基于單片機的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)設計

匡暢

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、識別精準等特點。

關鍵詞：單片機;MSGEQ7;WS2812

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0092-02

Abstract： In view of the shortcomings of music rhythm lights in the market， such as high cost， need to be programmed in advance， and single effect， a music rhythm lighting system based on spectrum analysis is designed. The system takes single-chip microcomputer as the control core， and cooperates with MSGEQ7 chip， WS2812 color lamp module， solid-state relay module， Bluetooth audio module and so on. It can analyze the frequency spectrum of the music played by users， judge the drumbeat rhythm and music atmosphere of music according to the spectrum characteristics， and control the color lights to change with the music rhythm in different effects. The system has the characteristics of simple operation， no programming， plug and play， rich effect， accurate recognition and so on.

Keywords： single chip microcomputer; 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備。但是專業(yè)彩燈不僅價格昂貴，而且操作復雜，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 整體設計

1.1 系統(tǒng)整體框架

如圖1所示，本文設計的音樂節(jié)奏彩燈控制系統(tǒng)主要由藍牙音頻模塊、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，從而控制LED燈帶顯示不同燈光效果。

1.2 外觀設計

系統(tǒng)產(chǎn)品外觀呈長方體型，如圖2所示，背部設有插座，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AUX IN、AUX OUT和電源接口。產(chǎn)品頂部有一個開關按鈕，用于開關系統(tǒng)電源。

2 硬件設計

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牙音頻模塊、MSGEQ7芯片以及單片機主機。

藍牙音頻模塊用于實現(xiàn)音頻采集功能。藍牙音頻模塊采用杰理藍牙解碼芯片，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，以及燈光效果的復雜性，我們專門設置了單片機從機，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，還提供標準電源插座，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)繼電器響應速度快，可以讓普通LED燈帶隨音樂節(jié)奏閃爍。

3 軟件設計

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，當幅值超過我們設定的閾值時，主控芯片會認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，當音樂頻譜的平均幅值增大時，主控芯片會認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，用于響應低頻節(jié)奏，另外3條為氛圍燈帶，用于響應音樂氛圍，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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