FHT 音频频谱可视化 - 打造绚丽 LED 音乐灯光秀

核心组件清单 (BOM)

核心技术：FHT 与 FFT 的区别

FHT (Fast Hartley Transform，快速哈特莱变换) 与 FFT 同为时频域转换算法，但 FHT 仅处理实数数据，而 FFT 需处理复数。优势在于：

• 内存占用减半：单数组采样，无需实部/虚部双数组
• 计算速度提升 2 倍：避免复数运算与浮点对数运算，改用查表法
• 代价：频率分辨率为采样点数一半 (N/2)，两端精度略低，但用于灯光特效绰绰有余

本项目采用 OpenMusicLabs FHT 库，FHT_N = 128 采样点，输出 64 个频率箱，映射到 32 列显示，每列取 2 个箱平均。

电路设计要点

音频前端电路

1. 分压偏置：两个 100kΩ 电阻分压提供 2.5V 虚拟地，音频信号叠加在其上
2. 保护二极管：1N4007 限幅保护 ADC 引脚防过压
3. 去耦电容：100nF 滤高频噪声，1000µF 稳定 WS2812B 供电
4. 数据线保护：390Ω 串联电阻抑制 WS2812B 数据线过冲

供电设计

• WS2812B 256 颗全白最大电流 ~15A (5V)，实际特效平均电流 1-3A
• 建议使用 5V/5A 以上开关电源，电源正负极分别在矩阵首尾并联供电，减少压降
• Arduino 可通过 USB 或电源 5V 供电，与矩阵共地

功能特性

• 实时频谱瀑布显示：32 列 × 8 行，峰值保持回落动画
• 8 种配色方案：渐变、分段、行变色、列变色、意大利旗、美旗、自定义等
• 按键交互：短按切换配色、长按调节亮度(8 级)
• EEPROM 掉电记忆：自动保存/恢复配色与亮度设置
• EQ 均衡器修正：内置 32 段预置 EQ 曲线补偿人耳听感/麦克风频响
• 启动显示当前设置：开机短暂显示配色编号与亮度等级

完整代码 (FHT 版)

/* FHT Audio Spectrum Visualizer - Janux 2020
 * MIT License | Based on OpenMusicLabs FHT Library
 * Hardware: Arduino Nano, WS2812B 8x32 Matrix
 */
#define LIN_OUT 1
#define FHT_N 128
#include <FHT.h>

#define XRES 32
#define YRES 8
#define LED_PIN 6
#define NUM_LEDS (XRES * YRES)
#include <Adafruit_NeoPixel.h>

#define COLOR_PIN 5
#define BRIGHT_PIN 10
byte displayColor = 0;
byte brightness = 1;
#include <EEPROM.h>
#define CONFIG_START 32
#define CONFIG_VERSION "VER01"

typedef struct { char version[6]; byte displayColor; byte brightness; } config_t;
config_t CONFIG = { CONFIG_VERSION, 0, 1 };

byte yValue;
int peaks[XRES];
byte btnState = HIGH, lastBtnState = LOW;
unsigned long lastDebounce = 0;
const unsigned long debounceDelay = 100;
int dataAvgs[XRES];

Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(NUM_LEDS, LED_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

// EQ 补偿曲线 (32 段)
byte eq[32] = { 60,65,70,75,80,85,90,95,100,100,100,100,100,100,100,100,
                100,100,100,100,100,100,100,100,115,125,140,160,185,200,200,200 };
bool EQ_ON = true;

// 8 套配色方案 (每列 8 行颜色索引)
byte colors[][8] = {
  {170,160,150,140,130,120,1,1},    // 0: 红橙黄绿渐变
  {1,5,10,15,20,25,90,90},          // 1: 蓝青渐变
  {90,85,80,75,70,65,1,1},          // 2: 绿黄红逆序
  {90,90,90,30,30,30,1,1},          // 3: 紫粉混合
  {170,160,150,140,130,120,110,0},  // 4: 自定义(0=白)
  {0}, {0}, {0}                     // 5:按列变色 6:按行变色 7:国旗模式
};

// 自定义字符位图 (用于显示设置数字)
byte charBitmap[] = {
  0x1C,0x10,0x10,0x10,0x10,0x1C,  // 0
  0x08,0x18,0x08,0x08,0x08,0x1C,  // 1
  0x0C,0x12,0x04,0x08,0x10,0x1E,  // 2
  0x0C,0x12,0x02,0x06,0x12,0x0C,  // 3
  0x10,0x10,0x10,0x14,0x1E,0x04,  // 4
  0x1E,0x10,0x1E,0x02,0x12,0x0C,  // 5
  0x1E,0x10,0x10,0x1E,0x12,0x1E,  // 6
  0x1E,0x12,0x1E,0x1E,0x02,0x04,  // 7
  0x08,0x08,0x08,0x0C,0x12,0x0C,  // 8
  0x12,0x12,0x0C,0x1C,0x12,0x1C   // 9
};

void setup() {
  strip.begin();
  // ADC 设置: 自由运行模式, 预分频 32 (16MHz/32=500kHz 采样率)
  ADCSRA = 0b11100101;  // ADEN=1, ADSC=1, ADATE=1, ADIF=1, ADIE=0, ADPS=101(32)
  ADMUX = 0b00000000;   // REFS=00(外部参考), ADLAR=0(右对齐), MUX=0000(A0)

  if (loadConfig()) { displayColor = CONFIG.displayColor; brightness = CONFIG.brightness; }
  strip.setBrightness(brightness * 24 + 8);  // 映射 0-7 -> 8-176
  showSettings(3, true);  // 开机显示配色+亮度
}

void loop() {
  while (1) {
    sampling();         // 采样 128 点
    rearrangeFHT();     // FHT 后重排映射到 32 列
    sendToDisplay();    // 点亮 LED
    colorChange();      // 检查配色按键
    brightnessChange(); // 检查亮度按键
    delay(10);          // 降低刷新率减少闪烁
  }
}

void sampling() {
  for (int i = 0; i < FHT_N; i++) {
    while (!(ADCSRA & 0x10));  // 等待 ADIF 置位
    ADCSRA = 0b11110101;       // 清 ADIF (写 1 清零)
    byte m = ADCL;
    byte j = ADCH;
    int val = (j << 8) | m;    // 10 位 ADC 结果
    val -= 0x0200;             // 转有符号 (以 512 为零点)
    val <<= 6;                 // 扩展为 16 位有符号
    fht_input[i] = val / 8;    // 压缩至 8 位有符号输入 FHT
  }
  fht_window();   // 加窗
  fht_reorder();  // 重排
  fht_run();      // 变换
  fht_mag_lin();  // 线性幅度输出
}

void rearrangeFHT() {
  int step = (FHT_N / 2) / XRES;  // 64/32 = 2
  for (int c = 0, i = 0; i < FHT_N/2; i += step, c++) {
    dataAvgs[c] = 0;
    for (int k = 0; k < step; k++) dataAvgs[c] += fht_lin_out[i + k];
    dataAvgs[c] /= step;
  }
}

void sendToDisplay() {
  for (int x = 0; x < XRES; x++) {
    if (EQ_ON) dataAvgs[x] = dataAvgs[x] * eq[x] / 100;
    dataAvgs[x] = constrain(dataAvgs[x], 0, 80);
    yValue = map(dataAvgs[x], 0, 80, 0, YRES);
    peaks[x] = max(peaks[x] - 1, yValue);  // 峰值保持+回落
    yValue = peaks[x];
    setColumn(x, yValue);
  }
  strip.show();
}

// 蛇形布局坐标映射: DIN 在右下角, 第一列向上, 第二列向下...
int getLedIndex(byte x, byte y) {
  x = XRES - 1 - x;  // 镜像翻转, 使频谱从左向右
  if (x & 1) return (x + 1) * YRES - y - 1;  // 奇列向下
  else return (x + 1) * YRES - YRES + y;     // 偶列向上
}

void setColumn(byte x, byte y) {
  for (byte row = 0; row < YRES; row++) {
    int idx = getLedIndex(x, row);
    if (row < y) {
      uint32_t color;
      switch (displayColor) {
        case 4: color = (colors[4][row] == 0) ? strip.Color(255,255,255) : Wheel(colors[4][row]); break;
        case 5: color = Wheel(x * 16); break;
        case 6: color = Wheel(row * y * 3); break;
        case 7:  // 国旗模式
          if (row < YRES - 2) color = (x & 1) ? strip.Color(0,0,255) : strip.Color(255,0,0);
          else color = strip.Color(255,255,255);
          break;
        default: color = Wheel(colors[displayColor][row]);
      }
      strip.setPixelColor(idx, color);
    } else {
      strip.setPixelColor(idx, 0);
    }
  }
}

// 色轮函数: 0-255 映射 R->G->B->R
uint32_t Wheel(byte pos) {
  pos = 255 - pos;
  if (pos < 85) return strip.Color(255 - pos*3, 0, pos*3);
  if (pos < 170) { pos -= 85; return strip.Color(0, pos*3, 255 - pos*3); }
  pos -= 170; return strip.Color(pos*3, 255 - pos*3, 0);
}

void colorChange() {
  byte reading = digitalRead(COLOR_PIN);
  if (reading == HIGH && lastBtnState == LOW && millis() - lastDebounce > debounceDelay) {
    displayColor = (displayColor + 1) % 8;
    showSettings(1, true);
    saveConfig();
    lastDebounce = millis();
  }
  lastBtnState = reading;
}

void brightnessChange() {
  byte reading = digitalRead(BRIGHT_PIN);
  if (reading == HIGH && lastBtnState == LOW && millis() - lastDebounce > debounceDelay) {
    brightness = (brightness + 1) % 8;
    strip.setBrightness(brightness * 24 + 8);
    showSettings(2, true);
    saveConfig();
    lastDebounce = millis();
  }
  lastBtnState = reading;
}

void showSettings(byte mode, bool show) {
  if (!show) return;
  strip.clear();
  if (mode == 1 || mode == 3) { drawChar(0, 0); drawChar(displayColor + 1, 5); }
  if (mode == 2 || mode == 3) { drawChar(9, XRES - 9); drawChar(brightness + 1, XRES - 4); }
  delay(1000);
  strip.clear();
}

void drawChar(byte val, byte pos) {
  for (int x = 4; x >= 0; x--) {
    for (int y = 5; y >= 0; y--) {
      if ((charBitmap[val * 6 + 5 - y] >> x) & 0x01) {
        strip.setPixelColor(getLedIndex(4 - x + pos, y + 1), Wheel((pos > 10) * 170));
        strip.show();
      }
    }
  }
}

int loadConfig() {
  for (int i = 0; i < 5; i++) if (EEPROM.read(CONFIG_START + i) != CONFIG_VERSION[i]) return 0;
  for (unsigned int i = 0; i < sizeof(CONFIG); i++) *((char*)&CONFIG + i) = EEPROM.read(CONFIG_START + i);
  return 1;
}

void saveConfig() {
  CONFIG.displayColor = displayColor; CONFIG.brightness = brightness;
  for (unsigned int i = 0; i < sizeof(CONFIG); i++) EEPROM.write(CONFIG_START + i, *((char*)&CONFIG + i));
}

制作与调试建议

• 音频输入电平：手机/电脑音量调至 70-80%，避免削波或信号过弱
• EQ 调整：根据音乐类型/麦克风特性修改 eq[] 数组，或添加串口命令动态调整
• 灵敏度微调：修改 constrain(..., 0, 80) 中的上限值，或调整 map 目标范围
• 供电稳定：必须在矩阵首尾并联粗线供电，并在 Arduino 靠近处并联 1000µF 电解电容
• 按键消抖：代码已含软件消抖，硬件可并联 100nF 电容

扩展创意

• 加入麦克风模块 (MAX9814/INMP441) 实现免布线拾音
• 移植到 ESP32，增加 WiFi/BLE 控制、Web 配置界面、多设备同步
• 设计 3D 打印外壳，集成电源开关、旋钮编码器替代按键
• 增加频谱数据串口/蓝牙输出，配合 Processing/Python 可视化

原理图与效果图

详见项目附件：原理图 (含音频前端、WS2812B 供电、按键电路)、实物接线图、运行效果照片。