基于51单片机的吉他调音器系统设计原理设计Word文档格式.docx
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4.3拟采用的研究手段……………………………………………………………4
4.4课题总体设计思路……………………………………………………………5
4.4.1音频采集电路……………………………………………………………5
4.4.2放大电路…………………………………………………………………5
4.4.3滤波电路…………………………………………………………………6
4.4.4整形电路…………………………………………………………………6
4.4.5处理器……………………………………………………………………7
4.4.6电机控制…………………………………………………………………7
4.4.7整体电路图………………………………………………………………7
……………………………………………………………7
…………………………………………………………………………………8
附录一…………………………………………………………………………………9
附录二………………………………………………………………………………10
附录三………………………………………………………………………………11
沈阳工业大学本科生实验报告〔适用理、工专业〕
1.课题背景及意义
作为乐器家族中弦乐器的一员,吉他是一种通过拨动上面一根根的琴弦发出声音的有弦的演奏乐器。
弹奏时用一只手拨动琴弦,另一只手的手指抵在指板上,后者是覆盖在琴颈上的金属小条。
弹奏出来的声音会通过吉他的共鸣箱得到增强。
吉他在不压弦时所弹出来的音,叫吉他的空弦音。
吉他是一种十二平均律乐器,钢琴也是,目前绝大多数的音乐场合都是在使用十二平均律。
利用12平均律的计算方式可以得到每根弦的空弦音对应基频的频率,如下:
1弦空弦,音高E,频率f
=
/
2
^
(
5
12
)
Hz
2弦空弦,音高B,频率
f
10
3弦空弦,音高G,频率f
14
4弦空弦,音高D,频率
19
5弦空弦,音高A,频率f
24
6弦空弦,音高E,频率
29
Hz
吉他的调音方法及其调音工具
吉他、小提琴等弦乐器经常需要进展校音,通过调节弦的张力来调节弦的振动频率(即空弦音的音高)。
作为一个吉它手,调音是必备技术之一,很难想象,一个吉它手每次弹琴前都需要别人替他调弦,那可真是不可思议。
关于调音的方法,主要有以下几类:
〔1〕六音笛法。
六音笛是专门为吉它调音设计的,其六个音与吉它的六根弦在音高和排列顺序上都是一一对应的,所以只要吹响一个笛音,记住其音高,调整相应弦的音高与其一样即可,据此调完六根弦。
〔2〕单音笛法。
单音笛是合适所有乐器调音的工具,自然也包括了吉它。
一套单音笛一般是一组完好的自然音阶,但我们只要选用其中一支笛就可以了,这样随身携带非常方便。
至于选哪个音笛,完全根据自己习惯,但一般是吉它弦的六个音:
E、A、D、G、B、E中的一个。
调音时,先调准与单音笛同音的那根弦,然后据此调准其它弦。
〔3〕听音法。
拿起听筒(或按下免提〕,听到的忙音就是一个国际
标准的A音。
先据此调准第五弦A,然后再据此调好其它弦。
〔4〕听自然泛音法。
调音完毕后,可采用听自然泛音法再加以更准确的校准。
其原理是:
吉它的十二品自然泛音应与空弦音一样。
分别弹出空弦音,以及该弦十二品自然泛音,假如音准一样,那么调弦准确,反之该弦不准,还要调整。
〔5〕听拍音法。
调音初步准确后,找出不同弦上的两个共同音,同时弹响,假如发出的声音是象波浪一样一起一伏的,即有拍音,那么说明其中一弦肯定不准,需再作调校。
因为假如两音频率完全一致,双音合成之后,声波的振幅叠加是完全和谐的,不会出现拍音。
只有频率有差异时,才会产生交织叠加,出现强弱不匀的拍音现象。
〔6〕看弦法。
在已调好的一根弦上找出下一根你要调校的弦的空弦音的位置,弹响,保持其声响,然后调校那根空弦,直到其产生共振为止。
再进一步,可以仔细观察
共振情况:
假如琴弦呈振动、很快衰减、再振动的状态,那么说明有拍音,尚未很准;
假如和原先弹响的音一起渐渐衰减,那么说明二音非常一致,调音很准。
以上几种方法可以根据不同情况加以采用。
其共同的要求是调弦者的听音才能要好,对初学音乐或者音阶听力不是很好的人来说掌握起来有一定的困难。
我们已经理解到了传统吉他调音法的弊端,那么怎么才能使调音变更简单更准确呢?
为此我们设计制作了以单片机为核心的电子校音器,校音时空弦音由校音器的话筒输入,用单片机对空弦音的频率进展计算判断,并通过液晶显示模块把频率显示出来,从而让调弦者明白调整方向及调整幅度,反复几次,直至将琴弦频率调准。
其具有使用方便、直观、调音精度高的特点。
我们这次设计的是吉他校音器,只要对程序和电路稍作改动就可以成为其它乐器的校音器。
2.课题用处
调音器是用来调节吉他的音准的。
拾音器:
装在电吉他琴体正面,你可以看到在琴弦下有几块“东东〞,那就是拾音器。
作用相当于麦克风。
不过它是电吉他专用的“麦克风〞,用来接收琴弦发出的声音。
这个拾音器在各个电吉他上是不同的,我说的是数量,有两块的,三块的,四块的和五块的。
效果起:
另外一个独立的电子产品,不装在电吉他上。
作用是调节音色,让吉他发出各种各样丰富的声音。
能做出各种各样的音色效果。
通常电吉他都会用到效果器。
市场上存在类似的琴弦音频测定仪设备,与我们设计的琴弦频率智能测试仪相比,它们的缺点是体积较大,对使用环境要求苛刻,耗电大,价格昂贵等。
制作了以单片机为核心的电子校音器,通过其大量的显示信息量、寿命长、耗电量小、重量轻、空间尺寸小、稳定性高、易于操作、携带和维护等特点可以在市场上取代老式的测试仪。
4.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段〔途径〕
4.1本课题要完成的任务
演奏弦乐乐器前应先调准每根弦的音调,对于初学者或音阶听力不好的人来说,虽然可以通过一些方法〔如用于调吉他的“第5把位按弦调法〞〕调弦,但要到达较高的准确度既费时又不容易。
本设计针对这一问题,设计一个吉他调音器,可以帮助初学者或音阶听力不好的人准确、快速地校准琴弦音调,而且体积小,携带和使用都很方便。
吉他调音器的根本原理是,调弦器检测待调弦的发声频率,然后将此频率与标准的频率比拟,根据比照结果,控制电机转动,进而调节琴弦松紧度,使其发出的声音频率靠近标准频率。
4.2本课题要研究或解决的问题
〔1〕声波是一个幅值逐渐衰减的过程,所以采集的时间要合理,否那么无法采集到合理的信号。
〔2〕发音是有很多的泛音成分,及含有许多谐波,所以需要适宜的选频电路或滤波电路。
〔3〕由于声音的采集与程序能否同步是一个问题,因为声音是人在采集是拨动琴弦,这个时间能否使程序可以准确的响应执行是要解决的。
〔4〕采集声音信号时的抗干扰才能是要解决的问题。
因为环境会干扰采集的精度,怎样让采集的抗干扰才能需要解决。
4.3拟采用的研究手段
琴弦频率测量局部设计
利用单片机的T0、T1的定时计数器功能,来完成对输入的信号进展频率计数。
要求可以对琴弦信号的频率进展准确计数,计数误差不超过±
1HZ。
采用计数法,即测量单位时间内脉冲的个数,从而得到脉冲信号的频率,这种方法有一个明显的缺点:
当频率较低时测量精度低,假如测量时间为1秒时精度能到达1Hz。
4.4课题总体设计思路
系统组成构造〔构造框图如图一所示〕
图一
4.4.1音频采集电路
音频采集电路通常会有两种,可以是MIC输入,也可以线输入。
MIC输入时要注意MIC放大增益问题,输入信号的强度应适度,以保证后面滤波电路的效果。
〔电路图如图二所示〕
图二
4.4.2放大电路
吉他的信号输出,通常其输出的幅度较小,需要用放大器将微弱的信号放大,进而进展以后的处理过程。
〔电路图如图三所示〕
图三
4.4.3滤波电路
滤波的目的主要有两个,一个是对有用信号进展放大,另一个就是对无用信号进展衰减,以减小干扰信号的影响。
〔电路图如图四所示〕
图四
4.4.4整形电路
由于处理器采用的是对方波信号的测量,以计算出当前信号的频率,所以在输入到处理器之前需要将正弦信号转换成方波信号。
〔电路图如图五所示〕
图五
4.4.5处理器
软件必须具备比拟高精度的时钟源,以保证获得比拟高精度的信号分析。
晶振最好采用<
=20PPM精度工艺。
这样就可以给软件的运行环境提供一个高标准的工作环境,软件的算法质量才能得到保障,虽然选择的是低端的单片机,目前低端单片机中性能也有一些差异,有些单片机的机器周期是2个时钟周期,有些单片机性能较差,一个机器周期要12个时钟周期,那么同样的时钟周期,前者比后者执行的速度快6倍!
4.4.6电机控制
用电机的正反转来控制琴弦的松紧,进而改变琴弦振动时发出的声音的频率,实现吉他调音作用。
4.4.7整体电路图〔见附录三〕
5.软件程序设计方案选择
方案一:
直接测量外部声音信号频率,根据外部声音信号的频率范围调用与之相近的标准音频信号频率,将两种频率进展比拟,根据比拟结果控制步进电机按不同方向转动一样的角度,转动完毕后再一次测量外部声音信号频率,重复以上步骤,直至该琴弦在空弦状态下可以发出标准频率的声音信号,步进电机不再转动,发光二极管亮,提示调节完毕。
〔程序流程图见附录一〕
方案二:
通过矩阵按键选择所要调试的标准音频信号的频率,用定时/计数器来测量外部采集的声音信号的频率,用1602液晶显示标准频率与采集频率,将两种频率做比拟,并根据比拟结果控制步进电机转向和转动角度,进而调节吉他弦的松紧度,从而使该琴弦在空弦状态下可以发出标准频率的声音信号,步进电机转动停顿后蜂鸣器发声,提示调节完毕。
〔程序流程图见附录二〕
方案二使用了矩阵按键和1602液晶,然而在实际的操作中这两局部并没有太大用处,因为吉他在使用过程中每一个琴弦不会有太大的松动,因此无需人工选择所要调节的标准频率,应该是自动去寻找与采集的声音信号相近的标准频率,进而进展比拟,控制电机转动时,有也不会很好的算出转动多少角度声音信号改变多少,所以该方案的实际应用不理想,而且编程难度较大,而方案一那么符合要求编程难度又较低,因此选择方案一进展编程。
6.结论
课程设计诚然是一门专业课,给我很多专业知识以及专业技能上的提升,同时又是一门讲道课,一门辩思课,给了我许多道,给了我很多思,给了我莫大的空间。
同时,设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了详细的认识。
通过这次课程设计,我掌握了声音信号采集原理。
我认为,在这学期的实验中,不仅培养了独立考虑、动手操作的才能,在各种其它才能上也都有了进步。
更重要的是,在实验课上,我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战,只有不断的学习、理论,再学习、再理论。
这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后,不管有多苦,我想我们都能变苦为乐,找寻有趣的事情,发现其中珍贵的事情。
就像中国提倡的艰辛奋斗一样,我们都可以在实验完毕之后变的更加成熟,会面对需要面对的事情。
实验过程中,也对团队精神的进展了考察,让我们在合作起来更加默契,在成功后一起体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量,只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路,有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询,只要认真钻研,动脑考虑,就没有弄不懂的知识,收获颇丰。
通过仿真模拟,本次实验设计方案合理,可以进展下一阶段实物制作。
附录一
附录二
- 配套讲稿:
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- 基于 51 单片机 吉他 调音 系统 设计 原理