基于Arduino 的音乐播放器设计

王瑜

（西安航空学院机械工程学院，陕西西安 710077）

在生产、生活中需要播放音乐的场合很多，如工厂、图书馆、商场、学校、公园、电子导游、停车场、医疗设备等。随着科技和互联网的快速发展，电子产品随处可见，给人们的生活带来了便利。听音乐可以提升创造力、舒缓压力、解除疲劳、帮助睡眠，传统的多功能音乐播放器面向高端市场，难以普及到大众，而在我国中低端市场才是消费主力军[1]。该文设计了一款基于Arduino UNO 和ESP8266 开发板并结合BY8001 语音模块的音乐播放器。

Arduino UNO 的大脑是ATmega 328P，Arduino UNO 开发板有14 个数字I/O 引脚和6 个模拟输入引脚，一个16 MHz 的晶振，一个USB 接口，一个DC 接口等，硬件资源丰富，使用电池可以驱动，使用方便、成本低。可以通过Arduino IDE 进行编程，并下载到Arduino UNO 开发板中，不需要外接编程器。音乐播放器所有的硬件设备均在Arduino UNO 开发板上进行集成和控制。通过Arduino IDE 软件程序的控制完成各个模块之间接口的数据传递和协同工作[2-3]。ESP8266 开发板上嵌入了ESP8266 芯片，该开发板采用板载PCB 天线，支持STA、AP、STA+AP 三种工作模式，支持无线802.11 b/g/n标准，支持UART/GPIO 数据通信接口[4]，利用ESP8266 开发板获取网络时间，可以实时显示在OLED上。BY8001语音模块采用BY8001-SSOP24 MP3 主控芯片，支持MP3、WAV 格式双解码。模块内置TF 卡座，可插卡进行更换语音内容，支持MP3、WAV高品质音频格式文件，声音优美，模块支持24位DAC输出，其动态范围为90 dB、信噪比为85 dB[5]。

1 系统的结构及工作原理

音乐播放器结构框图如图1 所示，该系统主要由Arduino UNO 开发板、ESP8266 开发板、语音模块、TF 卡、喇叭、OLED 液晶显示器、按键、电源组成[6]。电源给整个系统供电，语音模块、TF 卡、喇叭根据由按键输入的控制信号来播放音乐或语音，在播放前需要将音乐或语音文件复制到TF 卡中。ESP8266 开发板获取网络时间，通过串口发送到Arduino UNO 开发板，利用两个开发板之间的通信，实现网络时间的传输，并显示在OLED 液晶显示器上，从而实现音乐播放器存储音乐或音频文件，并根据按键选择播放音乐或音频、显示播放信息、显示网络时间等功能。

图1 音乐播放器结构框图

2 系统硬件设计

2.1 音乐/语音播放电路

音乐播放器选用BY8001 语音模块作为音乐/语音播放模块，由按键输入信号控制BY8001 语音模块播放TF 卡中的音乐/语音信息。TF 卡中的音乐/语音文件的排序按照存储的先后顺序，为了确保从电脑存入TF卡内的音乐/语音文件的顺序正确。首先，在电脑上将音乐/语音文件命名排序好（在SD 卡内修改音乐/语音文件排序无效），可以将音乐/语音文件命名为0001XXX.MP3、0002XXX.MP3、0003XXX.MP3…。BY8001 语音模块的16 个引脚分别为BUSY（忙信号）、RX、TX、DACR（DAC 右声道输出）、DACL（DAC左声道输出）、SPK1、SPK2、VCC、I/O1～I/O5（触发输入口1～5）、GND、DP（USB 数据线）、DM（USB 数据线）。BY8001 语音模块有五个触发I/O 口，最多支持15 段按键一对一触发播放。音乐播放器的音乐/语音播放电路如图2 所示，按键的一端接地，另一端接BY8001 的I/O1、I/O2 引脚，同时和Arduino UNO 的引脚3、引脚4 连接，该设计的按键选择独立式按键，即每一个I/O 口上只接一个按键，另一端接地，这种接法的优点是编程简单、系统稳定[7-8]。

图2 音乐/语音播放电路

2.2 OLED显示电路

OLED显示电路如图3所示，OLED用来显示当前时间、曲目信息等内容[9]，显示器选取0.96 寸128×64分辨率OLED 液晶显示屏，采用SSD1306 驱动芯片，基于三线SPI 通信的七线制OLED 显示屏模块，采用三条通信线路传输数据[10]。OLED 的7 个引脚分别为GND、VCC（3.3～5 V）D0（时钟线）、D1（数据线）、RES（复位线）、DC（数据命令选择线）和CS（SPI 片选线）。OLED 的7 个引脚和Arduino 的连接关系如下：OLED 的电源接Arduino 的VCC引脚；OLED 的地接Arduino 的GND 引脚；OLED 的D0 接Arduino 的13 引脚；OLED 的D1 接Arduino 的11引脚；OLED 的RES接Arduino 的8引脚；OLED 的DC 接Arduino 的9 引脚；OLED 的CS 接Arduino 的10 引脚[11]。

图3 OLED显示电路

当按下“显示当前时间”按键时，在OLED 液晶显示器上显示当前时间，如图4 所示；当按下“曲目选择”按键时，在OLED 液晶显示器上显示“曲目选择”菜单，如图5 所示；当按下“播放曲目1”按键时，利用音乐/语音播放电路播放TF 卡中的曲目1，并在OLED 液晶显示器上显示曲目1 播放界面，如图6 所示；当按下“播放曲目2”按键时，利用音乐/语音播放电路播放TF 卡中的曲目2，并在OLED 液晶显示器上显示曲目2 播放界面，如图7 所示[12]。

图4 显示当前时间

图5 “曲目选择”菜单

图6 曲目1播放界面

图7 曲目2播放界面

2.3 Arduino UNO和ESP8266开发板通信电路

系统选用ESP8266开发板获取网络时间，ESP8266开发板有丰富的GPIO接口、扩展口和串口等，ESP8266开发板和Arduino UNO 的连接电路如图8 所示。ESP8266 开发板的GND 引脚和Arduino UNO 的GND引脚相连；ESP8266 的GPIO1 引脚和Arduino UNO 的RX 引脚相连；ESP8266 的GPIO3 引脚和Arduino UNO 的TX 引脚相连[13-14]。ESP8266 开发板连接WiFi，获取网络时间，通过串口发送到Arduino UNO，并根据按键功能利用OLED 液晶显示器显示当前时间，这种方法获得的时间精准，只要有网络即可，而不需要校时[15-16]。

图8 ESP8266开发板和Arduino UNO的连接电路

3 软件设计

3.1 OLED软件设计

OLED 液晶显示器是一种高对比度、高分辨率的显示器，具有良好的显示界面，可以显示字符、图形、汉字甚至更高级的动画，极大地提高了系统的可操作性[17]。利用Arduino UNO 控制OLED 液晶显示器显示字符、图形等信息，需要使用OLED 模块的专用库SSD1306 和图形库GFX。

首先，利用PCtoLCD2002 字模提取软件将OLED显示的图形转换为点阵数据。接着，将数据存储到数组中。最后，利用库函数可以实现将图形显示在OLED 液晶显示器上。

3.2 字模提取

文中使用PCtoLCD2002软件提取字模，双击桌面图标，打开软件。软件有图形模式和字符模式两种工作模式，PCtoLCD2002软件图形模式界面如图9所示。

图9 PCtoLCD2002软件图形模式界面

通过选择“模式菜单”，可以切换图形模式或字符模式。选择图形模式，可以将BMP 格式的二值图像转换成OLED 液晶显示屏上显示的数据；选择字符模式，可以将中英文字符、数字等字符转换成OLED 液晶显示屏上显示的数据。PCtoLCD2002 软件字符模式界面如图10 所示。

图10 PCtoLCD2002软件字符模式界面

首先，在图10 中的文本框输入需要转换的文字，例如，输入“西安航空学院”，设置字体等信息，接着，单击“字模生成和液晶面板选项”，设置“字模选项”中的内容，点击“生成字模”图标按钮，生成文字对应的显示数据，如图11 所示。

图11 PCtoLCD2002软件字符模式生成数据

3.3 系统软件设计

Arduino UNO 是基于Atmega328P 的开发板。Arduino IDE 提供了广泛的库函数，易于编程，使用Arduino IDE 可以将程序下载到Arduino UNO 开发板中[18-19]。该系统的软件流程图如图12所示。首先，初始化串口、按键引脚、OLED 液晶显示器等。接着，扫描按键并判断哪个键按下，如果“曲目选择”按键按下，则在OLED 液晶显示器中显示“曲目选择”菜单；如果“曲目选择”按键没有按下，则判断“播放曲目1”按键是否按下，如果“播放曲目1”按键按下，则在OLED 液晶显示器中显示“曲目1 播放”界面，并控制BY8001 语音模块播放曲目1；如果“播放曲目1”按键没有按下，判断“播放曲目2”按键是否按下。如果“播放曲目2”按键按下，则在OLED 液晶显示器中显示“曲目2 播放”界面，并控制BY8001 语音模块播放曲目2；如果“播放曲目2”按键没有按下，则判断“显示当前时间”按键是否按下。如果“显示当前时间”按键按下，则读取ESP8266 开发板发送的时间数据[20]；如果“显示当前时间”按键没有按下，则继续扫描按键。

图12 软件流程图

4 结论

该文以Arduino UNO 开发板为核心，以Arduino IDE 作为软件开发平台，设计了一种基于Arduino 的音乐播放器。文中介绍了硬件组成和框图，重点介绍了系统的硬件设计、Arduino UNO 开发板和ESP8266 开发板的通信设计、OLED 软件设计、字模提取、系统软件设计流程。系统具有音乐存储、语音存储、播放、曲目选择、液晶显示、网络时间校准等功能。经过系统测试，该系统能够正常工作，稳定性强，达到了设计要求，非常适合在工厂、图书馆、商场、学校、公园等场合应用。