2023年全国大学生电子设计竞赛 K 题 — 辨音识键奏乐系统

2023 全国大学生电子设计竞赛 K 题——辨音识键奏乐系统题目编号K 题完成时间2023 年 8 月摘要本设计为辨音识键奏乐系统可对水杯敲击声音进行采集、学习与识别并根据识别结果自动播放对应音调。系统由电源模块、声音采集模块、音频功放模块、单片机控制模块与液晶显示模块构成。演奏者敲击不同水量的水杯时系统自动拾取音频信号经 STC32 单片机处理后转换为对应频率的音频输出通过功放驱动扬声器发声。系统结构设计合理、工作稳定、响应迅速状态信息可在液晶屏实时直观显示。关键词傅里叶变换音频采集音频功放STC32G12K128 单片机一、系统方案设计与论证1.1 系统总体架构系统按功能划分为五大模块电源模块声音采集模块音频功放模块单片机控制模块液晶显示模块1.2 方案论证与选型1.2.1 主控芯片选择方案一STC89C52传统 8051 架构资料丰富但运算速度较慢难以满足 FFT 实时计算需求。方案二STC32G12K12832 位高速 8051 内核运算性能约为传统 51 的 70 倍内置 128K 存储器多串口、多定时器无需外部晶振与复位电路最终选定。方案三STM32F103C8T6ARM 内核性能强劲但团队对该平台熟练度较低故未选用。1.2.2 电源方案选择方案一LM7805 LM7905 正负 5V 稳压可直接接入 220V 市电供电稳定、布线简洁最终选定。方案二USB 5V 供电使用方便但带载能力与系统稳定性不如线性稳压方案。1.2.3 音频采集模块选择方案一MAX4466微功耗前置放大器增益稳定但放大倍数与抗干扰能力一般。方案二MAX9814带自动增益控制适合语音但对敲击声频谱适应性一般。方案三LM386 高灵敏度麦克风放大倍数约 200 倍采用单点接地降低干扰信号稳定度最优最终选定。1.2.4 音频功放模块选择方案一普通三极管放大效率低、发热严重不适合长时间播放。方案二TDA2030A外围简单、失真小、散热易处理最终选定。二、理论分析与计算2.1 音频信号采集与分析麦克风采集水杯敲击声经 LM358 放大后送入单片机 ADC将模拟音频转为数字信号。系统通过频谱分析判断不同杯子的固有频率与幅值。2.2 傅里叶变换FFT分析声音信号属于时域信号难以直接区分频率差异。通过FFT 傅里叶变换将时域信号转为频域信号提取每个杯子对应的特征频率与幅度作为识别依据。三、硬件与软件设计3.1 音频功放电路由STC32G128 主控与STC89C52 协控通过串口通信实现分工STC32负责声音采集、FFT 计算、杯号识别、屏幕显示STC89C52负责生成不同频率音频脉冲脉冲经 TDA2030A 功放放大后由扬声器输出乐曲3.2 液晶显示电路采用 LCD12864 点阵屏并行接口驱动实时显示杯号、识别状态与系统工作模式。3.3 程序流程系统上电初始化ADC 采集音频信号FFT 运算提取特征频率进入学习/识别/演奏模式识别结果送 LCD 显示并驱动功放发声四、系统测试与结果4.1 测试设备量筒、玻璃杯、敲击棒、纯净水、秒表、示波器、万用表。4.2 测试方法对空杯、不同水量杯、乱序排列杯分别进行敲击学习与识别记录识别准确率、响应时间与功能完成度。4.3 测试结果自动演奏15 秒内完成乐曲播放全部达标。空杯识别1/3/5 号识别准确时间 ≤28 秒。加水杯识别50/100/150ml频率稳定识别正确率 100%。5 杯任意水量识别水量差 ≥20ml识别时间 ≤66 秒。8 杯乱序识别原 5 杯正确显示编号新增 3 杯显示 0时间 ≤39 秒。4.4 测试结论系统全部基本要求与发挥要求均达标识别稳定、响应快速、抗干扰能力强。五、参考文献邱关源、罗觉.《电路》.高等教育出版社,2006朱芙菁、田影.《单片机原理及应用技术》.航空工业出版社,2010常晓玲.《电工技术》.机械工业出版社,2019明日科技.《C 语言从入门到精通》.清华大学出版社,2019崔信.《高等数学》.北京出版社,2019六、附录系统总体原理图核心代码片段FFT 算法、ADC 采集、中断服务、ICache 配置等P.S需要相关资料后台私信即可。