毕 业 论 文(设 计)题目： 基于单片机的音乐频谱显示器设计 学 生： 王 飞 学 号： 20110311122 专 业： 电子信息工程 指导教师： 陈晓莉 陕西科技大学职业教育师范学院 2015年 5 月 28 日基于单片机的音乐频谱显示器设计 摘 要 这个毕业设计采用AT89S52单片机，并且控制ADC0809模数转换芯片将输入模拟电压转换成数字信号，然后通过快速傅里叶变换运算，在频域计算出音频信号各个频率分量的功率，最后通过双基色LED单元板进行显示。且在完成系统其他控制任务的前提下，充分利用单片机剩余计算资源，采用优化FFT算法计算音频信号频谱。音频数据通过AT89S52的A/D接口实现模拟音频信号的采样保持和量化处理，包括音频采集和转换(该单片机内置A/D转换)；频谱显示电路实现模拟音频信号频谱的分段显示，它将音频信号频谱划分成14段，每段按照14级量化，由LED显示器件。其具有可靠性高、成本低，扩张功能强的特点。LED灯的明暗条件，是随着音乐的频率变化所决定的，随时更新作出相应的变化，通过视觉上的灯光显示以实现音乐频谱。 关键词：单片机，数字信号处理，傅里叶变换，频谱显示 MCU-based music spectrum display designs AbstractThe graduation design using microcontroller AT89S52, and control ADC0809 analog to digital conversion chip the input analog voltage into digital signals, then through the fast Fourier transform algorithm, in the frequency domain calculated the audio signal of each frequency component of the power and the dual color LED unit board display. And in the completion of the system under the premise of other control tasks, the full use of single-chip computing resources, the use of optimized FFT algorithm for audio signal spectrum. Audio data through the A / D interface AT89S52 to achieve analog audio signal sampling and quantization process, including audio acquisition and conversion (the monolithic integrated circuit built-in A / D conversion); spectrum display circuit to realize analog audio signal spectrum of the segmented display, it will be audio signal spectrum is divided into fourteen sections, each in accordance with 14 level quantization by LED display device. It has the features of high reliability, low cost and strong expanding function. LED lamp shading condition, with the frequency of music changes, at any time to update the corresponding changes, through the visual light shows to achieve the music spectrum. Keywords：Microcontroller，Digital signal processing，Fast Fourier Transform，Dransform spectrum monitor目 录摘 要I绪 论1第1章 频谱设计21.1 设计频谱的意义21.2 频谱的主要功能21.3 怎么制作音乐频谱3第2章 系统方案的设计42.1 系统整体设计原理图42.2 方案论证42.3 系统方案5第3章 系统硬件设计63.1 电路中主要芯片的引脚对应的功能63.1.1 系统单片机的选择63.1.2 AT89S52单片机最小应用系统73.1.3 主控芯片AT89S5283.2 各模块及连接关系103.2.1数据输入模块10 3.2.2 模数转换模块113.2.3 主控电路123.3 LED显示模块133.3.1 LED显示电路的设计14 3.4 电源电路设计15第4章 系统软件设计174.1 系统模块层次图174.2 电路原理184.3 编程思路184.4 程序流程图194.5 编程设计204.6 音频频谱算法20总 结21致 谢22参 考 文 献23附录A：MCU原理图25附录B：主要源程序26绪 论 随着电子技术的进步发展在功率放大器的设计上功能也不断更新。电子信息技术几乎主宰了整个电器行业的发展。我们知道，一切声音都是由振动产生的。声音之所以千变万化各不相同，是因为它们的振动各不相同。产生音调高低的不同，是由于振动的频率不同。频率越高，音高也就越高。根据傅立叶分析，任何声音可以分解为数个甚至无限个正弦波，而它们往往又包含有无数多的谐波分量。而它们又往往是时刻在变化着。所以一个声音的构成其实是很复杂的。将声音的频率分量绘制成曲线，就形成了频谱。本设计通过AT89S52单片机及外围器件组成的系统实现音频信号的频谱显示,将音频信号送入AT89S52单片机的A/D转换接口进行数据的采集和预处理， 然后送入单片机中通过编程实现频谱计算，在LED上实时显示音频信号的频谱。 第1章 频谱设计1.1 设计频谱的意义 本设计题目为“基于单片机的音乐频谱显示器设计”，那么到底“频谱”是什么呢？这个还要从波形的来源说起。我们知道，一切声音都是由振动产生的。声音之所以千变万化各不相同，是因为它们的振动各不相同。看看琵琶，吉他或者其他的弦类乐器，可以发现它的每一根琴弦的直径都是不一样的。琴弦越细，音调也就越高。反之则越低。显然粗的弦就不如细的弦振动得快或者说是振动的频率高。产生音调高低的不同，就是由于振动的频率不同。很显然频率越高，音调也就越高。 频率的单位是赫兹（简写为Hz），赫兹 (1857-1894)，是德国物理学家，他发现了电磁波，为了纪念他，人们用它的名字来做为频率的单位。所谓的一赫兹，就是一秒钟振动一次。那么440Hz呢，当然就是每秒振动440次，这个声音就是音乐中的标准A音，是乐器定音的标准。而钢琴中央C的频率则是261.63Hz。 我们人的耳朵能够听到的频率范围，是20Hz到20000Hz。低于这个频率范围的声音叫次声波，而高于这个频率范围的声音叫做超声波。所以我们能听到的音乐的频率，即都在人耳可听到的这个范围之内，约从20Hz到20KHz。 1.2 频谱的主要功能 根据傅立叶分析，任何声音可以分解为数个甚至无限个正弦波，而它们往往又包含有无数多的谐波分量。而它们又往往是时刻在变化着。所以一个声音的构成其实是很复杂的。将声音的频率分量绘制成曲线，就形成了频谱。 对频谱进行分析的仪器就是频谱分析仪，早期频谱仪都是模拟分析的。频谱仪的原理就是将声音信号通过一系列不同中心频率的模拟带通滤波器。每个带通滤波器相当于一个共振电路，其特性由中心频率（步进的）、频带宽度及响应时间表示。在声音信号通过滤波器后，经过平方检波器，并进行平均之后，在每个频率上测定所传输的功率，从而得到信号的频谱。然而，传统的频谱仪受到滤波器性能的制约，因为模拟电路本身的特性所局限，滤波器的带宽和响应时间成反比，也就是说模拟滤波器的频率分辨力与时间分解能力之间存在矛盾。因为频谱仪所测量的往往都是非稳态声，一般来说，都是使用若干个滤波器来覆盖整个频率范围，并将信号同时并联地输入到这些滤波器上去，或者使用中心频率能够从低到高连续变化的滤波器。 1.3 怎么制作音乐频谱 我们采用是基于微处理器的软件分析法，微处理器是本制作的核心部分，因此，选择一个合适的性能与配置的微处理器是关键，我选择增强型的8051单片机便能够满足本次制作的要求。 软件上的分析法核心是快速傅立叶算法，简称FFT。FFT（Fast Fourier Transform）即离散傅立叶变换的快速算法。在数字信号处理中常常需要用到离散傅立叶变换(DFT)，以获取信号的频域特征。尽管传统的DFT算法能够获取信号频域特征，但是算法计算量大，耗时长，且要求相当大的内存，不利于计算机实时对信号进行处理，限制了DFT的应用。直到Cooley&Tukey在1965年提出的快速离散傅立叶计算方法被发现，快速傅立叶变换算法才在实际的工程中得到广泛应用。需要强调的是，FFT并不是一种新的频域特征获取方式，而是DFT的一种快速实现算法，可用来将一个信号从时域变换到频域。多数的复杂信号在进行频域变换之后，变换的目的实际上是从频域里来看同一个信号，从而容易分析出其信号的特性。这也是很多信号分析采用FFT变换的一个重要原因。另外，FFT能将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常使用的。 第2章 系统方案的设计 2.1 系统整体设计原理图频谱显示电路FFT 算法计算频谱值 音频信号 数据采集 A/D转换 2-1 系统整体设计原理图 本设计以AT89S52单片机作为主控单元，进行数据采集，A/D转换，频谱计算（FFT），再由LED显示频谱。且在完成系统其他控制任务的前提下，充分利用单片机剩余计算资源，采用优化FFT算法计算音频信号频谱。音频数据通过AT89S52的A/D接口实现模拟音频信号的采样保持和量化处理，包括音频采集和转换；频谱显示电路实现模拟音频信号频谱的分段显示，它将音频信号频谱划分成14段