偶然心血来潮，想做一系列声音可视化的话题。这个话题有点难，涉及面广，相关FFT和FHT算法也很复杂，但我仍然计划从最简单的开始，实际做实验，耐心尝试各种解决方案，逐渐积累一些有用的音乐频谱可视化数据，并努力形成一些实用和有趣的音乐可视器项目。
WS2812B 集控制电路和发光电路于一体的智能外部控制LED光源。外观和5050LED灯珠相同，每个元件都是像素点。像素点包括智能数字接口数据锁定信号整形放大驱动电路、高精度内部振荡器和12V高压可编程电流控制部分有效保证了像素照明的颜色高度一致。数据协议采用单线归零码的通信方式，上电复位后像素点，DIN端接收从控制器传输的数据，首先发送的24bit数据从第一个像素点提取后，发送到像素点内部的数据锁器。剩余数据通过内部整形电路整形放大DO端口开始向下一级联的像素点转发和输出。每个像素点传输后，信号减少24bit。像素点采用自动整形转发技术，使得像素点的级联数不受信号传输的限制，只受信号传输速度的限制。 主要特点 1.智能反接保护不会损坏电源反接IC。 2、IC控制电路与LED点光源公用一个电源。 三、控制电路和RGB芯片集成在5050包装元件中，形成完整的外部控制像素点。 4.内置信号整形电路，任何像素点收到信号后通过波形整形输出，确保线路波形畸变不会累积。 5.内置上电复位和下电复位电路。 6.每个像素点的三基色可显示256亮度，1677216种颜色的全真色可显示，扫描频率不低于400Hz/s。 7.串行级联接口可以通过信号线接收和解码数据。 8传输距离不超过5米时，任何两点都不需要增加任何电路。 当刷新率为30帧/秒时，级联数不小于1024点。 10.数据发送速度可达8000Kbps。 11颜色高度一致，性价比高。
应用领域 具有低压驱动、环保节能、亮度高、散射角大、一致性好、功率超低、寿命长等优点。集成控制电路LED以上，电路变得更简单，体积小，安装更简单。主要应用领域，LED全彩发光字灯串，LED全彩模组， LED全彩软灯条硬灯条，LED护栏管。LED点光源，LED像素屏，LED异形屏幕、各种电子产品、电气设备跑马灯等。
WS2812B灯带电原理图
WS2812B集控制电路和发光电路于一体LED控制光源元件IC为WS2812B，发光元件是5050RGBLED，电压为5V，各单位峰值电流为60ma，灯带为三线制，VCC GND DIN分别为电源 、当使用外部电源时，外部电源-需要单片机GND相连。
MAX9814是一种低成本、高质量的麦克风放大器，具有自动增益控制（AGC）偏离低噪声麦克风。该装置具有低噪声前放大器，可变增益放大器（VGA），麦克风偏置电压发生器和输出放大器AGC控制电路。
低噪声前放大器具有固定的12dB增益，而VGA根据输出电压和输出电压的增加AGC阈值自动从20dB调整至0dB。提供8个输出放大器dB，18dB和28dB可选增益。放大器级联会在没有压缩的情况下，总增益为40dB，50dB或60dB。三级数字输入编程输出放大器的增益。控制外部电阻分压器AGC阈值，单个电容器设定启动/释放时间。起效时间与释放时间的比率可设置为三级数字输入。AGC保持时间固定为30ms。低噪声麦克风偏置电压发生器可以偏置大多数驻极体麦克风。
MAX9814采用14引脚节省空间TDFN包装。该装置的额定温度范围为-40°C至 85°C。
MAX9814麦克风放大器模块 MAX9814是一种自动增益控制的低成本高性能麦克风放大器(AGC)偏离低噪声麦克风。该装置具有低噪声前端放大器和可变增益放大器(VGA)、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路。 ●自动增益控制(AGC) ●三种增益设置(40)dB、50dB、60dB) ●可编程动作时间 ●可编程动作和释放时间比 ●电源电压范围2.7V～5.5V ●低THD：0.04% (典型值) ●低功耗关闭模式 ●内置2V低噪声麦克风偏置
有趣有趣的音乐可视化项目(11)—WS2812幻彩LED灯带 实验程序1：简单测量声级 模块接线： MAX9814 Arduino VCC 5V GND GND OUT A0
/* 有趣有趣的音乐可视化项目(11)---WS2812幻彩LED灯带 实验程序1：简单测量声级 模块接线： MAX9814 Arduino VCC 5V GND GND OUT A0 */ const int sampleWindow = 50; // 以mS单位采样窗宽度(50 mS = 20Hz） unsigned int sample; void setup() {
Serial.begin(9600); pinMode(A0, INPUT); } void loop() {
unsigned long startMillis = millis(); // 样品窗的开始 unsigned int peakToPeak = 0; // 峰峰值 unsigned int signalMax = 100; unsigned int signalMin = 1024; // collect data for 50 mS while (millis() - startMillis < sampleWindow) {
sample = analogRead(A0); if (sample < 1024) // 抛出错误的读数 {
if (sample > signalMax) {
signalMax = sample; // 只保存最大级别 } else if (sample < signalMin) {
signalMin = sample; // 仅保存最低级别 } } } peakToPeak = signalMax - signalMin; // max-min =峰峰值幅度 double volts = (peakToPeak * 5.0) / 256; // 转换为伏特 Serial.println(volts); } 打开Arduino IDE——工具——串口绘图器，查看实验波形
实际测量环境噪音与手敲桌面的声音波形
播放歌曲的实测波形
https://img.mydigit.cn/forum/202207/15/100235ja96zhv6vngh4zow.gif
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）—WS2812幻彩LED灯带 实验程序二：阙值触发的节奏灯
/* 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）---WS2812幻彩LED灯带 实验程序二：阙值触发的节奏灯 */
#include<FastLED.h>
#define LED_PIN 6
#define NUM_LEDS 24
CRGB leds[NUM_LEDS];
uint8_t hue = 0;
int soundsensor = 7;
void setup() {
delay(2000);
Serial.begin(9600);
FastLED.addLeds<WS2812B, LED_PIN, GRB>(leds, NUM_LEDS);
FastLED.setBrightness(50);
pinMode(soundsensor, INPUT);
}
void loop() {
int sensval = digitalRead(soundsensor);
if (sensval == 1) {
Serial.println("ON");
leds[0] = CRGB :: Red;
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB :: Blue);
rainbow_moving();
FastLED.show();
delay(10);
}
else {
leds[0] = CRGB :: Black;
fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB :: Black);
FastLED.show();
delay(10);
}
}
void rainbow_moving() {
for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
leds[i] = CHSV(hue + (i * 10), 255, 255);
}
EVERY_N_MILLISECONDS(10) {
hue++;
}
}
实验场景图 动态图
https://img.mydigit.cn/forum/202207/15/112438yztkuu26mtzk2usu.gif
实验的视频记录
https://v.youku.com/v_show/id_XNTg4NjkyODg0OA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）—WS2812幻彩LED灯带 实验程序三：Adafruit_NeoPixel音乐反应式LED灯带
/* 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）---WS2812幻彩LED灯带 实验程序三：Adafruit_NeoPixel音乐反应式LED灯带 */
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#define MIC A0 // 麦克风与A0相连接
#define LED_PIN 6 // LED are connected to D6
#define N_PIXELS 24 // Number of LED
#define N 100 //样本数
#define fadeDelay 10 // 淡出量
#define noiseLevel 80 // 降噪下限
Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(N_PIXELS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
int samples[N]; // 存储样本
int periodFactor = 0; // 用于周期计算
int t1 = -1;
int T;
int slope;
byte periodChanged = 0;
void setup() {
// Serial.begin(9600);
strip.begin();
ledsOff();
delay(500);
displayColor(Wheel(100));
strip.show();
delay(500);
}
void loop() {
Samples();
}
void Samples() {
for (int i = 0; i < N; i++) {
samples[i] = analogRead(0);
if (i > 0) {
slope = samples[i] - samples[i - 1];
}
else {
slope = samples[i] - samples[N - 1];
}
if (abs(slope) > noiseLevel) {
if (slope < 0) {
calculatePeriod(i);
if (periodChanged == 1) {
displayColor(getColor(T));
}
}
}
else {
ledsOff();
}
periodFactor += 1;
delay(1);
}
}
void calculatePeriod(int i) {
if (t1 == -1) {
t1 = i;
}
else {
int period = periodFactor * (i - t1);
periodChanged = T == period ? 0 : 1;
T = period;
// Serial.println(T);
t1 = i;
periodFactor = 0;
}
}
uint32_t getColor(int period) {
if (period == -1)
return Wheel(0);
else if (period > 400)
return Wheel(5);
else
return Wheel(map(-1 * period, -400, -1, 50, 255));
}
void fadeOut()
{
for (int i = 0; i < 5; i++) {
strip.setBrightness(110 - i * 20);
strip.show(); // Update strip
delay(fadeDelay);
periodFactor += fadeDelay;
}
}
void fadeIn() {
strip.setBrightness(100);
strip.show();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
//strip.setBrightness(20*i + 30);
//strip.show();
delay(fadeDelay);
periodFactor += fadeDelay;
}
}
void ledsOff() {
fadeOut();
for (int i = 0; i < N_PIXELS; i++) {
strip.setPixelColor(i, 0, 0, 0);
}
}
void displayColor(uint32_t color) {
for (int i = 0; i < N_PIXELS; i++) {
strip.setPixelColor(i, color);
}
fadeIn();
}
uint32_t Wheel(byte WheelPos) {
// Serial.println(WheelPos);
if (WheelPos < 85) {
return strip.Color(WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3, 0);
}
else if (WheelPos < 170) {
WheelPos -= 85;
return strip.Color(255 - WheelPos * 3, 0, WheelPos * 3);
}
else {
WheelPos -= 170;
return strip.Color(0, WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3);
}
}
实验场景图 动态图
https://img.mydigit.cn/forum/202207/15/161443eoa7e1b373x427dh.gif
实验的视频记录（《西部世界》主题曲2分7秒）
https://v.youku.com/v_show/id_XNTg4NzAwNzUwMA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）—WS2812幻彩LED灯带 实验程序四：MegunoLink音乐反应式24颗LED灯带
/* 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）---WS2812幻彩LED灯带 实验程序四：MegunoLink音乐反应式24颗LED灯带 */
#include<FastLED.h>
#include<MegunoLink.h>
#include<Filter.h>
// define necessary parameters
#define N_PIXELS 24
#define MIC_PIN A0
#define LED_PIN D6 // labeled "D6" on the board
// the following parameters can be tweaked according to your audio levels
#define NOISE 50
#define TOP (N_PIXELS+2) // allow the max level to be slightly off scale
#define LED_TYPE WS2811
#define BRIGHTNESS 18 // a little dim for recording purposes
#define COLOR_ORDER GRB
// declare the LED array
CRGB leds[N_PIXELS];
// define the variables needed for the audio levels
int lvl = 0, minLvl = 0, maxLvl = 600; // tweak the min and max as needed
// instantiate the filter class for smoothing the raw audio signal
ExponentialFilter<long> ADCFilter(5,0);
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
Serial.begin(115200);
// initialize the LED object
FastLED.addLeds<LED_TYPE,LED_PIN,COLOR_ORDER>(leds,N_PIXELS).setCorrection(TypicalLEDStrip);
FastLED.setBrightness(BRIGHTNESS);
}
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
// read the audio signal and filter it
int n, height;
n = analogRead(MIC_PIN);
// remove the MX9614 bias of 1.25VDC
n = abs(1023 - n);
// hard limit noise/hum
n = (n <= NOISE) ? 0 : abs(n - NOISE);
// apply the exponential filter to smooth the raw signal
ADCFilter.Filter(n);
lvl = ADCFilter.Current();
// // plot the raw versus filtered signals
// Serial.print(n);
// Serial.print(" ");
// Serial.println(lvl);
// calculate the number of pixels as a percentage of the range
// TO-DO: can be done dynamically by using a running average of min/max audio levels
height = TOP * (lvl - minLvl) / (long)(maxLvl - minLvl);
if(height < 0L) height = 0;
else if(height > TOP) height = TOP;
// turn the LEDs corresponding to the level on/off
for(uint8_t i = 0; i < N_PIXELS; i++) {
// turn off LEDs above the current level
if(i >= height) leds[i] = CRGB(0,0,0);
// otherwise, turn them on!
else leds[i] = Wheel( map( i, 0, N_PIXELS-1, 30, 150 ) );
}
FastLED.show();
}
CRGB Wheel(byte WheelPos) {
// return a color value based on an input value between 0 and 255
if(WheelPos < 85)
return CRGB(WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3, 0);
else if(WheelPos < 170) {
WheelPos -= 85;
return CRGB(255 - WheelPos * 3, 0, WheelPos * 3);
} else {
WheelPos -= 170;
return CRGB(0, WheelPos * 3, 255 - WheelPos * 3);
}
}
实验场景图 动态图
https://img.mydigit.cn/forum/202207/20/145720agtd6fhv676dazhe.gif
实验的视频记录
https://v.youku.com/v_show/id_XNTg4NzE0NDMxNg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1