1、 1 基于单片机的声音频谱 FFT 分析显示系统 摘要 课题完成了基于单片机的声音频谱 FFT 分析显示系统的设计制作。课题是使用增强型的 STC12 系列单片机作为核心控制芯片，通过编写程序完成了复杂的FFT 快速傅里叶变换运算以及外围电路的控制，包括译码电路和列驱动电路，且该单片机自带 AD 转换功能，既简化了电路，又节约了成本；显示部分采用 8 8点阵屏级联作为显示载体，能很好的达到显示效果；声音播放由音箱完成，因此基本完成课题要求。论文主要介绍了所用单片机的特点和功能， AD 采集和转换以及 LED 点阵屏的结构和驱动电路等相关知识 。在软件方面，由于 C 语言模块化和可移植性好，所以
2、使用 C 语言进行程序开发设计 。 关键词 ： 单片机，快速傅里叶变换， AD 转换，频谱 2 System of FFT Analysis And System of Display for Sound Spectrum Based on Microcontroller Abstract The subject completed the system of FFT analysis and system of display for sound spectrum based on microcontroller. This topic uses enhanced STC12 series
3、microcontroller as the core control chip,to complete complex FFT Fast Fourier Transform operations and control peripheral circuits including a column decoding circuit and a drive circuit by writing a program.The microcontroller with AD conversion not only simplifies the circuit, but also saves costs
4、. Display part uses 8 8 dot matrix display screen as a cascade carrier to achieve good display.the sound from the speaker has finished playing, so basically complete the task requirements.Paper introduces the knowledge of features and functions for MCU, AD acquisition and conversion and LED dot-matr
5、ix screen structure and driving circuits.On the software side, due to the modularity and portability of C language, so C language is used to program development and design. Key Words microcontroller Fast Fourier Transform AD conversion spectrum3 目录 1.绪论 . 5 1.1 课题研究内容 . 5 1.2 国内外研究及应用现状 . 5 1.3 应用实例
6、 . 6 2. 整体设计 . 7 2.1 研究的问题 . 7 2.2 系统方案设计 . 7 2.3 具体研究手段 . 7 3 硬件设计 . 9 3.1 单片机选型及功能 . 9 3.1.1 单片机选型 . 9 3.1.2 STC12C5A60S2 单片机简介 . 9 3.1.3 管脚说明 . 10 3.1.4 A/D 转换器的结构 . 13 3.1.5 主要特性 . 14 3.1.6 STC12C5A60S2 单片机的工作过程和工作方式 . 15 3.2 AD 模块 . 16 3.3 LED 显示模块 . 16 3.4 硬件原理 . 19 4 软件设计 . 20 4.1 流程图 . 21 4.
7、2 初始化函数设计 . 21 4.3 FFT 算法及其实现 . 23 4.4 中断服务函数 . 29 4.5 显示函数 . 29 4.6 主函 数 . 31 5 系统验证 . 32 5.1 硬件调试 . 33 5.2 软件调试 . 34 结 论 . 36 致 谢 . 38 4 参 考 文 献 . 38 附录 A：核心程序 . 40 附录 B：原理图 . 53 5 1.绪论 1.1 课题研究内容 本课题是基于单片机的声音频谱 FFT分析显示系统，首先对声音信号进行采集，并将模拟声音信号转换成数字信号，然后将数字信号经单片机进行 FFT 快速傅里叶变换，得到频谱，经单片机的控制电路输出到已焊接好的
8、点阵屏上。这个课题用来将无形音乐 显示在屏幕上，制作音乐播放器，使音乐变得可见。 1.2 国内外研究及应用现状 在现如今，国内国外很多机构都在研究基于单片机的音乐频谱 FFT 显示系统，因为用这个技术可以很好地实现音乐的播放。因为单片机价格便宜，所以可以缩小制作生产的成本，当用于生产开发时可以赚取很大的利润。虽然制作起来成本很便宜，但是却丝毫不会影响最终的效果。基于单片机的音乐频谱显示系统的音质还是非常好的，最终的用户体验还是很乐观的，所以这项技术是很值得推广扩散的。这种技术可以很好地应用于车载音乐播放器，在汽车的小小的显示屏上，应用这种技术实 现音乐的播放和可视化，效果美观实惠。这个方面是国
9、内外都要深入研究的领域。总之单片机在现代社会上应用的特别的广泛，而且在频谱显示上应用的例子也是很多很多。 这种基于 FFT 算法的音频播放设备功能很多、价格低廉、而且外部电路非常简化，正因为这些优点，这种技术深受音乐喜爱者的追捧，以及音乐设备制造商的热爱。现在市场上很多的基于的单片机音乐频谱显示设备都能完成音乐频谱的解码播放的过程，而且支持的格式也是越来越多。有业内人士预言：“ 业内人士预言单片机将是未来集成电路中发展最快的电子产品 ,它将彻底变革人们的工作、学习和生活的方方面面 ”。扩展功能强大的音乐播放器是未来音乐播放器的发展方向。 在当今世界，电子技术也在飞速的向前发展。关于 LED 原
10、件在我们日常生活中的地位也是越来越高，成为重要的显示媒体。各大机构也在不断深入研究 LED，使其得到迅猛快速的发展。 LED 显示器以其外形美观大方，显示内容信息量大，操作使用灵活方便著称，主要应用在金融证券、广告宣传、公交、 车站、体育、6 军事等许多领域。而且在我们日常生活中，这种 LED 显示器件也是随处可见。这种技术涉及的技术有很多，包括单片机和硬件之间的数据交互，还有显示存储技术，以及软件技术，最后是硬件接口和驱动之间交互技术。 本课题使用 LED 显示屏和单片机相结合，实现声音频谱的分析和显示。 1.3 应用实例 音乐喷泉是现代科学技术与艺术结合的产物，利用喷泉来表现音乐的美，令人
11、赏心悦目。这种喷泉可以根据音乐的不同节奏产生不同的花样。这种设计的核心就是 FFT 算法。通过对音乐信号的采集然后进过放大处理，把放大的信号进行滤波，去除 杂波，接下来进行 A/D 转换，转换成数字信号后，开始进行 FFT 变换，变换后即可得到音乐信号的频谱。最后将频谱图表现在喷泉的水柱上，这就是FFT 算法在音乐喷泉上的利用。 7 2. 整体设计 2.1 研究的问题 本课题要研究的是基于单片机的声音频谱的 FFT 分析与显示，通过单片机的系统设计和研究，对于切实掌握单片机相关的知识具有重要的理论和实际意义。本课题设计的声音频谱的 FFT 分析与显示是软件和硬件的结合，高低音的表现形式就是频率
12、幅度的大小。通过单片机采集声音信号进行模数转换， 然后进行 FFT变换，最后通过点阵屏显示出来。 2.2 系统方案设计 系统方案设计如图 2.1 所示。 图 2.1 系统结构图 该系统主要有单片机及最小系统模块、驱动电路、点阵屏等模块。 我用的单片机是增强版的 STC12C5A60S2 单片机。该单片机作为硬件核心控制部件，结合达林顿三极管的反向以及驱动功能、 74HC595 的串转并的功能、74HC138 的译码功能、 8 块 8*8 点阵模块的连接共同构成该声音频谱的 FFT 分析及显示系统。 2.3 具体研究手段 分析当前 音乐频谱显示技术的背景及发展方向，确定本课题所研究系统架音频输入
13、 A/D 转换 控制 音箱 LED 点阵屏 供电系统 驱动 供电系统 MCU 8 构，为课题的进一步研究工作奠定基础 ; 分析单片机的原理及应用，确定系统的总体设计方案分析 ; 在第二步的基础上，通过去市场上调查，去了解市面上的自己所用的芯片的性能和价格等等，然后根据市场的实际的需求选择满足实际系统需要的各种芯片，进行系统硬件单片机、 LED 点阵屏及各种芯片的选材 ; 在系统硬件平台的基础上，进行系统软件部分的设计，首先熟悉程序开发软件 KEIL uVISION4 的开发环境，熟悉单片机功能和各引脚作用，然后进行单片机 C 语言程序的编写 ; 系统测试与分析，将搭建完成的系统进行声音频谱显示
14、的测试； 9 3 硬件设计 3.1 单片机选型及功能 3.1.1 单片机选型 对于单片机的选择需要经过综合考量。因为 FFT 算法会有很大的运算量，所以对于单片机的性能要求是很高的，需要单片机的运算速度要很高，要能很好的处理浮点运算。我们选用 STC12C5A60S2，该芯片具有 1280 字节的 RAM，并且时钟频率高达 33MHZ,在速度和内存上都能满足浮点运算，并且控制方便，成本便宜，所以本系统采用 8 位 STC12C5A60S2 芯片 。 3.1.2 STC12C5A60S2 单片机简介 单片机全称叫做单片微型计算机（英语： single-chip microcomputer），又称
15、作为微控制器（ microcontroller）。是把中央处理器、定时 /计数器（ timer/counter）、存储器、各种输入输出接口等都集成在一块的集成电路芯片。与自己个人用的电脑上的通用微处理器相比，它更注重的是价格便宜而且不用外接硬件。我们所用的单片机体积很小，可以放在很多仪表的内部，因此可以应用于很多领域，这就是单片机的一个很大的优势。同时，它又有缺点，那就是 存储量不是很大，输入输出接口相对来说比较简单，功能还不是特别的强大。但是经过几十年的飞速发展，单片机也远比以前强大很多，速度变得更高速。 经过几十年的发展，旧的单片机的概念已不能再满足我们的认识，所以很多场合被称为范围更广的
16、微控制器。 单片 微型计算机 简称单片机，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit）， 常用的英文字 母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称 单片微控制器 ，它不是完成某一个逻辑功能的 芯片 ，而是把一个 计算机系统集成 到一个芯片上。单片机 由 运算器 、 控制器 、 存储器 、 输入输出设备 构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比， 单片机 缺少了外围设备等。概括的讲：一块 芯片 就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用 单片机 是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领
17、域。 由于 单片机 在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有 CPU 的专用 处理器芯 片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个 芯片10 中，使 计算机系统 更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 STC12C5A60S2 是单时钟的单片机，机器周期是 1T 的。这款单片机是增强型的单片机，运算速度很快，功耗还低，关键的是抗干扰能力非常强。虽然是新一代的单片机，但是它内部的指令代码是完全兼容传统的 51 单片机的，不同的地方就是速度比以前高了 8-12 倍。这款单片机相比其他单片机而言，尤其是相比传统的单片机，最大的特 点就是内部有 10 位的 A
18、/D 转换功能，而且速度非常快。用这款单片机能很好地简化电路，使用内部程序实现 A/D 的转换。 1、增强型 8051CPU， 1T（ 1024G），单时钟 /机器周期 。 2、工作电压 5.5-3.5V 3、 1280 字节 RAM 4、通用 I/O 口，复位后为：准双向口 /弱上拉 5 有 EEPROM 功能 6、看门狗 7、内部集成 MAX810 专用复位电路 8、外部掉电检测电路 9、时钟源：外部高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器 常温下内部 R/C 振荡器频率为： 5.0V 单片机为： 1117MHz 3.3V 单片机为：812MHz 10、 4 个 16 位定时器 4 个定时器中有两个是与传统的 51 单片机兼容的， 11、 PWM2 路 12、 A/D 转换， 10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250K/S 13、通用全双工异步串行口（ UART） 14、双串口， RxD2/P1.2， TxD2/P1.3 15、工作范围： -4085 16、封装： LQFP-48， LQFP-44， PDIP-40， PLCC 3.1.3 管脚说明 单片机引脚图如图 3.1 所示。
