基于單片機(jī)的音樂(lè)節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

匡暢

摘 ?要：針對(duì)目前市面上音樂(lè)節(jié)奏彩燈成本高、需要提前編程、效果單一等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于頻譜分析的音樂(lè)節(jié)奏燈光系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，配合MSGEQ7芯片、WS2812彩燈模塊、固態(tài)繼電器模塊，藍(lán)牙音頻模塊等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶播放的音樂(lè)進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)頻譜特征判斷音樂(lè)的鼓點(diǎn)節(jié)奏和音樂(lè)氛圍，并控制彩燈隨著音樂(lè)節(jié)奏進(jìn)行不同效果的變化。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)需編程、即插即用、效果豐富、識(shí)別精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);MSGEQ7;WS2812

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0092-02

Abstract： In view of the shortcomings of music rhythm lights in the market， such as high cost， need to be programmed in advance， and single effect， a music rhythm lighting system based on spectrum analysis is designed. The system takes single-chip microcomputer as the control core， and cooperates with MSGEQ7 chip， WS2812 color lamp module， solid-state relay module， Bluetooth audio module and so on. It can analyze the frequency spectrum of the music played by users， judge the drumbeat rhythm and music atmosphere of music according to the spectrum characteristics， and control the color lights to change with the music rhythm in different effects. The system has the characteristics of simple operation， no programming， plug and play， rich effect， accurate recognition and so on.

Keywords： single chip microcomputer; MSGEQ7; WS2812

引言

彩燈控制主要用在聚會(huì)、KTV、酒吧、慶典、廣告牌、園林噴漆裝飾以及舞臺(tái)演出等場(chǎng)合，是一種為環(huán)境提供不同變化效果的燈光控制設(shè)備。但是專業(yè)彩燈不僅價(jià)格昂貴，而且操作復(fù)雜，需要提前編程，不適合普通用戶使用。而普通的效果燈，只有燈光閃爍，沒(méi)有節(jié)奏跟隨，效果單一。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的音樂(lè)節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單方便，無(wú)需提前編程，即插即用，彩燈效果實(shí)時(shí)跟隨音樂(lè)節(jié)奏變化，且彩燈效果豐富，代入感強(qiáng)，音樂(lè)氛圍好，適用于各種非專業(yè)化場(chǎng)合，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)價(jià)值。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框架

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的音樂(lè)節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)主要由藍(lán)牙音頻模塊、MSGEQ7芯片、單片機(jī)主機(jī)、單片機(jī)從機(jī)、固態(tài)繼電器、WS2812芯片以及LED燈帶構(gòu)成。其中，藍(lán)牙音頻模塊主要用于接收音樂(lè)信號(hào)，MSGEQ7芯片用于解析音樂(lè)頻譜，單片機(jī)主機(jī)根據(jù)解析的頻譜信號(hào)分析音樂(lè)節(jié)奏，單片機(jī)從機(jī)用于控制WS2812芯片和固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)，從而控制LED燈帶顯示不同燈光效果。

1.2 外觀設(shè)計(jì)

系統(tǒng)產(chǎn)品外觀呈長(zhǎng)方體型，如圖2所示，背部設(shè)有插座，用于給LED燈帶供電，其中三插電源用于給普通LED燈帶供電，type-C接口用于給WS2812彩色燈帶供電和通信，插座下方的三個(gè)接口分別是AUX IN、AUX OUT和電源接口。產(chǎn)品頂部有一個(gè)開(kāi)關(guān)按鈕，用于開(kāi)關(guān)系統(tǒng)電源。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 音頻采集、處理和分析模塊

音頻采集、處理和分析模塊分別為藍(lán)牙音頻模塊、MSGEQ7芯片以及單片機(jī)主機(jī)。

藍(lán)牙音頻模塊用于實(shí)現(xiàn)音頻采集功能。藍(lán)牙音頻模塊采用杰理藍(lán)牙解碼芯片，內(nèi)置無(wú)損功放模塊，能夠左右聲道輸出，提供AUX輸入輸出音頻接口，支持藍(lán)牙5.0協(xié)議，穩(wěn)定連接范圍為5米，能夠通過(guò)多種方式采集音頻信號(hào)，放大并輸出到下一級(jí)。

MSGEQ7芯片用于對(duì)采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行處理。MSGEQ7是一款音頻頻譜采集芯片，通過(guò)輸入音頻信號(hào)，芯片可以輸出該音頻信號(hào)頻譜中的7個(gè)幅值，頻率分別為63Hz、160Hz、400Hz、1kHz、2.5kHz、6.25kHz和16kHz，這7個(gè)固定頻率幅值分別表征了音樂(lè)信號(hào)的中低高頻特點(diǎn)，MSGEQ7芯片將頻譜幅值信息發(fā)送給單片機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理。

單片機(jī)主機(jī)用于對(duì)頻譜幅值進(jìn)行分析。單片機(jī)主機(jī)收到7個(gè)頻點(diǎn)幅值后會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷音樂(lè)是否有鼓點(diǎn)節(jié)奏，判斷音樂(lè)氛圍有多高。然后根據(jù)判斷出來(lái)的情況控制LED顯示各種效果。

2.2 彩燈控制模塊

為了保障音頻處理的實(shí)時(shí)性，以及燈光效果的復(fù)雜性，我們專門(mén)設(shè)置了單片機(jī)從機(jī)，用于控制燈光效果。

系統(tǒng)一共使用了2臺(tái)單片機(jī)從機(jī)來(lái)控制燈光效果，2臺(tái)單片機(jī)分別用于控制氛圍彩燈和節(jié)奏彩燈，這2臺(tái)單片機(jī)均使用串口通信方式與主控芯片通信，為了提高實(shí)時(shí)性，串口波特率為115200bps，通信方式為廣播通信，通信指令幀僅為一個(gè)字符。

2.3 彩燈模塊

彩燈模塊采用WS2812驅(qū)動(dòng)芯片，WS2812是一款LED燈控制芯片，每一個(gè)WS2812可以控制一個(gè)RGB全彩LED燈，WS2812可以進(jìn)行串聯(lián)使用，并且只需要一根數(shù)據(jù)線即可控制。由于每個(gè)LED彩燈對(duì)應(yīng)一個(gè)WS2812芯片控制，因此每個(gè)LED燈都可以獨(dú)立點(diǎn)亮。通過(guò)主控芯片控制，彩燈帶可以顯示多種變換效果，例如流水燈、漸變色、彩虹流水等等。

彩燈接口使用定制的type-C接口，不但可以用于供電，還可以與WS2812進(jìn)行通信。除了type-C接口外，還提供標(biāo)準(zhǔn)電源插座，用于連接普通LED臺(tái)燈或非定制彩燈燈帶，主控芯片通過(guò)固態(tài)繼電器控制插座通斷，從而控制普通彩燈的亮滅。固態(tài)繼電器響應(yīng)速度快，可以讓普通LED燈帶隨音樂(lè)節(jié)奏閃爍。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 平均值濾波

由于采集的音頻頻點(diǎn)信息比較密集，無(wú)法直觀反映音頻頻點(diǎn)的特點(diǎn)，為了保證采集速率，程序采用了一種簡(jiǎn)單的平均值濾波算法對(duì)頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行處理。該算法使用平均值濾波方法，多次采集數(shù)據(jù)，并對(duì)采到的數(shù)據(jù)求平均值。算法先多次累加采集到的單次幅值，然后將幅值之和除以采集次數(shù)，得到一段時(shí)間內(nèi)的平均幅值。

需要注意的是，平均算法中，采集次數(shù)的多少會(huì)影響濾波算法的速率和精度，次數(shù)太多會(huì)影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，從而導(dǎo)致燈光跟節(jié)奏的同步效果，次數(shù)太少會(huì)影響濾波精度，導(dǎo)致節(jié)奏判斷失誤。

3.2 音樂(lè)節(jié)奏判斷

要把握音樂(lè)節(jié)奏，就要判斷出音樂(lè)的低頻鼓點(diǎn)信號(hào)。主控芯片會(huì)抽取濾波后的低頻幅值進(jìn)行判斷，當(dāng)幅值超過(guò)我們?cè)O(shè)定的閾值時(shí)，主控芯片會(huì)認(rèn)為該信號(hào)為低頻鼓點(diǎn)，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制節(jié)奏彩燈顯示節(jié)奏效果。

除了音樂(lè)節(jié)奏，我們還需要呈現(xiàn)音樂(lè)氛圍。音樂(lè)氛圍主要根據(jù)信號(hào)頻譜的平均幅值來(lái)判斷，當(dāng)音樂(lè)頻譜的平均幅值增大時(shí)，主控芯片會(huì)認(rèn)為此時(shí)音樂(lè)氛圍提高了，系統(tǒng)會(huì)控制氛圍彩燈逐漸點(diǎn)亮，烘托音樂(lè)氛圍。

3.3 彩燈效果

彩燈可以呈現(xiàn)兩種音樂(lè)效果，分別為音樂(lè)氛圍效果和音樂(lè)節(jié)奏效果。系統(tǒng)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)6條燈帶，其中3條為節(jié)奏燈帶，用于響應(yīng)低頻節(jié)奏，另外3條為氛圍燈帶，用于響應(yīng)音樂(lè)氛圍，每一條燈帶最多可包含100個(gè)LED燈珠。

音樂(lè)氛圍彩燈的效果具體表現(xiàn)為，當(dāng)音樂(lè)氛圍變化后，整條燈帶上的LED燈同時(shí)漸亮或漸暗，漸變過(guò)程持續(xù)一小段時(shí)間。為了保障音樂(lè)氛圍的效果，漸亮和漸暗后會(huì)保持一段時(shí)間，不會(huì)急劇變化。

音樂(lè)節(jié)奏彩燈有兩種表現(xiàn)效果，分別是流水效果和呼吸效果。流水效果的具體表現(xiàn)為，每次收到節(jié)奏命令后，彩燈在指定的一端開(kāi)始，有一個(gè)類似與流星效果的流水燈流向另一端末尾，最后流出末端;呼吸效果的具體表現(xiàn)為，當(dāng)節(jié)奏出現(xiàn)后，整條燈帶上的LED燈同時(shí)快速漸亮，并保持一小段時(shí)間，然后同時(shí)快速漸暗直到熄滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的音樂(lè)節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)，不僅操作方便、價(jià)格實(shí)惠，而且節(jié)奏精確，音樂(lè)氛圍感強(qiáng)，非常適合舞廳、KTV、家庭聚會(huì)、小型慶典、節(jié)日彩燈、圣誕彩燈等非專業(yè)場(chǎng)合，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有同類產(chǎn)品出現(xiàn)，具有推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳蘭，江朋友，閃靜潔.基于單片機(jī)的多功能音樂(lè)頻譜儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技視界，2018（07）：45-46.

[2]李逸家.基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣音樂(lè)頻譜顯示器[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2015（04）：137-138+140.

[3]吳繼發(fā)，陳特放.單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音頻頻譜顯示的快速算法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009（11）：70-71.

[4]張京華.LED顯示屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].科技與創(chuàng)新，2018（02）：27-28.

[5]廖建文，彭永杰，屈珣.藍(lán)牙音箱頻譜屏的設(shè)計(jì)[J].宜賓學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（06）：45-47+65.

[6]張馨華.基于單片機(jī)的帶頻譜顯示的迷你藍(lán)牙音箱設(shè)計(jì)[J].寧德師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（01）：39-47.

[7]王啟明，郭寧峰，周艷艷.基于STC8A4K60S2A12單片機(jī)的音樂(lè)頻譜儀的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019（27）：211-212.