前言

这期作品是通过 Arduino 和四块LED点阵模块，实现32分频的音频频谱可视化显示，让LED随音乐跳动！

主要特点

1、使用简易安装的库 ArduinoFFT 和 MD_MAX72xx。2、支持五种不同的显示模式，可通过按钮切换。3、音频信号的左右声道都是混合的，不会错过节拍。4、使用 32×8 LED 点阵，可以随意改变。5、音频可以从耳机输入或播放设备的Line-Out输入。

材料

Arduino Nano × 1电阻10k欧 × 1电阻4.75k欧 × 3电容100nF × 2电阻100K欧 × 2轻触开关12mm × 1LED显示器32X8 × 15V电源(用于USB供电) × 1

步骤

流程图

原理图

系统原理描述

Arduino 内置数模转换器(ADC)，可以将输入音频信号转换为数字样本。ADC 设置为38.46kHz的输入信号。

为了显示音频信号的频谱，左右两个声道混合并反馈到 ADC 的 A0 口，如果有必要，也可以使用一分为二的音频线将信号同时输送到频谱分析仪和另一个放大器上。

在这个作品中，ADC使用Arduino 的 3.3V 电源。当模拟信号在零电压附近震荡时，则需要在 ADC 的模拟输入端配置一个直流偏置，确保 ADC 输出不会截断输入信号的负周期。3.3V稳定电压由两个电阻 R1 和 R2 分压，然后反馈到模拟输入以进行直流偏置。使用此直流偏置，即使输入信号断开，ADC 也会在输出中产生 512 。稍后在代码中这个 512 将由 DC 偏置抹掉，从而读数代表实际的输入信号的变化。

ArduinoFFT 库的作用是将模拟信号转换为频谱，易于使用，输出准确。 该例子生成 64 个样本并进行 FFT ，而ArduinoFFT 库可以对 16 到 128 之间的样本进行 FFT ，根据需求在程序中配置。但ArduinoFFT库对 128 个样本的计算速度很慢，因此建议最高值为64个，效果最好。

该作品使用32×8点阵LED。MD_MAX72xx 库可以轻松控制LED点阵的显示。该库提供打开/关闭该程序中正在使用的任意数量的 LED 功能。每个频带的幅度被映射在 0 到 8 之间，具体多少则取决于每列 LED 接通的数量。

提供的程序中包含五种显示模式(可以按照需求修改或创建不同模式)，该作品通过按钮来切换不同模式。

频率响应

实验证明系统能够响应高达18.6Khz 的频率。

连接输入

你可以通过多种方式将音频输入到频谱显示仪。你可以从音乐播放器/功放的 Line-Out 输入。其他选项是从手机/音乐系统的耳机输出获取音频。我不建议使用另一个麦克风接收音频，因为信号水平和频率响应将包含许多的因素。

以下是将音乐播放器/功放连接到频谱显示仪的示例图。

以下是将手机的耳机输出连接到频谱显示仪的示例图。

将电缆连接到耳机输出时，手机/音乐系统不会出声。如果你想听到音频并可显示，你必须分离音频并使用另一个功放。

代码

#include #include #include  #define SAMPLES 64            //Must be a power of 2#define HARDWARE_TYPE MD_MAX72XX::FC16_HW   // Set display type  so that  MD_MAX72xx library treets it properly#define MAX_DEVICES  4   // Total number display modules#define CLK_PIN   13  // Clock pin to communicate with display#define DATA_PIN  11  // Data pin to communicate with display#define CS_PIN    10  // Control pin to communicate with display#define  xres 32      // Total number of  columns in the display, must be <= SAMPLES/2#define  yres 8       // Total number of  rows in the display int MY_ARRAY[]={0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255}; // default = standard patternint MY_MODE_1[]={0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255}; // standard patternint MY_MODE_2[]={0, 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1}; // only peak patternint MY_MODE_3[]={0, 128, 192, 160, 144, 136, 132, 130, 129}; // only peak +  bottom pointint MY_MODE_4[]={0, 128, 192, 160, 208, 232, 244, 250, 253}; // one gap in the top , 3rd light onwardsint MY_MODE_5[]={0, 1, 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255}; // standard pattern, mirrored vertically  double vReal[SAMPLES];double vImag[SAMPLES];char data_avgs[xres]; int yvalue;int displaycolumn , displayvalue;int peaks[xres];const int buttonPin = 5;    // the number of the pushbutton pinint state = HIGH;             // the current reading from the input pinint previousState = LOW;   // the previous reading from the input pinint displaymode = 1;unsigned long lastDebounceTime = 0;  // the last time the output pin was toggledunsigned long debounceDelay = 50;    // the debounce time; increase if the output flickers MD_MAX72XX mx = MD_MAX72XX(HARDWARE_TYPE, CS_PIN, MAX_DEVICES);   // display objectarduinoFFT FFT = arduinoFFT();                                    // FFT object void setup() {    ADCSRA = 0b11100101;      // set ADC to free running mode and set pre-scalar to 32 (0xe5)    ADMUX = 0b00000000;       // use pin A0 and external voltage reference    pinMode(buttonPin, INPUT);    mx.begin();           // initialize display    delay(50);            // wait to get reference voltage stabilized}  void loop() {   // ++ Sampling   for(int i=0; i    {      while(!(ADCSRA & 0x10));        // wait for ADC to complete current conversion ie ADIF bit set      ADCSRA = 0b11110101 ;               // clear ADIF bit so that ADC can do next operation (0xf5)      int value = ADC - 512 ;                 // Read from ADC and subtract DC offset caused value      vReal[i]= value/8;                      // Copy to bins after compressing      vImag[i] = 0;                             }    // -- Sampling     // ++ FFT    FFT.Windowing(vReal, SAMPLES, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);    FFT.Compute(vReal, vImag, SAMPLES, FFT_FORWARD);    FFT.ComplexToMagnitude(vReal, vImag, SAMPLES);    // -- FFT         // ++ re-arrange FFT result to match with no. of columns on display ( xres )    int step = (SAMPLES/2)/xres;     int c=0;    for(int i=0; i2); i+=step)      {      data_avgs = 0;      for (int k=0 ; k< step ; k++) {          data_avgs = data_avgs + vReal[i+k];      }      data_avgs = data_avgs/step;       c++;    }    // -- re-arrange FFT result to match with no. of columns on display ( xres )         // ++ send to display according measured value     for(int i=0; i    {      data_avgs[i] = constrain(data_avgs[i],0,80);            // set max & min values for buckets      data_avgs[i] = map(data_avgs[i], 0, 80, 0, yres);        // remap averaged values to yres      yvalue=data_avgs[i];       peaks[i] = peaks[i]-1;    // decay by one light      if (yvalue > peaks[i])           peaks[i] = yvalue ;      yvalue = peaks[i];          displayvalue=MY_ARRAY[yvalue];      displaycolumn=31-i;      mx.setColumn(displaycolumn, displayvalue);              // for left to right     }     // -- send to display according measured value           displayModeChange ();         // check if button pressed to change display mode}  void displayModeChange() {  int reading = digitalRead(buttonPin);  if (reading == HIGH && previousState == LOW && millis() - lastDebounceTime > debounceDelay) // works only when pressed  {   switch (displaymode) {    case 1:    //       move from mode 1 to 2      displaymode = 2;      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_2[i];      }      break;    case 2:    //       move from mode 2 to 3      displaymode = 3;      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_3[i];      }      break;    case 3:    //     move from mode 3 to 4      displaymode = 4;      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_4[i];      }      break;    case 4:    //     move from mode 4 to 5      displaymode = 5;      for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_5[i];      }      break;    case 5:    //      move from mode 5 to 1      displaymode = 1;            for (int i=0 ; i<=8 ; i++ ) {        MY_ARRAY[i]=MY_MODE_1[i];      }      break;  }     lastDebounceTime = millis();  }  previousState = reading;}

MAKER:Shajeeb／译：趣无尽 Cherry