【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）---WS2812幻彩灯带

时间：2023-09-28 13:37:02 10灯条连接器内置电阻led灯珠

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。

有趣有趣的音乐可视化系列小项目(11)—WS2812幻彩LED灯带

每米30灯白底裸板

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
#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 
#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
#include
#include

// 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

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【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目（11）---WS2812幻彩灯带

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