基于51单片机的吉他调音器系统设计原理设计.docx

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基于51单片机的吉他调音器系统设计原理设计

课程设计报告

课程名称：

吉他调音器控制系统设计--方案原理设计

专业班级：

姓名：

学号：

课设时间：

指导老师：

批阅时间：

成绩：

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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

4.1本课题要完成的任务…………………………………………………………4

4.2本课题要研究或解决的问题…………………………………………………4

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

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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 =  / 2 ^ （ 10 / 12 ） =  Hz 

3弦空弦，音高G，频率f =  / 2 ^ （ 14 / 12 ） =  Hz 

 4弦空弦，音高D，频率 f =  / 2 ^ （ 19 / 12 ） =  Hz 

 5弦空弦，音高A，频率f =  / 2 ^ （ 24 / 12 ） =  Hz 

 6弦空弦，音高E，频率 f =  / 2 ^ （ 29 / 12 ） =  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