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【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

驴友花雕 驴友花雕 2021-11-20 20:27:49
2
0
简单

偶然心血来潮,想要做一个声音可视化的系列专题。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。

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造物记
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目(01)---LED节奏灯
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311363.html
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目(02)---OLED频谱灯
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311365.html
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目(03)---RGB律动灯
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311366.html
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目(04)---WS2812条灯
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311377.html
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目(05)---WS2812柱跳灯
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311378.html
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化项目(06)---点阵频谱灯 
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311379.html
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(07)---大方格频谱灯
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311429.html
【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏
https://makelog.dfrobot.com.cn/article-311463.html

8X32 LED点阵显示级联模块,MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示,也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路,段字驱动器,而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式,模拟和数字亮度控制,一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据,还有一个让所有LED发光的检测模式。只需要3个IO口即可驱动1个点阵!

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MAX7219
是美国MAXIM 公司推出的多位LED 显示驱动器,采用3 线串行接口传送数据,可直接与单片机接口连接,用户能方便修改其内部参数,以实现多位LED 显示。它内含硬件动态扫描电路、BCD译码器、段驱动器和位驱动器。此外,其内部还含有8X8 位静态RAM,用于存放8 个数字的显示数据。显然,它可直接驱动64 段LED点阵显示器。当多片MAX7219 级联时,可控制更多的LED 点阵显示器。显示的数据通过单片机数据处理后,送给MAX7219 显示。

MAX7219/MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示,也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路,段字驱动器,而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。MAX7221与SPI™、QSPI™以及 MICROWIRE™相兼容,同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI(电磁干扰)。一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219/MAX7221同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式,模拟和数字亮度控制,一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据,还有一个让所有LED发光的检测模式。

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模块电原理图

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接线示意图

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MAX9814是一款低成本高性能麦克风放大器,具有自动增益控制(AGC)和低噪声麦克风偏置。器件具有低噪声前端放大器、可变增益放大(VGA)、输出放大器、麦克风偏置电压发生器和AGC控制电路。
●自动增益控制(AGC)
●3种增益设置(40dB、50dB、60dB)
●可编程动作时间
●可编程动作和释放时间比
●电源电压范围2.7V~5.5V  
●低THD:0.04% (典型值)
●低功耗关断模式
●内置2V低噪声麦克风偏置

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【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之一:八段分频8X8点阵屏的音乐频谱灯

 

   实验开源代码

代码 代码
	                    					/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏
  项目之一:八段分频8X8点阵屏的音乐频谱灯
  接脚连线:MAX9814 接A0
  MAX7219 UNO
  VCC →→→→→ 5V
  GND →→→→→ GND
  DIN →→→→→ D11(数据,数据接收引脚)
  CS →→→→→ D10(负载,命令接收引脚)
  CLK →→→→→ D13(时钟,时钟引脚)
*/

#include "LedControl.h"

/* Led matrix - Max7219 Declared */
LedControl lc = LedControl(11, 13, 10, 1);

const int maxScale = 11;

/* Sensor - Max9812 Declared */
const int sensorPin = A0;
const int sampleWindow = 50; // 50ms = 20Hz
unsigned int sample;

unsigned long startMillis;
unsigned long timeCycle;

unsigned int signalMax = 0;
unsigned int signalMin = 1024;
unsigned char index = 0;

unsigned int peakToPeak[8];
unsigned int displayPeak[8];
unsigned int temp[8] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
unsigned int signalMaxBuff[8];
unsigned int signalMinBuff[8];


void setup() {
  // Led matrix
  lc.shutdown(0, false); // bật hiện thị
  lc.setIntensity(0, 2); // chỉnh độ sáng
  lc.clearDisplay(0); // tắt tất cả led

  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  startMillis = millis();
  //peakToPeak = 0;

  signalMax = 0;
  signalMin = 1024;

  // Get data in 50ms
  while (millis() - startMillis < sampleWindow) {
    sample = analogRead(sensorPin);

    if (sample < 1024) {
      if (sample > signalMax) {
        signalMax = sample;
      }
      if (sample < signalMin) {
        signalMin = sample;
      }
    }

    // 20Hz - 64Hz - 125Hz - 250Hz - 500Hz - 1kHz (timeCycle = 1/F)(ms)
    timeCycle = millis() - startMillis;
    if (timeCycle == 1 || timeCycle == 2 || timeCycle == 4 || timeCycle == 8
        || timeCycle == 16 || timeCycle == 32 || timeCycle == 40 || timeCycle == 50) {
      signalMaxBuff[index] = signalMax;
      signalMinBuff[index] = signalMin;
      index = (index + 1) % 8;
      delay(1);
      Serial.println(timeCycle);
    }
  }

  // Delete pointer to array
  index = 0;

  // Calculation after get samples
  for (int i = 0; i < 8; i++) { // i = row (led matrix)
    // sound level
    peakToPeak[i] = signalMaxBuff[i] - signalMinBuff[i];

    // Map 1v p-p level to the max scale of the display
    displayPeak[i] = map(peakToPeak[i], 0, 1023, 0, maxScale);

    // Show to led matrix
    displayLed(displayPeak[i], i);

    // Led drop down
    if (displayPeak[i] >= temp[i]) {
      temp[i] = displayPeak[i];
    }
    else {
      temp[i]--;
    }

    lc.setLed(0, i, temp[i], true);
    delayMicroseconds(10);
  }

}

void displayLed(int displayPeak, int row) {
  switch (displayPeak) {
    case 0 : lc.setRow(0, row, 0x80); break;
    case 1 : lc.setRow(0, row, 0xC0); break;
    case 2 : lc.setRow(0, row, 0xE0); break;
    case 3 : lc.setRow(0, row, 0xF0); break;
    case 4 : lc.setRow(0, row, 0xF8); break;
    case 5 : lc.setRow(0, row, 0xFC); break;
    case 6 : lc.setRow(0, row, 0xFE); break;
    case 7 : lc.setRow(0, row, 0xFF); break;
  }
}
	                    				

   实验场景动态图

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 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

  项目之一:八段分频8X8点阵屏的音乐频谱灯

  

 实验视频剪辑

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTMyMzM2MA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图之二

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   实验视频剪辑

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTcwMzUyNA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

   实验开源代码

代码 代码
	                    					/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏
  项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪
  接脚连线:MAX9814 接A0
  MAX7219 UNO
  VCC →→→→→ 5V
  GND →→→→→ GND
  DIN →→→→→ D11(数据,数据接收引脚)
  CS →→→→→ D10(负载,命令接收引脚)
  CLK →→→→→ D13(时钟,时钟引脚)
*/

#include <arduinoFFT.h>
#include <MD_MAX72xx.h>
#include <SPI.h>

#define SAMPLES 64
#define HARDWARE_TYPE MD_MAX72XX::FC16_HW
#define MAX_DEVICES  4
#define CLK_PIN   13
#define DATA_PIN  11
#define CS_PIN    10
#define  xres 32
#define  yres 8


int MY_ARRAY[] = {0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255};
int MY_MODE_1[] = {0, 128, 192, 224, 240, 248, 252, 254, 255};
int MY_MODE_2[] = {0, 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1};
int MY_MODE_3[] = {0, 128, 192, 160, 144, 136, 132, 130, 129};
int MY_MODE_4[] = {0, 128, 192, 160, 208, 232, 244, 250, 253};
int MY_MODE_5[] = {0, 1, 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255};


double vReal[SAMPLES];
double vImag[SAMPLES];
char data_avgs[xres];

int yvalue;
int displaycolumn , displayvalue;
int peaks[xres];
const int buttonPin = 2;
int state = HIGH;
int previousState = LOW;
int displaymode = 1;
unsigned long lastDebounceTime = 0;
unsigned long debounceDelay = 50;


MD_MAX72XX mx = MD_MAX72XX(HARDWARE_TYPE, CS_PIN, MAX_DEVICES);
arduinoFFT FFT = arduinoFFT();



void setup() {

  ADCSRA = 0b11100101;
  ADMUX = 0b00000000;
  pinMode(buttonPin, INPUT);
  mx.begin();
  delay(50);
}

void loop() {
  // ++ Sampling
  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++)
  {
    while (!(ADCSRA & 0x10));
    ADCSRA = 0b11110101 ;
    int value = ADC - 512 ;
    vReal[i] = value / 8;
    vImag[i] = 0;
  }

  FFT.Windowing(vReal, SAMPLES, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);
  FFT.Compute(vReal, vImag, SAMPLES, FFT_FORWARD);
  FFT.ComplexToMagnitude(vReal, vImag, SAMPLES);

  int step = (SAMPLES / 2) / xres;
  int c = 0;
  for (int i = 0; i < (SAMPLES / 2); i += step)
  {
    data_avgs[c] = 0;
    for (int k = 0 ; k < step ; k++) {
      data_avgs[c] = data_avgs[c] + vReal[i + k];
    }
    data_avgs[c] = data_avgs[c] / step;
    c++;
  }

  for (int i = 0; i < xres; i++)
  {
    data_avgs[i] = constrain(data_avgs[i], 0, 80);
    data_avgs[i] = map(data_avgs[i], 0, 80, 0, yres);
    yvalue = data_avgs[i];

    peaks[i] = peaks[i] - 1;
    if (yvalue > peaks[i])
      peaks[i] = yvalue ;
    yvalue = peaks[i];
    displayvalue = MY_ARRAY[yvalue];
    displaycolumn = 15 - i;
    mx.setColumn(displaycolumn, displayvalue);
  }

  displayModeChange ();
}

void displayModeChange() {
  int reading = digitalRead(buttonPin);
  if (reading == HIGH && previousState == LOW && millis() - lastDebounceTime > debounceDelay)

  {

    switch (displaymode) {
      case 1:
        displaymode = 2;
        for (int i = 0 ; i <= 8 ; i++ ) {
          MY_ARRAY[i] = MY_MODE_2[i];
        }
        break;
      case 2:
        displaymode = 3;
        for (int i = 0 ; i <= 8 ; i++ ) {
          MY_ARRAY[i] = MY_MODE_3[i];
        }
        break;
      case 3:
        displaymode = 4;
        for (int i = 0 ; i <= 8 ; i++ ) {
          MY_ARRAY[i] = MY_MODE_4[i];
        }
        break;
      case 4:
        displaymode = 5;
        for (int i = 0 ; i <= 8 ; i++ ) {
          MY_ARRAY[i] = MY_MODE_5[i];
        }
        break;
      case 5:
        displaymode = 1;
        for (int i = 0 ; i <= 8 ; i++ ) {
          MY_ARRAY[i] = MY_MODE_1[i];
        }
        break;
    }

    lastDebounceTime = millis();
  }
  previousState = reading;
}
	                    				

   实验场景动态图

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏
   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

   实验视频剪辑

https://v.youku.com/v_show/id_XN ... hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图2

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏
   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

   实验视频剪辑2

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTM4NjE4NA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景图

用杜邦线引出D2管脚,作为触摸开关,可以转换五种显示频谱的模式,后面还有三种

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

 

   实验视频剪辑 3

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTQ2NDIzMg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

 

   实验视频剪辑 4

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTc5OTQ0MA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.3

   实验场景动态图

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

 

   实验视频剪辑 5

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTM5MTA1Mg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.5

   实验场景动态图

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

   实验视频剪辑 6

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTY3NTQwNA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

 

   实验视频剪辑 7

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMjA0MTI1Mg==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图7 

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之二:多档arduinoFFT浮点32段频谱仪

 

   实验视频剪辑 8

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMjA0MTM2MA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图 8 

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  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之三:红绿色32段级联频谱点阵屏灯(FFT算法)

   

   实验开源代码

代码 代码
	                    					/*
  【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏
  项目之三:红绿色32段级联频谱点阵屏灯(FFT算法)
  接脚连线:MAX9814 接A0
  MAX7219 UNO
  VCC →→→→→ 5V
  GND →→→→→ GND
  DIN →→→→→ D11(数据,数据接收引脚)
  CS →→→→→ D10(负载,命令接收引脚)
  CLK →→→→→ D13(时钟,时钟引脚)
*/

#include <arduinoFFT.h>

#include <MD_MAX72xx.h>

#include <SPI.h>

MD_MAX72XX disp = MD_MAX72XX(MD_MAX72XX::FC16_HW, 10, 1);

arduinoFFT FFT = arduinoFFT();

double realComponent[64];

double imagComponent[64];

int spectralHeight[] = {0b00000000, 0b10000000, 0b11000000,

                        0b11100000, 0b11110000, 0b11111000,

                        0b11111100, 0b11111110, 0b11111111
                       };

int index, c, value;

void setup()

{

  disp.begin();

  Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

  int sensitivity = map(analogRead(A0), 0, 1023, 50, 100);

  Serial.println (analogRead(A0));

  for (int i = 0; i < 64; i++)

  {

    realComponent[i] = analogRead(A7) / sensitivity;

    imagComponent[i] = 0;

  }

  FFT.Windowing(realComponent, 64, FFT_WIN_TYP_HAMMING, FFT_FORWARD);

  FFT.Compute(realComponent, imagComponent, 64, FFT_FORWARD);

  FFT.ComplexToMagnitude(realComponent, imagComponent, 64);

  for (int i = 0; i < 32; i++)

  {

    realComponent[i] = constrain(realComponent[i], 0, 80);

    realComponent[i] = map(realComponent[i], 0, 80, 0, 8);

    index = realComponent[i];

    value = spectralHeight[index];

    c = 31 - i;

    disp.setColumn(c, value);

  }

}
	                    				

 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之三:红绿色32段级联频谱点阵屏灯(FFT算法)

 

   实验视频剪辑 1

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMjA0Mjg0NA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.3

   实验场景动态图

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 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目(08)---四位32段点阵屏

   项目之三:红绿色32段级联频谱点阵屏灯(FFT算法)

 

   实验视频剪辑 2

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMTc1NTk2OA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图 2

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 【花雕动手做】有趣好玩的音乐可视化系列小项目

   项目之四:FFT算法的双点阵屏的动态频谱仪

 

   实验视频剪辑 

 

https://v.youku.com/v_show/id_XNTgyMjEwNjcwMA==.html?spm=a2hcb.playlsit.page.1

   实验场景动态图

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Arduino 系列传感器和执行器模块实验目录清单:
一块扩展板完成Arduino的10类37项实验(代码+图形+仿真)
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-280845-1-1.html
连杆形式的腿机构十一种:盘点机器人行走背后的机械原理
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-308097-1-1.html
【花雕动手做】超低成本,尝试五十元的麦克纳姆轮小车!
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-307863-1-1.html
【花雕动手做】超迷你哦,用徽商香烟盒做个智能小车!
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-307907-1-1.html
【花雕动手做】太搞笑啦,一支胶管制成二只蠕动机器人
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-308046-1-1.html
【花雕动手做】快餐盒盖,极低成本搭建机器人实验平台
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-308063-1-1.html
【花雕动手做】特别苗条,使用微波传感器控制的纤细小车
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-308866-1-1.html
【花雕动手做】脑洞大开、五花八门的简易机器人66种
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-307900-1-1.html
【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(1)---LED节奏灯
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-311167-1-1.html
【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(2)---OLED频谱灯
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-311174-1-1.html
【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(3)---RGB律动灯
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-311183-1-1.html
【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(4)---WS2812条灯
https://mc.dfrobot.com.cn/thread-311190-1-1.html
【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(5)---WS2812柱跳灯
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【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(6)---点阵频谱灯
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【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(7)---大方格频谱灯
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【花雕动手做】看见声音,基于Arduino系列音乐可视器(8)---四位32段点阵屏
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实验一百五十八:QMC5883L电子指南针罗盘模块 三轴磁场传感器GY-271
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实验一百六十三:BMI160 6轴惯性运动传感器 16位3轴加速度+超低功耗3轴陀螺仪  I2C/SPI 14LGA
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实验一百六十五:2.4 英寸 TFT LCD 触摸屏模块 XPT2046 PCB ILI9341 240x320 像素 8 位 SPI 串口显示器 300mA
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实验一百七十六:6mm大尺寸8x8LED方块方格点阵模块 可级联 红绿蓝白色 可选8级亮度
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实验一百七十九:0.66英寸OLED显示模块 液晶屏模块IIC/I2C接口 64*48像素 SSD1306驱动芯片
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实验一百八十一:1.3寸OLED液晶屏  I2C IIC通信 4针模块 1106/1306驱动 128*64像素
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实验一百八十三:GY-530 VL53L0X 激光测距 ToF测距 飞行时间测距传感器模块 IIC通信协议
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实验一百八十五:MAX4466声音传感器 驻极体话筒放大器 麦克风可调功放模块 microphone
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实验一百八十九:TDA1308 硅麦克风 数字咪头放大模块 拾音器放大板 楼氏SUNLEPHANT
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实验一百九十三:TCS34725颜色识别传感器 RGB IIC明光感应模块 ColorSensor
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实验二百:RCWL-0515微波雷达感应开关 人体感应 智能感应探测传感器 12-15米远距离2.7G微波检测模块
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实验二百零一:OPT101模拟光照传感器 TEMT6000光强度模块 单片光电二极管 YourCee
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实验二百零三:Air724UG合宙 Cat14G模块 DTU物联网UART串口通信数据TCP透传 核心板组合套餐
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实验二百零七:I2C红色8*8LED点阵模块ht16k33驱动1088BS树莓派物联网可扩展编程
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实验二百零九:Gravity: I2C & UART BC20 NB-IoT & GNSS通信模块 NB-IoT广域低功耗无线通信 GPS/北斗精准定位
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实验二百一十七:2.9寸epd电子纸屏模块 spi电纸屏  黑白红三色eink墨水屏QYEG0290BNS800F6
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