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：STC32G12K128
32 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：STM32F103C8T6
ARM 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。
