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单片机下的音乐节奏彩灯控制系统设计

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单片机下的音乐节奏彩灯控制系统设计

摘要:针对目前市面上音乐节奏彩灯成本高、需要提前编程、效果单一等缺点,设计了一种基于频谱分析的音乐节奏灯光系统。该系统以单片机为控制核心,配合MSGEQ7芯片、WS2812彩灯模块、固态继电器模块,蓝牙音频模块等,可以实现对用户播放的音乐进行频谱分析,根据频谱特征判断音乐的鼓点节奏和音乐氛围,并控制彩灯随着音乐节奏进行不同效果的变化。该系统具有操作简单、无需编程、即插即用、效果丰富、识别精准等特点。

关键词:单片机;MSGEQ7;WS2812

引言

彩灯控制主要用在聚会、KTV、酒吧、庆典、广告牌、园林喷漆装饰以及舞台演出等场合,是一种为环境提供不同变化效果的灯光控制设备。但是专业彩灯不仅价格昂贵,而且操作复杂,需要提前编程,不适合普通用户使用。而普通的效果灯,只有灯光闪烁,没有节奏跟随,效果单一。针对上述问题,本文设计了一种基于单片机的音乐节奏彩灯控制系统,该系统使用简单方便,无需提前编程,即插即用,彩灯效果实时跟随音乐节奏变化,且彩灯效果丰富,代入感强,音乐氛围好,适用于各种非专业化场合,具有很强的市场价值。

1整体设计

1.1系统整体框架

如图1所示,本文设计的音乐节奏彩灯控制系统主要由蓝牙音频模块、MSGEQ7芯片、单片机主机、单片机从机、固态继电器、WS2812芯片以及LED灯带构成。其中,蓝牙音频模块主要用于接收音乐信号,MSGEQ7芯片用于解析音乐频谱,单片机主机根据解析的频谱信号分析音乐节奏,单片机从机用于控制WS2812芯片和固态继电器的开关,从而控制LED灯带显示不同灯光效果。1.2外观设计系统产品外观呈长方体型,如图2所示,背部设有插座,用于给LED灯带供电,其中三插电源用于给普通LED灯带供电,type-C接口用于给WS2812彩色灯带供电和通信,插座下方的三个接口分别是AUXIN、AUXOUT和电源接口。产品顶部有一个开关按钮,用于开关系统电源。

2硬件设计

2.1音频采集、处理和分析模块

音频采集、处理和分析模块分别为蓝牙音频模块、MS-GEQ7芯片以及单片机主机。蓝牙音频模块用于实现音频采集功能。蓝牙音频模块采用杰理蓝牙解码芯片,内置无损功放模块,能够左右声道输出,提供AUX输入输出音频接口,支持蓝牙5.0协议,稳定连接范围为5米,能够通过多种方式采集音频信号,放大并输出到下一级。MSGEQ7芯片用于对采集到的音频信号进行处理。MSGEQ7是一款音频频谱采集芯片,通过输入音频信号,芯片可以输出该音频信号频谱中的7个幅值,频率分别为63Hz、160Hz、400Hz、1kHz、2.5kHz、6.25kHz和16kHz,这7个固定频率幅值分别表征了音乐信号的中低高频特点,MSGEQ7芯片将频谱幅值信息发送给单片机主机进行处理。单片机主机用于对频谱幅值进行分析。单片机主机收到7个频点幅值后会对这些数据进行分析,判断音乐是否有鼓点节奏,判断音乐氛围有多高。然后根据判断出来的情况控制LED显示各种效果。

2.2彩灯控制模块

为了保障音频处理的实时性,以及灯光效果的复杂性,我们专门设置了单片机从机,用于控制灯光效果。系统一共使用了2台单片机从机来控制灯光效果,2台单片机分别用于控制氛围彩灯和节奏彩灯,这2台单片机均使用串口通信方式与主控芯片通信,为了提高实时性,串口波特率为115200bps,通信方式为广播通信,通信指令帧仅为一个字符。

2.3彩灯模块

彩灯模块采用WS2812驱动芯片,WS2812是一款LED灯控制芯片,每一个WS2812可以控制一个RGB全彩LED灯,WS2812可以进行串联使用,并且只需要一根数据线即可控制。由于每个LED彩灯对应一个WS2812芯片控制,因此每个LED灯都可以独立点亮。通过主控芯片控制,彩灯带可以显示多种变换效果,例如流水灯、渐变色、彩虹流水等等。彩灯接口使用定制的type-C接口,不但可以用于供电,还可以与WS2812进行通信。除了type-C接口外,还提供标准电源插座,用于连接普通LED台灯或非定制彩灯灯带,主控芯片通过固态继电器控制插座通断,从而控制普通彩灯的亮灭。固态继电器响应速度快,可以让普通LED灯带随音乐节奏闪烁。

3软件设计

3.1平均值滤波

由于采集的音频频点信息比较密集,无法直观反映音频频点的特点,为了保证采集速率,程序采用了一种简单的平均值滤波算法对频点信号进行处理。该算法使用平均值滤波方法,多次采集数据,并对采到的数据求平均值。算法先多次累加采集到的单次幅值,然后将幅值之和除以采集次数,得到一段时间内的平均幅值。需要注意的是,平均算法中,采集次数的多少会影响滤波算法的速率和精度,次数太多会影响系统实时性,从而导致灯光跟节奏的同步效果,次数太少会影响滤波精度,导致节奏判断失误。

3.2音乐节奏判断

要把握音乐节奏,就要判断出音乐的低频鼓点信号。主控芯片会抽取滤波后的低频幅值进行判断,当幅值超过我们设定的阈值时,主控芯片会认为该信号为低频鼓点,此时,系统会控制节奏彩灯显示节奏效果。除了音乐节奏,我们还需要呈现音乐氛围。音乐氛围主要根据信号频谱的平均幅值来判断,当音乐频谱的平均幅值增大时,主控芯片会认为此时音乐氛围提高了,系统会控制氛围彩灯逐渐点亮,烘托音乐氛围。

3.3彩灯效果

彩灯可以呈现两种音乐效果,分别为音乐氛围效果和音乐节奏效果。系统可以同时驱动6条灯带,其中3条为节奏灯带,用于响应低频节奏,另外3条为氛围灯带,用于响应音乐氛围,每一条灯带最多可包含100个LED灯珠。音乐氛围彩灯的效果具体表现为,当音乐氛围变化后,整条灯带上的LED灯同时渐亮或渐暗,渐变过程持续一小段时间。为了保障音乐氛围的效果,渐亮和渐暗后会保持一段时间,不会急剧变化。音乐节奏彩灯有两种表现效果,分别是流水效果和呼吸效果。流水效果的具体表现为,每次收到节奏命令后,彩灯在指定的一端开始,有一个类似与流星效果的流水灯流向另一端末尾,最后流出末端;呼吸效果的具体表现为,当节奏出现后,整条灯带上的LED灯同时快速渐亮,并保持一小段时间,然后同时快速渐暗直到熄灭。

4结束语

本文设计的音乐节奏彩灯控制系统,不仅操作方便、价格实惠,而且节奏精确,音乐氛围感强,非常适合舞厅、KTV、家庭聚会、小型庆典、节日彩灯、圣诞彩灯等非专业场合,目前市场上还没有同类产品出现,具有推广价值。

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作者:匡畅 单位:广东水利电力职业技术学院