【花雕动手做】看见声音，基于Arduino系列音乐可视器（31）

偶然心血来潮，想要做一个音乐可视化的系列专题。这个专题的难度有点高，涉及面也比较广泛，相关的FFT和FHT等算法也相当复杂，不过还是打算从最简单的开始，实际动手做做试验，耐心尝试一下各种方案，逐步积累些有用的音乐频谱可视化的资料，也会争取成型一些实用好玩的音乐可视器项目。

手头还有几片以前做实验剩下的LCD1602液晶屏模块，正好也试试显示音乐频谱。

1602液晶

也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

LCD
是 Liquid Crystal Display 的简称，意为“液态晶体显示器”，也叫液晶显示器。LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。现在LCD已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分普及。

LCD 构成
1．背光源（或背光模组）——由于液晶分子自身是无法发光的，因此若想出现画面，液晶显示器需要专门的发光源来提供光线，然后经过液晶分子的偏转来产生不同的颜色。而背光源起到的就是提供光能的作用。之前液晶显示器采用的都是名叫CCFL的冷阴极射线管，其发光原理与日光灯几乎完全相同，而现在新品液晶显示器都采用了更加节能、长寿面的LED背光源。灯管（或LED）发光后藉由导光板将光线分布到各处，通过背面的反射板将所有的光线的方向集中朝向液晶分子。最后光线通过prism sheet以及扩散板将光线均匀的散发出去，避免出现中央亮度过高、四周亮度过低的情况。
2．上下层两个偏光片——偏光片的作用是让光线从单方向通过。
3．上层和下层两块玻璃基板——玻璃基板不仅仅是两块玻璃那么简单，其内侧具有沟槽结构，并附着配向膜，可以让液晶分子沿着沟槽整齐的排列。在上、下两层玻璃两侧会贴有TFT薄膜晶体管和彩色滤光片。
4．ITO透明导电层——其作用是提供导电通路，分为像素电极（P级）和公共电极（M级）。在下一页中我们为大家讲解液晶面板结构更多的内容。
5．薄膜晶体管（就是我们经常所说的TFT）——我们经常说TFT-LCD，其实际上指的就是这个薄膜晶体管，它的作用类似于开关，TFT能够控制IC控制电路上的信号电压，并将其输送到液晶分子中，决定液晶分子偏转的角度大小，因此其是非常重要的一个部件。
6．液晶分子层 ——液晶分子层是改变光线偏光状态最重要的元素，通过电力和弹性力共同决定其排列和偏光状态。
7．彩色滤光片——通过液晶分子偏转的光线只能显示不同的灰阶，但是不能提供红、绿、蓝（RGB）三原色，而彩色滤光片则由RGB三种过滤片组成，通过三者混和调节各个颜色与亮度。液晶面板中每一个像素由红、绿、蓝3个点构成，每种颜色的点各自拥有不同的灰阶变化。

LCD1602液晶显示屏1602A模块 蓝屏黄绿屏灰屏5V 3.3V焊排针 IIC/I2C
1602字符型液晶也叫1602液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602模块管脚功能
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1引脚：GND为电源地
第2引脚：VCC接5V电源正极
第3引脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4引脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5引脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。
第6引脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14引脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。
第15引脚背光正极，
第16引脚背光负极。

1602模块电原理图

IIC/I2C接口LCD1602转接板
控制板IO口只有20个，加些传感器、SD卡啥的，继电器等模块多了，IO口就不够用了，原来的1602屏至少需要7个IO口才能驱动起来，这个模块可以帮你省5个IO口。

PCF8574
用于 I2C 总线的远程 8 位 I/O 扩展器，该8位输入/输出（I/O）扩展器用于双线双向总线（I2c），设计用于2.5-V至6-V VCC操作。PCF8574设备通过I2C接口[串行时钟（SCL）、串行数据（SDA）]为大多数微控制器系列提供通用远程I/O扩展。该设备具有一个8位准双向I/O端口（p0-p7），包括用于直接驱动LED的高电流驱动能力的锁存输出。每个准双向I/O可以用作输入或输出，而无需使用数据方向控制信号。通电时，I/O很高。在此模式下，只有VCC的电流源处于激活状态。

参数
1.供电电压：+5V
2.支持I2C协议
3.具有背光灯，和对比度调节电位器
4.4线输出更简单
5.设备地址：0x27

  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之一：点亮屏幕，显示字符“Welcome to Eagler8”
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之一：点亮屏幕，显示字符“Welcome to Eagler8”
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线
*/

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void MyPrintLCD(String MyString) {
  for (int i = 0; i < MyString.length(); i++)
    lcd.write(MyString.charAt(i));
}

void setup() {
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  MyPrintLCD("Welcome to ");
  lcd.setCursor(0, 1);
  MyPrintLCD("         Eagler8");
}

void loop() {
}
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实验场景图

  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之二：屏显示所有键码
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之二：屏显示所有键码
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线
*/

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>//导入1602驱动

#if defined(ARDUINO) && ARDUINO >= 100
#define printByte(args)  write(args);
#else
#define printByte(args)  print(args,BYTE);
#endif

uint8_t bell[8]  = {0x4, 0xe, 0xe, 0xe, 0x1f, 0x0, 0x4};
uint8_t note[8]  = {0x2, 0x3, 0x2, 0xe, 0x1e, 0xc, 0x0};
uint8_t clock[8] = {0x0, 0xe, 0x15, 0x17, 0x11, 0xe, 0x0};
uint8_t heart[8] = {0x0, 0xa, 0x1f, 0x1f, 0xe, 0x4, 0x0};
uint8_t duck[8]  = {0x0, 0xc, 0x1d, 0xf, 0xf, 0x6, 0x0};
uint8_t check[8] = {0x0, 0x1, 0x3, 0x16, 0x1c, 0x8, 0x0};
uint8_t cross[8] = {0x0, 0x1b, 0xe, 0x4, 0xe, 0x1b, 0x0};
uint8_t retarrow[8] = {  0x1, 0x1, 0x5, 0x9, 0x1f, 0x8, 0x4};

// 将 LCD 地址设置为 0x27 以实现 16 个字符和 2 行显示
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void setup() {
  lcd.init();                 //初始化液晶屏
  lcd.backlight();            //打开背光

  lcd.createChar(0, bell);
  lcd.createChar(1, note);
  lcd.createChar(2, clock);
  lcd.createChar(3, heart);
  lcd.createChar(4, duck);
  lcd.createChar(5, check);
  lcd.createChar(6, cross);
  lcd.createChar(7, retarrow);
  lcd.home();

  lcd.print("Hello world...");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print(" i ");
  lcd.printByte(3);
  lcd.print(" arduinos!");
  delay(5000);
  displayKeyCodes();
}

// 显示所有键码
void displayKeyCodes(void) {
  uint8_t i = 0;
  while (1) {
    lcd.clear();
    lcd.print("Codes 0x"); lcd.print(i, HEX);
    lcd.print("-0x"); lcd.print(i + 16, HEX);
    lcd.setCursor(0, 1);
    for (int j = 0; j < 16; j++) {
      lcd.printByte(i + j);
    }
    i += 16;
    delay(4000);
  }
}

void loop() {
}
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实验场景图

实验的视频记录
优酷：https://v.youku.com/v_show/id_XN ... hcb.playlsit.page.1
B站：https://www.bilibili.com/video/B ... 87403d97f8d3cc0b7e5

  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之三：最简显示字符hello world!
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之三：最简显示字符hello world!
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线
*/

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); //配置LCD地址及行列

void setup(){
  lcd.init(); //初始化LCD
  lcd.backlight(); //打开背光
}
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实验场景图

声音模块，使用性价比更高的MAX4466声音传感器。

MAX4466
是微功率运算放大器，经过优化，可用作麦克风前置放大器。它们提供了优化的增益带宽产品与电源电流的理想组合，以及超小型封装中实现低电压工件环境。 MAX4466具有增益稳定特性，仅需24μA的电源电流即可提供200kHz的增益带宽。经过解压缩，可实现+5V/V的最小稳定增益，并提供600KHZ增益带宽。此外这些放大器具有轨到轨输出，高 AVOL ，以及出色的电源抑制和共模抑制比，适合在嘈杂环境中工作。广泛应用于蜂窝电话、数字复读装置、耳机、助听器、麦克风前置放大器、便携计算机和语音识别系统中。

MAX4466模块特点
电源电压：+2.4V至+5.5V（可直接接STM/ARDUNIO/树莓派等开发板）
电源抑制比：112dB
共模抑制比：126dB
AVOL：125dB（RL = 100kΩ) 轨到轨输出
静态电源电流：24μA
增益带宽：600kHz
尺寸：20.8mm x 13.8mm x 7.5mm/0.8 x 0.5 x 0.3inch

该模块在 Vcc 和接地引线上都包含铁氧体，以最大限度地减少电源噪声。如果与 MCU 一起使用，最好使用 2.4V – 5.5V 范围内可用的最安静的电源。在 Arduino 上，这通常是 3.3V 电源。输出是直流耦合的。当输出信号处于静止状态时，它将位于 Vcc/2。如果 Vcc 为 5V，则输出将为 2.5V。如果输出需要交流耦合，可以在输出引脚和它驱动的电路的输入之间增加一个100uF的电容。背面的小型单圈电位器可让您将增益从 25x 调整到 125x。逆时针旋转电位器会增加增益，而逆时针旋转会降低增益。

  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之四：I2C LCD16x2液晶屏模拟频谱Arduino音乐项目
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线

/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列项目（31）--LCD1602液晶屏
  项目程序之四：I2C LCD16x2液晶屏模拟频谱Arduino音乐项目
  Arduino------LCD1602
  5V-------------VCC
  GND-----------GND
  A4-----------SDA IIC 数据线
  A5-----------SCL  IIC 时钟线
*/

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

// Set the LCD address to 0x27 in PCF8574 by NXP and Set to 0x3F in PCF8574A by Ti
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

int i = 0;
int j = 0;
int randomnum;
int k = 0;
byte customChar1[] = {
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F
};

byte customChar2[] = {
  0x00,
  0x00,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F
};
byte customChar3[] = {
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F,
  0x1F
};
byte customChar4[] = {
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x1F,
  0x1F
};
byte customChar5[] = {
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  0x00
};

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  lcd.init(); //初始化LCD
  lcd.createChar(4, customChar1);
  lcd.createChar(3, customChar2);
  lcd.createChar(2, customChar3);
  lcd.createChar(1, customChar4);
  lcd.createChar(0, customChar5);
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(4, 0);
  lcd.print("Welcome");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("TeachMeSomething");
  delay(2000);
  lcd.clear();
  lcd.backlight(); //打开背光
}

void loop() {
  randomnum = random(6, 9);
  Serial.print ("random numer = ");
  Serial.println (randomnum);

  for (i = randomnum ; i > 0; i = i - 3)
  {
    int z = i;
    Serial.print ("i value = ");
    Serial.println (i);
    Serial.print ("j= ");
    Serial.println (j);
    Serial.print ("k= ");
    Serial.println (k);
    test();
    lcd.setCursor(7, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(7, 1);
    lcd.write(k);
    i--;
    test();
    lcd.setCursor(8, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(8, 1);
    lcd.write(k);
    lcd.setCursor(6, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(6, 1);
    lcd.write(k);
    i--;
    test();
    lcd.setCursor(9, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(9, 1);
    lcd.write(k);
    lcd.setCursor(5, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(5, 1);
    lcd.write(k);

    i--;
    test();
    lcd.setCursor(10, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(10, 1);
    lcd.write(k);
    lcd.setCursor(4, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(4, 1);
    lcd.write(k);

    i--;
    test();
    lcd.setCursor(11, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(11, 1);
    lcd.write(k);
    lcd.setCursor(3, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(3, 1);
    lcd.write(k);

    i--;
    test();
    lcd.setCursor(12, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(12, 1);
    lcd.write(k);
    lcd.setCursor(2, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(2, 1);
    lcd.write(k);

    i--;
    test();
    lcd.setCursor(13, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(13, 1);
    lcd.write(k);
    lcd.setCursor(1, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(1, 1);
    lcd.write(k);

    i--;
    test();
    lcd.setCursor(14, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(14, 1);
    lcd.write(k);
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.write(j);
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.write(k);

    delay(50);
    lcd.clear();

    i = z;
  }
}

void test()
{

  if (i == 8)
  {
    j = 4;
    k = 4;
  }
  if (i == 7)
  {
    j = 3;
    k = 4;
  }
  if (i == 6)
  {
    j = 2;
    k = 4;
  }
  if (i == 5)
  {
    j = 1;
    k = 4;
  }
  if (i == 4)
  {
    j = 0;
    k = 4;
  }
  if (i == 3)
  {
    j = 0;
    k = 3;
  }
  if (i == 2)
  {
    j = 0;
    k = 2;
  }
  if (i == 1)
  {
    j = 0;
    k = 1;
  }
  if (i == 0)
  {
    j = 0;
    k = 0;
  }
}
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实验串口返回情况

实验场景图

实验场景图  动态图