CN107306462A - 一种led灯阵音频显示装置及其傅里叶模糊控制方法 - Google Patents

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王佐勋
曾凡顺
张贺龙
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Abstract

本发明设计了一种采用LED灯阵显示声音信号的频谱的显示装置，利用自适应模糊控制算法实现对LED音乐频谱中灯光变化亮度的控制。实时的采集声音播放过程中音频信号，经过傅里叶变换，提取出各种频段的频率，跟反馈的频率比较，把比较的差值和差值变化率送入自适应模块控制器，通过自适应模糊控制器，调节各LED灯的亮灭以实现亮度变化，使LED频谱能够快速随声音信号改变亮度，能够准确反映音律变化，满足准确显示各频段幅值的要求。

Description

一种LED灯阵音频显示装置及其傅里叶模糊控制方法
技术领域
本发明涉及一种LED灯阵音频显示装置和显示控制方法，具体的讲是采用傅里叶模糊控制方法，控制LED灯阵的显示快速跟随声音能量的变化而变化，属于智能家居领域。
背景技术
LED灯阵频谱显示随音频信号变化的过程一般具有非线性、高频性、变化幅度大等特点，是一个十分复杂的实时显示各频段幅值的过程。因为量化显示各频段幅值是这个过程中的一个非线性对象，其受干扰的因素有很多，所以，要想建立一个能精确显示各频段幅值的固定数学模型是比较难以实现的。目前存在的频谱显示各式各样，但是以电脑显示和液晶显示的居多，显示颜色单一。在传统的频谱显示设备中存在的问题是：当声音信号振幅较小时，并且声音信号变化不是很快时，此时误差变化率较小频率响应的失真较小；相反，当声音信号振幅较大并且信号变化很快的时候，此时就会发生LED灯的变化速率跟不上音乐节奏的现象。这是因为普通处理方法不能很快的对快速变化的信号进行跟踪处理，造成了频谱失真现象。
发明内容
针对于以上音频显示装置的问题，设计了专用于音频变化的傅里叶模糊自适应控制方法，本发明采用50*100的LED灯阵显示频谱。
本发明借助傅里叶变换和制定的模糊关系来解决LED频谱亮灭精确度和高频变换控制的难题，本发明是通过以下技术方案实现的：根据输入的音频信号进行傅里叶变换提取各波段频率1，频谱显示后傅里叶变换提取的各波段频率2，频率1和频率2 实时的比较，把经过放大的偏差和偏差变化率输入模糊控制器，经过模糊控制器调节输出Pi调节系数Kp和Ki，快速调节LED灯阵的高频亮灭，使LED灯阵的LED灯能够实现快速跟随声音信号亮灭，各LED灯都能准确快速点亮和消亮，满足音乐频谱中对于频谱显示各频段幅值的要求。
该发明的有益之处是，当LED频谱所显示的幅值高于纵向LED数量的时候，即某些频段“鼓了包”就是说这些频段过强，采用模糊控制的方法可以自动调节这些过强频段和频谱整体使之按正常比例显示。通过实施本控制方法，可以更加精确的处理LED亮灭跟随音频变化失真的问题，提高频谱显示的精确性和稳定性。
附图说明
图1为LED频谱亮度变化的模糊控制结构示意图:图中：1--音乐信号；2--模糊控制规则；3--频谱控制电路；4--频谱灯光；e——音频信号频率和频谱信号频率差值，——音频信号频率和频谱信号频率差值变化率，K1，K,2——调节系数，E和——偏差和偏差变化率，Kp，和Ki——PI调节参数，u——输出控制量。
图2为本发明整体电路结构框架示意图:1--音源；2--前级放大电路；3--音频功放；4--音箱；5--负压产生电路；6--电源模块；7--加法电路；8--信号放大电路；9--AD数模转换电路；10--MCU，采用MK60DX255VLQ104N22DQCTAC1304T芯片；11--LED显示屏；12--电压跟随电路。
图3为本发明的前级放大电路电路图:功能：输入原始音频源信号，输出功率放大后的音频信号。由于功放放大倍数不能满足音乐响度要求，另附加此电路放大音频信号，增强音乐响度。采用芯片：LM358。
图4为本发明的负电压产生器电路图:功能：输入5V电压输出 -5V电压，为音频放大器供电。采用芯片：ILC7660。
图5为本发明AD偏压采集电路电路图：功能：完成信号提升，信号放大和A/D转换功能。信号提升：因为音频信号为交流信号，需要将其转换成直流信号才能进行A/D转换。使用加法电路，将原始信号电压加上一个参考电压，可以将交流信号抬升，将负电压抬升到零上，从而使交流电转换成直流电。 采用LM358芯片。信号放大电路：将转换成的直流小信号放大，便于MCU进行数字处理（滤波、FFT变换等）。采用LM358芯片。A/D转换电路：将模拟信号转换成数字信号输出给MCU进行数字处理，最终输出到LED显示屏。采用ADS7883芯片。
图6为本发明实时时钟电路的电路图：功能：提供准确的时间，采用DS1302芯片。
图7为本发明稳压电路电路图：功能：给整个系统供电，采用LM2596芯片。
图8为本发明的CPU供电电路图：功能：为CPU提供3.3V电压，采用LM1117-3.3芯片。
实施方式
参照说明书附图对本发明的LED频谱显示随音频变化过程及其控制方法做以下说明。具体操作是：当音频信号不断变化时，音频信号的不同频段幅值发生变化。首先通过加法电路，将原始音频信号电压加上一个参考电压，将交流信号抬升，将负电压抬升到零上，从而使交流电转换成直流电，同时利用电压跟随器以保证参考电压稳定性。后经A/D转换，再经傅里叶变换，提取各频段频率幅值与LED灯频谱显示的各频段幅值进行比较，可以得出各频段幅值偏差和偏差变化率。然后经过比例放大后，送入模糊控制器， 模糊控制器根据幅值偏差和偏差变化率做出判断，调节PI参数，从而调节控制LED灯阵中相应灯的亮灭，从而调节频谱的变化，最终LED频谱能够较为精确的跟踪显示音频的各频段声音信号的幅值，并动态实时显示出来，形成一个美妙的灯光随声音而变化的频谱。

Claims (4)

1.本发明的关键点设计一种采用LED灯阵显示声音信号的频谱的显示装置，利用自适应模糊控制算法实现对LED音乐频谱中灯光变化亮度的控制;实时的采集音乐播放过程中音频信号，经过傅里叶变换，提取出各种频段的频率，跟反馈的频率比较，把比较的差值和差值变化率送入自适应模块控制器，通过自适应模糊控制器，调节各LED灯的亮灭以实现亮度变化，使LED频谱能够快速随声音信号改变亮度，能够准确反映音律变化，满足准确显示各频段幅值的要求。
2.根据权利要求1所述的LED灯阵显示声音信号的频谱的显示装置和控制方法，其特征在于将声音信号进行傅里叶变换，提取幅值最大的50个谐波幅值，送入自适应模糊控制器，然后在LED灯阵的50列中显示，每列有100个LED灯。
3.根据权利要求1所述的快速跟踪声音信号变化显示的控制方法，其特征在于利用傅里叶变换后的自适应模糊控制方法对LED频谱中音频信号快速跟踪，保证LED变化速率紧跟音频信号的变化速率。
4.根据权利要求1所述的显示声音信号频谱的显示装置，其特征在于自适应模糊控制方法对LED灯阵的显示实时的调整，实时显示的是同一时刻声音信号各频段的幅值占最大幅值的比例，所以不会出现饱和的现象。
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