基于FireBeetle 2 ESP32-E音乐频谱仪

内容介绍

基于FireBeetle 2 ESP32-E音乐频谱仪

——Funpack第二季第三期：FireBeetle 2 ESP32-E IoT 开发板

项目介绍

用FireBeetle ESP32-E开发板作为控制单元，搭配显示屏移植lvgl图形库，动态显示任意一个及以上传感器采集到的数据，或者使用触摸屏对执行器进行控制。

设计思路

使用FireBeetle ESP32-E开发板板载ADC对声音模块电压信号进行连续采样，采样完成后将声音ADC数据进行FFT变换，然后将FFT变换后的数据通过LVGL的图表显示在1.9寸TFT屏幕上。

硬件设计

主控使用FireBeetle ESP32-E开发板，由DFRobot公司设计生产，FireBeetle ESP32-E是一款基于ESP-WROOM-32E双核芯片的主控板，支持WIFI和蓝牙双模通信并具有体积小巧、超低功耗、板载充电电路、接口易用等特性。可灵活的用于家庭物联网改装、工业物联网改装、可穿戴设备等等。

· 拥有更丰富的软硬件资源

· 体积小巧，仅25.4 × 60 mm

· ESP32双核低功耗主控，WiFi+BT4.0二合一

· GDI显示接口，可以单线连接显示屏

· 板载充电电路以及PH2.0锂电池接口

FireBeetle Board-ESP32-E

传感器使用的是模拟声音传感器，可用来对周围环境中的声音强度进行检测，具有300倍的放大器，输出模拟信号能使用3.3V和5V为基准AD采集，可以用来实现根据声音大小进行互动的效果。

模拟声音传感器

屏幕显示拓展板使用立创EDA软件设计了FireBeetle ESP32-E的TFT拓展板，板载1.9寸TFT屏幕、SHT30温湿度模块、4个触摸按键和3Pin外接接口。

原理图如下：（需要注意引脚34-39只能用做输入）

屏幕显示拓展板渲染图如下图：

FireBeetle ESP32-E开发板与屏幕显示拓展板装配效果如下图：

软件设计

软件开发使用PlatformIO进行开发，框架使用Arduino，上手较简单，同时Arduino提供十分丰富的库，大大加快了开发速度。

音乐频谱显示

声音频谱显示效果如下图：

FFT使用的是arduinoFFT库，通过将ADC的声音信号多次采样，然后进行FFT运算。

void Adc_fft(void)
{
    sampling_period_us = round(1000000*(1.0/samplingFrequency));
    microseconds = micros();
    for(int i=0; i<samples; i++)
    {
        vReal[i] = analogRead(ADC_PIN);
        vImag[i] = 0;
        while(micros() - microseconds < sampling_period_us){
        //empty loop
        }
        microseconds += sampling_period_us;
    }
    /* Print the results of the sampling according to time */
    FFT.Windowing(vReal, samples, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);    /* Weigh data */
    FFT.Compute(vReal, vImag, samples, FFT_FORWARD); /* Compute FFT */
    FFT.ComplexToMagnitude(vReal, vImag, samples); /* Compute magnitudes */
    Serial.println("Computed magnitudes:");
    PrintVector(vReal, (samples >> 1), SCL_FREQUENCY);
    double x = FFT.MajorPeak(vReal, samples, samplingFrequency);
    Serial.println(x, 6); //Print out what frequency is the most dominant.
}

FFT显示使用的是LVGL的chart控件，直接将运算的数据赋值到屏幕上进行显示。

void ui_FFT(void)
{
    /*Create a chart*/
    chart = lv_chart_create(lv_scr_act());
    lv_obj_set_size(chart, 320, 170);
    lv_obj_align(chart, LV_ALIGN_CENTER, 0, 0);
    lv_chart_set_type(chart, LV_CHART_TYPE_BAR);   /*Show lines and points too*/
    lv_chart_set_point_count(chart, 16);
    lv_chart_set_range(chart, LV_CHART_AXIS_PRIMARY_Y, 0, 2000);

    chart_ser1 = lv_chart_add_series(chart, lv_color_hex(0xfb1505), LV_CHART_AXIS_PRIMARY_Y);
    lv_chart_set_next_value(chart, chart_ser1, vReal[0]);
 
    lv_chart_refresh(chart); /*Required after direct set*/
}

屏幕驱动库使用的是TFT_espi库，这个库作为屏幕开发常用库。

时钟显示器

系统上电后首先连接WIFI，连接成功后通过WIFI获取sntp时间，然后将时钟数据发送到LVGL对应的控件进行显示。因为FireBeetle ESP32-E板载了锂电池充放电电路，因此时钟也可通过电池驱动。

小结

FireBeetle ESP32-E具有丰富的开发方式，深度支持ArduinoIDE，还可以使用MicroPython、Mind+图形化等编程环境。同时ESP32丰富的板载资源使得完成相关的任务较为简单。音乐频谱显示有待优化，可以将不同的柱变换为不同的颜色增加观赏性。

最后，感谢电子森林和硬禾学堂提供的开发板和项目实战计划，同时给出了大量的开源学习资料和教学视频，让我可以很快上手。

源代码上传在附件。