描述

我想稍微修飾一下我的房間，所以我決定選擇一些基本的 LED 燈條。不僅僅是靜態地照亮事物，我還想讓燈光能夠對通過揚聲器播放的音樂做出反應。具體來說，我的目標是制作一個對聲音頻率做出反應的照明系統。我找不到任何簡單的軟件和硬件指令來做到這一點，所以我們來了！

這個項目的主要目標是簡單。您可以在不到一小時的時間內以低于 40 美元的價格建造它。

第 1 步：零件

該項目可以完全使用來自 Sparkfun 的面包板兼容組件構建。查看完整列表的零件部分，但需要注意的一點是，當然可以將此處的零件替換為其他零件。

幾乎任何微控制器都可以在這里工作，盡管它至少應該和 Arduino Uno (16 MHz ATmega328) 一樣快。響應速率的限速步驟是傅立葉變換，因此像基于 Cortex M 系列的微控制器將具有驚人的速度。您還需要弄清楚您選擇的任何微控制器的寄存器設置，所以我推薦基于 ATmega328 的東西。

任何與 Adafruit 的 NeoPixel 庫兼容的燈條都可以使用。最后，您可能需要兩個電源（一個用于燈，一個用于微控制器）。

第2步：電路

如您所見，電路并不是特別復雜。有關更多詳細信息，請參見上圖，但基本連接如下所示：

5V 電源 -> Barrel Jack -> LED Strip Vin

5V 電源 -> Barrel Jack -> LED 燈條接地和微控制器接地

微控制器 5V 輸出 -> 麥克風模塊 Vin

微控制器接地 -> 麥克風模塊接地

微控制器引腳 2 -> LED 燈條數據輸入

微控制器 A0 -> 麥克風模塊音頻輸出

注意事項：

連接 LED 燈條：列出的 SparkFun LED 燈條使用紅色、綠色和白色電線。紅色是電源輸入，接地是數據輸入，白色是接地。您可以將跳線直接插入母連接器引腳以進行連接。確保連接右端 - 有一個箭頭指示數據必須流向哪個方向。

單獨的電源：我發現當燈連接到與微控制器相同的電源時，聲音分析變得非常嘈雜。我將此歸因于導致電壓波動的 LED 燈條。出于這個原因，我建議使用單獨的電源為您的燈供電。

電平轉換音頻輸出：這個 SparkFun 模塊很不錯，因為它具有放大麥克風音頻和將音頻電平集中在電源電壓一半的組件。如果您使用不同的模塊，它可能無法完成這兩項任務，所以要小心。如果音頻沒有被放大并且電平沒有改變，你可能不會有很好的結果。

使用多個燈條：當然可以將多個 LED 燈條連接在一起。但是，如果您這樣做，請注意您可能需要一個能夠提供大量電流（3 安培以上）的電源。

第 3 步：軟件

您可以在附件部分和GitHub 上找到該軟件。該軟件需要以下庫，這兩個庫都可以直接從 Arduino 庫管理器中安裝：

arduinoFFT

Adafruit NeoPixel

關于該軟件需要注意的一項是采樣。奈奎斯特采樣定理規定，為了捕獲信號，您需要對其采樣速度至少是信號中變化最快的分量的兩倍。如果我們想要捕獲包含有意義頻率到大約 20 kHz 的音頻信號，我們需要以大于 40 kHz 的速率進行采樣。Arduino 的analogRead 函數太慢了，所以我們必須操縱一些微控制器寄存器來直接訪問模數轉換器（ADC）數據。歸功于本教程的寄存器操作代碼。此代碼是特定于設備的，因此如果您不使用基于 ATmega328 的板，則需要修改這些設置以在您自己的微控制器上工作。

我們實際上使用快速傅里葉變換 (FFT) 提取頻率信息。如果將時域中的 N 個真實樣本（即沒有相位信息）的數組輸入到 FFT 函數中，您將得到頻域中的 N 個點的數組，其中一半是冗余的。由于我們在 40 kHz 左右采樣，因此最大頻率分量將在 20 kHz 左右（根據上述采樣定理）。我的代碼使用 64 個樣本，因此我們得到的頻率分辨率為 20000/(64/2) = 625 Hz。

然后我提取最大幅度的頻率分量，并根據這個分量的頻率改變光的顏色。我將此頻率映射到 0 到 255 之間的范圍，并按如下方式創建顏色，其中 X 軸是映射頻率，Y 軸是每個顏色通道的幅度：

最低頻率用綠色表示，最高頻率用紅色表示。其間的頻率以顏色組合表示。我非常喜歡這種可視化，但其他的當然是可能的。另一件需要注意的事情是，如果信號高于某個音量，我只會顯示顏色。如果不是，則條帶將顯示暗白色。我發現當沒有音樂播放時燈光閃爍很煩人。您可以相應地調整 sound_thresh 變量。

要調整的事情：

變量 loop_num 是 FFT 將一起計算和平均的次數。如果你發現你的燈太緊張，增加這個數字！

變量 sound_thresh 是燈光開始改變顏色的聲音閾值。如果您發現音樂需要非常響亮才能讓燈光開始做出反應，您可以降低此數字，或者如果您不希望燈光閃爍，則可以增加此數字。

變量樣本是傅里葉變換的輸入向量的大小。試著玩弄這個數字，但要保持它的 2 次方。

編譯代碼并將其上傳到您的微控制器，您應該一切就緒！

第 4 步：安裝和后續步驟

基本上就是這樣——如果你正確連接了所有東西，你現在就有了一個功能強大的音樂可視化器。安裝應該很簡單 - 只需選擇一個可以使用電源插座的位置。大多數條帶都有背膠，因此您幾乎可以將它們粘貼在任何地方。顯然，您可以做很多事情來修改這個項目。這里有一些想法：

改變顏色：如果你不喜歡我的顏色選擇，你可以改變這個軟件來創建你自己的！

使用音量而不是頻率：SparkFun 聲音檢測器模塊還有一個稱為“ENVELOPE”的引腳，它是聲音整體音量的量度。您可以使用analogRead 對該引腳進行采樣，刪除FFT 代碼，然后根據聲級修改顏色。

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