單片機下的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：針對目前市面上音樂節(jié)奏彩燈成本高、需要提前編程、效果單一等缺點，設(shè)計了一種基于頻譜分析的音樂節(jié)奏燈光系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機為控制核心，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，可以實現(xiàn)對用戶播放的音樂進行頻譜分析，根據(jù)頻譜特征判斷音樂的鼓點節(jié)奏和音樂氛圍，并控制彩燈隨著音樂節(jié)奏進行不同效果的變化。該系統(tǒng)具有操作簡單、無需編程、即插即用、效果豐富、識別精準(zhǔn)等特點。

關(guān)鍵詞：單片機；MSGEQ7；WS2812

引言

彩燈控制主要用在聚會、KTV、酒吧、慶典、廣告牌、園林噴漆裝飾以及舞臺演出等場合，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，沒有節(jié)奏跟隨，效果單一。針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于單片機的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用簡單方便，無需提前編程，即插即用，彩燈效果實時跟隨音樂節(jié)奏變化，且彩燈效果豐富，代入感強，音樂氛圍好，適用于各種非專業(yè)化場合，具有很強的市場價值。

1整體設(shè)計

1.1系統(tǒng)整體框架

如圖1所示，本文設(shè)計的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)主要由藍(lán)牙音頻模塊、MSGEQ7芯片、單片機主機、單片機從機、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信號，MSGEQ7芯片用于解析音樂頻譜，單片機主機根據(jù)解析的頻譜信號分析音樂節(jié)奏，單片機從機用于控制WS2812芯片和固態(tài)繼電器的開關(guān)，從而控制LED燈帶顯示不同燈光效果。1.2外觀設(shè)計系統(tǒng)產(chǎn)品外觀呈長方體型，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，插座下方的三個接口分別是AUXIN、AUXOUT和電源接口。產(chǎn)品頂部有一個開關(guān)按鈕，用于開關(guān)系統(tǒng)電源。

2硬件設(shè)計

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、MS－GEQ7芯片以及單片機主機。藍(lán)牙音頻模塊用于實現(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，能夠通過多種方式采集音頻信號，放大并輸出到下一級。MSGEQ7芯片用于對采集到的音頻信號進行處理。MSGEQ7是一款音頻頻譜采集芯片，通過輸入音頻信號，芯片可以輸出該音頻信號頻譜中的7個幅值，頻率分別為63Hz、160Hz、400Hz、1kHz、2.5kHz、6.25kHz和16kHz，這7個固定頻率幅值分別表征了音樂信號的中低高頻特點，MSGEQ7芯片將頻譜幅值信息發(fā)送給單片機主機進行處理。單片機主機用于對頻譜幅值進行分析。單片機主機收到7個頻點幅值后會對這些數(shù)據(jù)進行分析，判斷音樂是否有鼓點節(jié)奏，判斷音樂氛圍有多高。然后根據(jù)判斷出來的情況控制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時性，以及燈光效果的復(fù)雜性，我們專門設(shè)置了單片機從機，用于控制燈光效果。系統(tǒng)一共使用了2臺單片機從機來控制燈光效果，2臺單片機分別用于控制氛圍彩燈和節(jié)奏彩燈，這2臺單片機均使用串口通信方式與主控芯片通信，為了提高實時性，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字符。

2.3彩燈模塊

彩燈模塊采用WS2812驅(qū)動芯片，WS2812是一款LED燈控制芯片，每一個WS2812可以控制一個RGB全彩LED燈，WS2812可以進行串聯(lián)使用，并且只需要一根數(shù)據(jù)線即可控制。由于每個LED彩燈對應(yīng)一個WS2812芯片控制，因此每個LED燈都可以獨立點亮。通過主控芯片控制，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臺燈或非定制彩燈燈帶，主控芯片通過固態(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燈帶隨音樂節(jié)奏閃爍。

3軟件設(shè)計

3.1平均值濾波

由于采集的音頻頻點信息比較密集，無法直觀反映音頻頻點的特點，為了保證采集速率，程序采用了一種簡單的平均值濾波算法對頻點信號進行處理。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)的多少會影響濾波算法的速率和精度，次數(shù)太多會影響系統(tǒng)實時性，從而導(dǎo)致燈光跟節(jié)奏的同步效果，次數(shù)太少會影響濾波精度，導(dǎo)致節(jié)奏判斷失誤。

3.2音樂節(jié)奏判斷

要把握音樂節(jié)奏，就要判斷出音樂的低頻鼓點信號。主控芯片會抽取濾波后的低頻幅值進行判斷，當(dāng)幅值超過我們設(shè)定的閾值時，主控芯片會認(rèn)為該信號為低頻鼓點，此時，系統(tǒng)會控制節(jié)奏彩燈顯示節(jié)奏效果。除了音樂節(jié)奏，我們還需要呈現(xiàn)音樂氛圍。音樂氛圍主要根據(jù)信號頻譜的平均幅值來判斷，當(dāng)音樂頻譜的平均幅值增大時，主控芯片會認(rèn)為此時音樂氛圍提高了，系統(tǒng)會控制氛圍彩燈逐漸點亮，烘托音樂氛圍。

3.3彩燈效果

彩燈可以呈現(xiàn)兩種音樂效果，分別為音樂氛圍效果和音樂節(jié)奏效果。系統(tǒng)可以同時驅(qū)動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)音樂氛圍，每一條燈帶最多可包含100個LED燈珠。音樂氛圍彩燈的效果具體表現(xiàn)為，當(dāng)音樂氛圍變化后，整條燈帶上的LED燈同時漸亮或漸暗，漸變過程持續(xù)一小段時間。為了保障音樂氛圍的效果，漸亮和漸暗后會保持一段時間，不會急劇變化。音樂節(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始，有一個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燈同時快速漸亮，并保持一小段時間，然后同時快速漸暗直到熄滅。

4結(jié)束語

本文設(shè)計的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)，不僅操作方便、價格實惠，而且節(jié)奏精確，音樂氛圍感強，非常適合舞廳、KTV、家庭聚會、小型慶典、節(jié)日彩燈、圣誕彩燈等非專業(yè)場合，目前市場上還沒有同類產(chǎn)品出現(xiàn)，具有推廣價值。

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作者：匡暢 單位：廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院