基于Arduino 的音樂播放器設計

王瑜

（西安航空學院機械工程學院，陜西西安 710077）

在生產、生活中需要播放音樂的場合很多，如工廠、圖書館、商場、學校、公園、電子導游、停車場、醫療設備等。隨著科技和互聯網的快速發展，電子產品隨處可見，給人們的生活帶來了便利。聽音樂可以提升創造力、舒緩壓力、解除疲勞、幫助睡眠，傳統的多功能音樂播放器面向高端市場，難以普及到大眾，而在我國中低端市場才是消費主力軍[1]。該文設計了一款基于Arduino UNO 和ESP8266 開發板并結合BY8001 語音模塊的音樂播放器。

Arduino UNO 的大腦是ATmega 328P，Arduino UNO 開發板有14 個數字I/O 引腳和6 個模擬輸入引腳，一個16 MHz 的晶振，一個USB 接口，一個DC 接口等，硬件資源豐富，使用電池可以驅動，使用方便、成本低?？梢酝ㄟ^Arduino IDE 進行編程，并下載到Arduino UNO 開發板中，不需要外接編程器。音樂播放器所有的硬件設備均在Arduino UNO 開發板上進行集成和控制。通過Arduino IDE 軟件程序的控制完成各個模塊之間接口的數據傳遞和協同工作[2-3]。ESP8266 開發板上嵌入了ESP8266 芯片，該開發板采用板載PCB 天線，支持STA、AP、STA+AP 三種工作模式，支持無線802.11 b/g/n標準，支持UART/GPIO 數據通信接口[4]，利用ESP8266 開發板獲取網絡時間，可以實時顯示在OLED上。BY8001語音模塊采用BY8001-SSOP24 MP3 主控芯片，支持MP3、WAV 格式雙解碼。模塊內置TF 卡座，可插卡進行更換語音內容，支持MP3、WAV高品質音頻格式文件，聲音優美，模塊支持24位DAC輸出，其動態范圍為90 dB、信噪比為85 dB[5]。

1 系統的結構及工作原理

音樂播放器結構框圖如圖1 所示，該系統主要由Arduino UNO 開發板、ESP8266 開發板、語音模塊、TF 卡、喇叭、OLED 液晶顯示器、按鍵、電源組成[6]。電源給整個系統供電，語音模塊、TF 卡、喇叭根據由按鍵輸入的控制信號來播放音樂或語音，在播放前需要將音樂或語音文件復制到TF 卡中。ESP8266 開發板獲取網絡時間，通過串口發送到Arduino UNO 開發板，利用兩個開發板之間的通信，實現網絡時間的傳輸，并顯示在OLED 液晶顯示器上，從而實現音樂播放器存儲音樂或音頻文件，并根據按鍵選擇播放音樂或音頻、顯示播放信息、顯示網絡時間等功能。

圖1 音樂播放器結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 音樂/語音播放電路

音樂播放器選用BY8001 語音模塊作為音樂/語音播放模塊，由按鍵輸入信號控制BY8001 語音模塊播放TF 卡中的音樂/語音信息。TF 卡中的音樂/語音文件的排序按照存儲的先后順序，為了確保從電腦存入TF卡內的音樂/語音文件的順序正確。首先，在電腦上將音樂/語音文件命名排序好（在SD 卡內修改音樂/語音文件排序無效），可以將音樂/語音文件命名為0001XXX.MP3、0002XXX.MP3、0003XXX.MP3…。BY8001 語音模塊的16 個引腳分別為BUSY（忙信號）、RX、TX、DACR（DAC 右聲道輸出）、DACL（DAC左聲道輸出）、SPK1、SPK2、VCC、I/O1～I/O5（觸發輸入口1～5）、GND、DP（USB 數據線）、DM（USB 數據線）。BY8001 語音模塊有五個觸發I/O 口，最多支持15 段按鍵一對一觸發播放。音樂播放器的音樂/語音播放電路如圖2 所示，按鍵的一端接地，另一端接BY8001 的I/O1、I/O2 引腳，同時和Arduino UNO 的引腳3、引腳4 連接，該設計的按鍵選擇獨立式按鍵，即每一個I/O 口上只接一個按鍵，另一端接地，這種接法的優點是編程簡單、系統穩定[7-8]。

圖2 音樂/語音播放電路

2.2 OLED顯示電路

OLED顯示電路如圖3所示，OLED用來顯示當前時間、曲目信息等內容[9]，顯示器選取0.96 寸128×64分辨率OLED 液晶顯示屏，采用SSD1306 驅動芯片，基于三線SPI 通信的七線制OLED 顯示屏模塊，采用三條通信線路傳輸數據[10]。OLED 的7 個引腳分別為GND、VCC（3.3～5 V）D0（時鐘線）、D1（數據線）、RES（復位線）、DC（數據命令選擇線）和CS（SPI 片選線）。OLED 的7 個引腳和Arduino 的連接關系如下：OLED 的電源接Arduino 的VCC引腳；OLED 的地接Arduino 的GND 引腳；OLED 的D0 接Arduino 的13 引腳；OLED 的D1 接Arduino 的11引腳；OLED 的RES接Arduino 的8引腳；OLED 的DC 接Arduino 的9 引腳；OLED 的CS 接Arduino 的10 引腳[11]。

圖3 OLED顯示電路

當按下“顯示當前時間”按鍵時，在OLED 液晶顯示器上顯示當前時間，如圖4 所示；當按下“曲目選擇”按鍵時，在OLED 液晶顯示器上顯示“曲目選擇”菜單，如圖5 所示；當按下“播放曲目1”按鍵時，利用音樂/語音播放電路播放TF 卡中的曲目1，并在OLED 液晶顯示器上顯示曲目1 播放界面，如圖6 所示；當按下“播放曲目2”按鍵時，利用音樂/語音播放電路播放TF 卡中的曲目2，并在OLED 液晶顯示器上顯示曲目2 播放界面，如圖7 所示[12]。

圖4 顯示當前時間

圖5 “曲目選擇”菜單

圖6 曲目1播放界面

圖7 曲目2播放界面

2.3 Arduino UNO和ESP8266開發板通信電路

系統選用ESP8266開發板獲取網絡時間，ESP8266開發板有豐富的GPIO接口、擴展口和串口等，ESP8266開發板和Arduino UNO 的連接電路如圖8 所示。ESP8266 開發板的GND 引腳和Arduino UNO 的GND引腳相連；ESP8266 的GPIO1 引腳和Arduino UNO 的RX 引腳相連；ESP8266 的GPIO3 引腳和Arduino UNO 的TX 引腳相連[13-14]。ESP8266 開發板連接WiFi，獲取網絡時間，通過串口發送到Arduino UNO，并根據按鍵功能利用OLED 液晶顯示器顯示當前時間，這種方法獲得的時間精準，只要有網絡即可，而不需要校時[15-16]。

圖8 ESP8266開發板和Arduino UNO的連接電路

3 軟件設計

3.1 OLED軟件設計

OLED 液晶顯示器是一種高對比度、高分辨率的顯示器，具有良好的顯示界面，可以顯示字符、圖形、漢字甚至更高級的動畫，極大地提高了系統的可操作性[17]。利用Arduino UNO 控制OLED 液晶顯示器顯示字符、圖形等信息，需要使用OLED 模塊的專用庫SSD1306 和圖形庫GFX。

首先，利用PCtoLCD2002 字模提取軟件將OLED顯示的圖形轉換為點陣數據。接著，將數據存儲到數組中。最后，利用庫函數可以實現將圖形顯示在OLED 液晶顯示器上。

3.2 字模提取

文中使用PCtoLCD2002軟件提取字模，雙擊桌面圖標，打開軟件。軟件有圖形模式和字符模式兩種工作模式，PCtoLCD2002軟件圖形模式界面如圖9所示。

圖9 PCtoLCD2002軟件圖形模式界面

通過選擇“模式菜單”，可以切換圖形模式或字符模式。選擇圖形模式，可以將BMP 格式的二值圖像轉換成OLED 液晶顯示屏上顯示的數據；選擇字符模式，可以將中英文字符、數字等字符轉換成OLED 液晶顯示屏上顯示的數據。PCtoLCD2002 軟件字符模式界面如圖10 所示。

圖10 PCtoLCD2002軟件字符模式界面

首先，在圖10 中的文本框輸入需要轉換的文字，例如，輸入“西安航空學院”，設置字體等信息，接著，單擊“字模生成和液晶面板選項”，設置“字模選項”中的內容，點擊“生成字?！眻D標按鈕，生成文字對應的顯示數據，如圖11 所示。

圖11 PCtoLCD2002軟件字符模式生成數據

3.3 系統軟件設計

Arduino UNO 是基于Atmega328P 的開發板。Arduino IDE 提供了廣泛的庫函數，易于編程，使用Arduino IDE 可以將程序下載到Arduino UNO 開發板中[18-19]。該系統的軟件流程圖如圖12所示。首先，初始化串口、按鍵引腳、OLED 液晶顯示器等。接著，掃描按鍵并判斷哪個鍵按下，如果“曲目選擇”按鍵按下，則在OLED 液晶顯示器中顯示“曲目選擇”菜單；如果“曲目選擇”按鍵沒有按下，則判斷“播放曲目1”按鍵是否按下，如果“播放曲目1”按鍵按下，則在OLED 液晶顯示器中顯示“曲目1 播放”界面，并控制BY8001 語音模塊播放曲目1；如果“播放曲目1”按鍵沒有按下，判斷“播放曲目2”按鍵是否按下。如果“播放曲目2”按鍵按下，則在OLED 液晶顯示器中顯示“曲目2 播放”界面，并控制BY8001 語音模塊播放曲目2；如果“播放曲目2”按鍵沒有按下，則判斷“顯示當前時間”按鍵是否按下。如果“顯示當前時間”按鍵按下，則讀取ESP8266 開發板發送的時間數據[20]；如果“顯示當前時間”按鍵沒有按下，則繼續掃描按鍵。

圖12 軟件流程圖

4 結論

該文以Arduino UNO 開發板為核心，以Arduino IDE 作為軟件開發平臺，設計了一種基于Arduino 的音樂播放器。文中介紹了硬件組成和框圖，重點介紹了系統的硬件設計、Arduino UNO 開發板和ESP8266 開發板的通信設計、OLED 軟件設計、字模提取、系統軟件設計流程。系統具有音樂存儲、語音存儲、播放、曲目選擇、液晶顯示、網絡時間校準等功能。經過系統測試，該系統能夠正常工作，穩定性強，達到了設計要求，非常適合在工廠、圖書館、商場、學校、公園等場合應用。