算法是FFT，将音乐信号经过FFT算法运算之后生成n位数据，从而将音乐分频，使音乐信号可以在led阵列的不同频段显示出来。下面对FFT算法进行简单的介绍。
FFT（Fast Fourier Transformation），即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。FFT算法可以将一个信号变换到频域。另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。这就是该系统将音乐信号采用FFT变换的原因。同时FFT运算结果的点数与采样的点数相同，所以当设定好led阵列的大小时也就确定了FFT运算结果的点数，从而知道FFT运算的采样点数。该算法可以很好地将音乐信号与输出信号同步处理，从而实现音乐与彩灯的同步控制。
FFT算法可以快速的将采样的音乐信号运算得出结果，很好地满足采样与输出的同步要求。但同时该算法对单片机的性能要求较为高，原始的8051单片机很难满足该算法的需求。本文所设计的系统采用STC12C5A60S2单片机可以很好地运行该算法，因此本系统可以完美地将音乐信号与彩灯的闪烁进行同步处理，显示随着音乐的节奏进行跳跃的优美音乐喷泉。
参考文献：
[1]（美）舍茨.实用电子元器件与电路基础[M].北京：电子工业出 版社，2009.
[2]杨光友.单片机微型计算机原理及接口技术[M].北京：中国水利水电出版社，2002.